Zagadnienia

4. Symetrie i całki pierwsze

4.1. Pęd i moment pędu

Omówimy teraz kilka typowych przykładów symetrii w układach mechanicznych. Przez symetrię rozumiemy tu dodatkowe warunki, jakie spełniają siły występujące w rozważanym układzie mechanicznym.

Pierwszym takim warunkiem zaobserwowanym w poprzednim wykładzie (dla układu jednopunktowego) jest potencjalność występującej siły. Konsekwencją tej symetrii jest pojawienie się całki pierwszej - energii całkowitej rozpatrywanego punktu.

W dalszym tekście wygodnie będzie traktować układ n-punktów w R3 jako jeden punkt w R3n . Jak zauważyliśmy w Wykładzie 3 przestrzeń fazową F takiego układu, którą jest wiązka styczna do R3n możemy utożsamiać z
R3n×R3n t.j. F=R6n.

Punkt przestrzeni F ma wtedy współrzędne

x1,xn,v1,vn (4.1)

gdzie xiR3 jest położeniem i-tego punktu a viR3 jest jego prędkością.

Definicja 4.1

(a) Niech ruch punktu materialnego o masie M opisany będzie krzywą gładką RtxtR3. Pędem tego punktu w chwili t nazwiemy mx˙tR3.

(b) Niech ruch układu M n-punktów o masach m1,,mn opisany będzie krzywą w przestrzeni fazowej F(M)=R3n×R3n:

γ˙:Rt((x1(t),xn(t),x˙1(t),x˙1(t))F(M)

Pędem tego układu w chwili t nazwiemy wektor

i=1nmix˙itR3 (4.2)

(c) Dla punktu materialnego (a) jego momentem pędu w chwili t nazwiemy wektor

xt,mx˙tR3

gdzie a,b oznacza iloczyn wektorowy wektorów a,bR3.

(d) Dla układu M z punktu b momentem pędu tego układu w chwili t nazwiemy wektor

i=1nxit,mix˙tR3 (4.3)
Uwaga 4.1

(a) Zarówno w przypadku pędu jak i momentu pędu mamy do czynienia z następującą sytuacją. Na przestrzeni fazowej FM są określone funkcje

P:FMR3 zwana pędem oraz

P:FMR3 zwana momentem pędu
takie, że formuły (4.2) i (4.3) otrzymamy jako superpozycje odpowiednio Pγ˙ i Mγ˙.

(b) Można rozważać także moment pędu względem ustalonego punktu x0Rn, dany formułą Rtxt-x0,mx˙t z podobną zmianą formuły (4.3).

4.2. Układy izolowane

Niech dany będzie układ n-punktów. Siłę Fj działającą na j-ty punkt można zapisać w postaci

Fj=i=1nFij

gdzie Fij dla ij jest siłą z jaką i-ty punkt oddziaływuje na j-ty, natomiast Fjj jest siłą działającą na j-ty punkt z zewnątrz. Będziemy przy tym zakładać, że siła Fij jest równoległa do wektora xi-xj, gdzie xiR3 jest położeniem i-tego punktu.

Otrzymujemy zatem opis działających sił w formie macierzy

F=Fiji,j=1n (4.4)

gdzie siłę działającą na punkt j-ty otrzymujemy jako sumę sił występujących w j-tej kolumnie.

Definicja 4.2

Układ n-punktów nazwiemy izolowanym, jeżeli macierz F jest antysymetryczna, tj. jeżeli Fij=-Fji. Warunek ten zawiera dwa ważne warunki częściowe. Po pierwsze siła zewnętrzna Fjj działająca na j-ty punkt jest zerowa.

Po drugie suma wszystkich sił działających na punkty tworzące układ jest zerowa, tj

j=1nFj=0 (4.5)
Twierdzenie 4.1

Dla układów izolowanych pęd układu P oraz moment pędu układu M są całkami pierwszymi ruchu.

Niech

γ˙t=x1t,,xnt,x˙1t,,x˙nt

będzie krzywą ruchu w przestrzeni fazowej F rozważanego układu.

Mamy pokazać, że

Pγ˙t=i=1nmix˙itorazMγ˙t=i=1nxit,mix˙it,

gdzie mi jest masą i-tego punktu, są całkami pierwszymi.

