分析力学基本原理介绍7.4:循环坐标和守恒定理

\bullet根据之前的内容我们了解到,循环坐标所对应的共轭动量守恒:

p_j = \frac{\partial \mathscr{L}} {\partial \dot{q}_j}

使用拉格朗日方程和哈密顿方程,我们也可以得到相同的结论:

\dot{p}_j = \frac{\partial \mathscr{L}}{\partial q_j} = -\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial q_j}

所以,共轭于正则动量的坐标如果是循环坐标:

\dot{p}_j = \frac{\partial\mathscr{L}}{\partial q_j} = 0 \implies -\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial q_j} = 0

我们发现,拉格朗日函数若不含有循环坐标,哈密顿函数将同样不含有该坐标。换句话说,如果某一广义坐标没有显性出现在哈密顿函数中,其对应的正则动量将是一个守恒量。所有之前关于拉格朗日体系的守恒定理均可原封不动地(除了把\mathscr{L}替换成\mathscr{H})应用在哈密顿体系中。

\bullet至于能量守恒,我们在拉格朗日体系中时了解过能量函数h。若系统的拉格朗日函数不显含时间t,系统的哈密顿函数将是一个不依赖时间的常数。

该结论也可通过直接求哈密顿函数对时间的全导得到:

\begin{align*}\frac{d\mathscr{H}}{dt} &= \sum_i\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial q_i}\dot{q_i} + \sum_i\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial p_i}\dot{p_i} + \frac{\partial\mathscr{H}}{\partial t}\\&= \sum_i-\dot{p_i}\dot{q_i} + \sum_i\dot{q_i}\dot{p_i} + \frac{\partial \mathscr{H}}{\partial t}\end{align*}

又因为

\mathscr{H} = \sum_i\dot{q_i}p_i - \mathscr{L}(\mathbf{q},\mathbf{\dot{q}},t)

于是

\frac{d\mathscr{H}}{dt} = \frac{\partial\mathscr{H}}{\partial t} = -\frac{\partial\mathscr{L}}{\partial t}

所以,如果拉格朗日函数不含有时间,那么哈密顿函数也将同样不显含时间。

\bullet关于哈密顿函数的形式,在之前也同样提到过:如果涉及到广义坐标的变换方程不显含时间t,并且势函数不依赖广义速度,哈密顿函数将同样具有总能量T + V的形式。但需要注意的是,哈密顿函数是否表示总能量,于其是否为守恒量完全是两个概念。两个概念彼此并不冲突,一个条件被满足并不意味着另一个就会被满足。即,有些情况下,哈密顿函数不显含时间,但不具有总能量的形式。

\bullet除此之外,我们知道,广义坐标的选取不会影响到拉格朗日函数最后的数值大小(尽管可能改变它的形式,即不再是T - V);与拉格朗日函数不同,哈密顿函数的数值大小和形式都取决于广义坐标的选取。也就是说,很多时候,哈密顿函数完全有可能在一组广义坐标下守恒,而在另一组却不守恒;在一组坐标下具有形式T + V,而在另一组却不具有总能量的形式。

(例)

为了更进一步理解哈密顿函数这一特点,让我们来看一个很简单的例子:

一个质量为m的质点,被连接在一根劲度系数为k的弹簧一端;弹簧另一端被固定在了一个,在外力驱动下,沿x轴以常速度v_0水平移动的小车上。

\bullet为了方便,我们将原点选为小车在t = 0的位置,并将质点的水平位置x选为广义坐标。

很明显,拉格朗日函数为:

\mathscr{L}(x,\dot{x},t) = T - V = \frac{m\dot{x}^2}{2} - \frac{k}{2}(x - v_0 t)^2

\bullet运动方程由拉格朗日方程得到:

\frac{d}{dt}\frac{\partial\mathscr{L}}{\partial \dot{x}} = \frac{\partial \mathscr{L}}{\partial x} \implies m\ddot{x} = -k(x - v_0 t)

解该运动方程,设地面参考系为\mathscr{O},不妨另选一个参考系\mathscr{O}^{\prime},它相对地面参考系具有速度V = v_0,即,该参考系与小车保持相对静止。

