哈密頓原理

哈密頓原理

哈密頓原理,是英國數學家W.B.哈密頓1834年發表的動力學中一條適用於完整系統十分重要的變分原理。它可表述為:在N+1維空間(q1,q2,…,qN;t)中,任兩點之間連線上動勢L(q,t)(見拉格朗日方程)的時間積分以真實運動路線上的值為駐值。

定義

亦稱最小作用原理.力學中的一個變分原理.拉格朗日函式L是質點組的動能與勢能之差,即L=T-V。

哈密頓原理是以變分為基礎的建模方法,設系統的動能為T,勢能為V,非保守力的虛元功為δw時,則哈密頓原理可以表示為

哈密頓原理 哈密頓原理

哈密頓原理常用來建立連續質量分布和連續剛度分布系統(彈性系統)的動力學模型。

哈密頓原理斷言:在一切容許的運動中,質點組的真實運動滿足積分

哈密頓原理 哈密頓原理

有極值的必要條件δJ=0.
如同一般變分原理一樣,從哈密頓原理可以等價地推出相應的質點組的運動方程,通常是微分方程.如果力學系統處於靜力平衡穩定狀態,則因動能為零,位能與時間無關,哈密頓原理轉化為最小位能原理:

哈密頓原理 哈密頓原理

在力是保守力的情況下,對任何有限粒子組,對於更一般的動力系統以及連續介質,這一原理的推廣同樣適用.哈密頓原理還可推廣到電磁學、量子學說以及相對論中的基本定律.量子學說的創立者普朗克(Planck,M.)這樣評價哈密頓原理,“物理學中最崇高且最為人們殷切追求的目標,是把業已觀察到並行將觀察到的一切自然現象縮並成單獨一個原理……在那些標誌著過去幾百年物理科學成就的,多少帶有一般性的定律中,最小作用原理,就其內容和形式而論,可能最接近於理論研究上這一理想的最終目標.”

原理的證明

因為

式1 式1

所以

式2 式2

由分部積分關係並考慮到固定點A,B的變分δq1為零,有

式3 式3
式3 式3

代人式2,得

哈密頓原理 哈密頓原理

根據變分原理,歐拉方程為

式5 式5

式5就是在勢力作用下的拉格朗日方程,即當

哈密頓原理 哈密頓原理

的情況.在對積分極限加上一些限制條件,使真實運動的作用量的二階變分δ²H為正值時,真實運動作用使H取極小值,此原理稱為哈密頓最小作用量原理.因而拉格朗日方程5是哈密頓原理的充要條件.

當完整質點系統所受主動力中包含有勢力和非有勢力兩部分時,哈密頓原理有如下形式:

式6 式6
哈密頓原理 哈密頓原理
哈密頓原理 哈密頓原理
哈密頓原理 哈密頓原理
哈密頓原理 哈密頓原理

式中,δ為非有勢力的虛功之和.上式與一般形式的拉格朗日方程

式7 式7

是等價的,

式9 式9

時,式7即是式

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經典力學重要理論

經典力學是力學的一個分支,它以牛頓運動定律為基礎,在巨觀世界和低速狀態下,研究物體的運動。
牛頓運動定律 由牛頓總結於17世紀並發表於《自然哲學的數學原理》,包含三大力學基本定律
胡克定律 力學彈性理論的基本定律,即在彈性限度內,物體的形變跟引起形變的外力成正比
達朗貝爾原理 由法國物理學家與數學家達朗貝爾於1743年發現並提出
哈密頓原理 關於平穩作用量的原理,也可套用於經典場,如電磁場、引力場、量子場等
最小作用量原理 當套用於一個機械系統的作用量時,可以得到此機械系統的運動方程

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