Na mocy warunku (4.5) mamy

ddtPγ˙t=ddtj=1nmjx˙jt=j=1nmjx¨jt=j=1nFjx1,xn=0

Podobnie wykorzystując (4.5) oraz własność w,w=0 dla wR3 otrzymamy

ddtMγ˙t=ddtj=1nxjt,mjx˙jt=
=j=1n([x˙j(t),mjx˙j(t)]+[xj(t),mjx¨j(t)])=j=1n[xj(t),Fj(x1,xn)]=
=j=1n[xj(t),i=1nFij(x1,xn)]=ij=1n[xj(t)Fij(x1,xn)]

Wykorzystując antysymetrię macierzy sił F możemy ostatnią sumę zapisać jako sumę po wszystkich parach i,jj,i podwójnych indeksów, gdzie drugi podwójny indeks otrzymujemy przez transpozycję pierwszego. Pokażemy, że wynik sumowania w każdej takiej parze daje zero, t.j., że

xitFjix1,xn+xjtFijx1,xn=0 (4.6)

Istotnie, z własności iloczynu wektorowego wynika, że w obydwu składnikach sumy w (4.6) możemy zastąpić odpowiednio xi przez xi+λ((x1-x2) oraz xj przez xj+μ((x1-x2) (jest tak, bo Fij||(x1-x2)). Zatem dobierając λ=12 oraz μ=-12 dostaniemy ten sam wektor w, i z warunku Fij=-Fji wynika własność (4.6).

Dla układu M składającego się z N punktów o położeniach xiR oraz masach mi określmy środek masy x0 tego układu za pomocą wzoru

x0=1Mi=1nmixi (4.7)

gdzie M=i=1nmi.

Stwierdzenie 4.1

Dla układu n-punktów położenie jego środka masy zmienia się tak, jak położenie punktu w R3 o masie M na który działa siła F=i=1nFi.

Mx¨0=i=1nmix¨i=i=1nFi

Wniosek 4.1

Dla układu izolowanego jego środek masy porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Na mocy (4.5) mamy wtedy Mx¨0=0.

4.3. Układy potencjalne

Niech M będzie układem n-punktów o maasach m1,,mn, którego przestrzeń fazowa FM ma współrzędne (4.1). Niech na punkty układu działają siły zewnętrzne oraz siły oddziaływania wzajemnego opisane przez macierz (4.4).

Definicja 4.3

Powiemy, że układ M jest potencjalny, jeżeli istnieje funkcja U:FMR zależna tylko od zmiennych x1,xn taka, że (traktując M jako punkt przestrzeni R3n) siła działająca na ten punkt ma postać

Fx1,xn=-gradUx1,xn. (4.8)

Wtedy siła Fj działająca na j-ty punkt jest opisana jako j-ta (wektorowa) współrzędna siły F, tj

Fx1,xn=F1x1,xn,F2x1,xn,,Fnx1,xn (4.9)
Definicja 4.4

Energią kinetyczną układu M nazwiemy funkcję T:FMR opisaną we współrzędnych (4.1) formułą

Tx1,xn,v1,vn=i=1nmivi22 (4.10)

Niech na przestrzeni fazowej układu M dana będzie siła (4.9)(niekoniecznie potencjalna). Niech

γ˙:Rtx1t,x2t,,xnt,x˙1t,,x˙ntFM (4.11)

gdzie

mix¨i(t)=Fi((x1(t),xn(t))i=1,2,..n.
Stwierdzenie 4.2

Przyrost energii kinetycznej wzdłuż krzywej ruchu (LABEL:4.3.4) jest równy pracy siły (4.9) wzdłuż tej krzywej t.j. dla t2>t1

Tγ˙t2-Tγ˙t1=i=1nt1t2Fix1t,xnt,x˙itdt.
T(γ˙(t2)-T(γ˙(t1))=t1t2ddtT(γ˙(t))dt=t1t2ddt(i=1nm1x˙it,x˙it2)dt=
=i=1nt1t2m1x¨i(t),x˙i(t)dt=i=1nt1t2Fi((x1(t),xn(t)),x˙i(t)dt.
Wniosek 4.2

Jeżeli siła F jest potencjalna, to energia całkowita układu

Ex1,xn,v1,vn=Tv1,vn+Ux1,xn

jest całką pierwszą ruchu.

