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Por qué $F(\mathbf q,\dot{\mathbf q},t)$ y no $F(\mathbf q,t)$ ?

En la mecánica clásica para principiantes, que acabo de empezar a aprender, una partícula con coordenadas $\mathbf q\in\mathbb R^n$ tiene su ecuación de movimiento especificada por $F(\mathbf q,\dot{\mathbf q},t)=m\ddot{\mathbf q}$ . La fuerza es una función de todas las coordenadas necesarias para describir el cuerpo (rígido), y debería cubrir todos los grados de libertad del sistema. Sin embargo, me parece que como $\dot{\mathbf q}=\frac{d\mathbf q}{dt}$ sólo es necesario especificar $F(\mathbf q,t)$ para una descripción completa. No estoy seguro de entender por qué no es el caso, pero mi mejor conjetura es la siguiente.

Si $\mathbf q,\dot{\mathbf q}$ están dadas en una ecuación diferencial, como $\dot{\mathbf q}=t^\mathbf q\mathbf q^\dot{\mathbf q}$ entonces es necesario especificar todos los $\mathbf q,\dot{\mathbf q},t$ para localizar su posición y velocidad en un momento dado, a menos que la ecuación diferencial tenga una solución y la utilicemos.

Pero esta explicación me resulta extraña. Ya que podemos tener un $k$ ecuación diferencial de tercer orden que especifica $\mathbf q,\frac{d}{dt}\mathbf q,\ldots,\frac{d^k}{dt^k}\mathbf q$ sin solución obvia, ¿no significaría eso que nuestra ecuación de movimiento es en realidad $F(\mathbf q,\frac{d}{dt}\mathbf q,\ldots,\frac{d^k}{dt^k}\mathbf q,t)=m\frac{d^2}{dt^2}\mathbf q$ ?

Editar La ecuación diferencial de arriba que tiene un vector exponenciado por un vector es sólo un intento mal pensado de un ejemplo de un diff eq sin solución obvia para mí, no importa realmente lo que es. O si quieres considerar ese caso, trátalo como un sistema 1D, supongo.

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Matt Dawdy Puntos 5479

Sin embargo, me parece que como $\dot{\mathbf q}=\frac{d\mathbf q}{dt}$ sólo es necesario especificar $F(\mathbf q,t)$ para una descripción completa.

Si bien es cierto que la función $q$ determina su derivada $\frac{dq}{dt}$ Es no es cierto que el valor de $q$ a un valor determinado $t_0$ de $t$ determina el valor de la derivada $\frac{dq}{dt}$ a ese mismo valor. El lagrangiano tiene un valor en un momento determinado $t_0$ que es una función de los tres números $q(t_0), q'(t_0)$ y $t_0$ . En particular, depende de más información que $q(t_0)$ pero con menos información que todas las derivadas superiores de $q$ en $t_0$ .

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jasper Puntos 111

La mecánica lagrangiana se basa en la mecánica newtoniana (concretamente en el principio de d'Alembert de los trabajos virtuales), es decir, en conjuntos de EDO de segundo orden. Bajo ciertas condiciones de regularidad, estas EDOs de segundo orden pueden convertirse en un sistema de EDOs de primer orden, donde el $q$ s y el $\dot q$ s son variables independientes. Por lo tanto, si se quiere recuperar las ecuaciones de movimiento a partir de un Lagrangiano (o un principio de acción), esto debe depender de la $q$ s y el $\dot q$ s. Obsérvese que la propia integral de acción se supone que depende únicamente de la trayectoria, es decir

$$S[q] = \int_a^b L(q(t),\dot q(t), t)\text dt.$$

Hamilton observó que existe un procedimiento estándar para pasar de las ecuaciones de Euler-Lagrange, que son las EDO de segundo orden de la mecánica newtoniana, al sistema equivalente de EDO de primer orden. Para que esto funcione, la condición es que el hessiano de $L$ en relación con el $\dot q$ no debe desaparecer (por lo que debe ser definida positiva en el dominio de interés, es decir $L$ es cóncavo con respecto al $\dot q$ s). Tales ecuaciones son la ecuación de Hamilton que proviene del hamiltoniano, que es la transformada de Legendre de $L$ con respecto a las velocidades generalizadas.

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