Zauważmy, że w przypadku siły potencjalnej mamy

i=1nFi(x1(t),xn(t)),x˙i(t)=i=1nUxi(x1(t),xn(t))x˙i(t)=ddtU(x1(t),xn)(t))

zatem (porównaj dowód Stwierdzenia (4.3)).

Tγ˙t1-Tγ˙t2=t1t2ddtUγ˙ttdt=Uγ˙t2-Uγ˙t1

skąd wynika, że

Tγ˙t1+Uγ˙t1=Tγ˙t2+Uγ˙t2
Stwierdzenie 4.3

Niech M będzie układem izolowanym z macierzą działających sił o postaci (4.4). Jeżeli siła Fij zależy tylko od odległości oddziaływujących punktów, t.j.

Fijx1,xn=fijxi-xjxi-xjxi-xj (4.12)

gdzie fij:RR jest ciągła oraz fij=fji, to układ M jest potencjalny.

Niech gijt=1tfijsds będzie funkcją pierwotną funkcji fij i niech Gijx1,xn=gijxi-xj gdzie dla
w=w1,w2,w3R3. przyjmiemy

w=w12+w22+w32

Ponieważ dla w=(w1,w2,w3),v=((v1,v2,v3) zachodzi

wiw-v=wi-viw-v;vi=vi-wiw-v (4.13)

to

xkGijx1,xn=0jeżelikiorazkjfijxi-xjxi-xjxi-xjjeżelik=ifijxi-xjxj-xixi-xjjeżelik=j

a zatem

Ux1,xn=j.iGijx1,xn

jest potencjałem naszego układu.

4.4. Zagadnienie dwóch ciał.

Przez zagadnienie n-ciał będziemy rozumieli problem rozwiązania równań opisujących ewolucję izolowanego i potencjalnego układu n-punktów materialnych. Zagadnienie to odegrało dużą rolę w rozwoju mechaniki. Pokazano, że dla n3 nie istnieje możliwość ”rozplątania” układu równań opisujących ruch i podania rozwiązania 'explicite'(rozwiązanie w kwadraturach). Dla dwóch punktów rozwiązanie takie istnieje. Istotnie, dla układu dwóch ciał o masach mi m2 układ równań opisujący jego ewolucję ma zgodnie z Stwierdzeniem (4.3) postać

m1x¨1t=-x1g1.2x1t-x2tm2x¨2t=-x2g1.2x1t-x2t (4.14)

gdzie g:RR jest różniczkowalna.

Twierdzenie 4.2

Zmiana x1-x2 przy zagadnieniu dwóch ciał z potencjałem U1,2 odbywa się tak, jak zmiana położenia ruchu pojedynczego punktu o masie m1m2m1+m2 w R3 pod wpływem potencjału Vx=g1,2x.

Mnożąc pierwsze z równań (4.4.1) przez m2 a drugie przez m1 i odejmując stronami otrzymamy (porównaj (4.13))

m1m2x1-¨x2=m2x1g1,2x1-x2-m1x2g1,2x1-x2=
=m2dg1,2dt(|x1-x2|)x1-x2x1-x2+m1dg1dt(|x1-x2|)x1-x2x1-x2=
=-m1+m2dg1,2dtx1-x2x1-x2x1-x2

A zatem dla x=x1-x2 otrzymamy

m1m2m1+m2x¨=-dg1,2dtxxx=-xg1,2x.

Niech x0=m1x1+m2x2m1+m2 będzie środkiem masy naszego układu oraz niech x=x1-x2. Wtedy

x1=x0+m2m1+m2x
x2=x0-m1m1+m2x

a zatem, zgodnie z wnioskiem 4.2.4 otrzymamy x0t+x0+v0t i dla wyznaczenia x1 oraz x2 wystarczy znależć xt , tj podać opis ruchu punktu w R3 pod wpływem danego potencjału o postaci Ux=fx. Zagadnienie to posiada rozwiązanie, które podamy w następnym wykładzie.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.