使用伽利略变换:

x^{\prime} = x - v_0 t;\quad \ddot{x}^{\prime} = \ddot{x}

这样一来,运动方程就变为了:

m\ddot{x}^{\prime} = -kx^{\prime}

这是一个二阶线性齐次微分方程。

\omega^2 = \frac{k}{m},特征方程变为:\lambda^2 +\omega^2 = 0

它有两个复根:\lambda_1 = i\omega\lambda_2 = -i\omega

利用欧拉恒等式,通解可以表示为三角函数的形式:

x^{\prime} = Ce^{i\omega t} + De^{-i\omega t} = A\cos(\omega t - \phi)A \in \rm{I\!R}C \equiv \frac{1}{2}Ae^{-i\phi}D \equiv \frac{1}{2}Ae^{i\phi}

可见,对于小车保持相对静止的观测者而言(坐在小车上),质点只是单纯地在做简谐振荡,而这一结论也同样符合伽利略相对论原理。

\bullet了解了该系统的大致运动情况,我们来看看哈密顿函数。

由于这时的广义坐标是笛卡尔坐标,势函数不显含广义速度,所以哈密顿函数将具有总能量的形式:

\mathscr{H}(x,p,t) = T + V = \frac{p^2}{2m} + \frac{k}{2}(x - v_0 t)^2

可见,这种情况下的哈密顿函数虽然代表总能量,但由于显含时间,所以并不是一个守恒量。原因在于,能量必须时刻流入并流出系统,来保证小车始终能够克服谐振子的运动并保持匀速。(系统内部存在一个非定常约束,此时的约束力做实功)。

\bullet如果一开始就使用参考系\mathscr{O}^{\prime},拉格朗日将变成:

\begin{align*}\mathscr{L}(x^{\prime},\dot{x^{\prime}}) &= \frac{m}{2}(\dot{x^{\prime}} + v_0)^2 - \frac{k}{2}(x^{\prime})^2\\&= \frac{m}{2}(\dot{x^{\prime}})^2 + m\dot{x^{\prime}}v_0 + \frac{m}{2}v_0^2 - \frac{k}{2}(x^{\prime})^2\end{align*}

其中\mathscr{L}_2 = \frac{m}{2}(\dot{x^{\prime}})^2是拉式函数对速度的二阶项;\mathscr{L}_1 = m\dot{x^{\prime}}v_0是速度的一阶项;\mathscr{L}_0 = \frac{m}{2}v_0^2 - \frac{k}{2}(x^{\prime})^2  包括了速度的零阶项以及常数项。

由于具备了充足条件,可将拉式函数用矩阵形式表示:

\mathscr{L}(x^{\prime},\dot{x^{\prime}},t) = \mathbf{\dot{q}}^{\rm{t}}\mathbf{a} + \frac{1}{2}\mathbf{\dot{q}}^{\rm{t}}\mathbf{T}\mathbf{\dot{q}} + \mathscr{L}_0(x,t)

其中\mathbf{\dot{q}} = \begin{pmatrix}\dot{x^{\prime}}\\0\\0\end{pmatrix} \mathbf{a} = \begin{pmatrix}mv_0\\0\\0\end{pmatrix}\mathbf{T} = \begin{bmatrix}m & 0 &0\\0&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}

\bullet于是可以直接使用下面表达式,得到哈密顿函数:

\begin{align*}\mathscr{H}(x^{\prime},p^{\prime},t) &= \frac{1}{2}(\mathbf{\dot{p}}^{\rm{t}} - \mathbf{\dot{a}}^{\rm{t}})\mathbf{T}^{-1}(\mathbf{\dot{p}} - \mathbf{\dot{a}}) - \mathscr{L}_0(x,t)\\&= \frac{1}{2m}(p^{\prime} - mv_0)^2 + \frac{k}{2}(x^{\prime})^2 - \frac{m}{2}v_0^2\end{align*}

注意:最后一项既不含坐标也不含速度,所以即便被舍去也不会对最后的运动方程造成任何影响。

\bullet可见,该情况下的哈密顿函数并不代表总能量,但由于其不显含时间,所以是一个守恒量。


总结

上述的例子证明了哈密顿函数不同于拉格朗日函数的一点。面对同一个系统,通过使用不同的参考系,我们得到了两组完全不同的哈密顿函数,这两组函数在数值上,时间依赖以及函数变化上均不相同。即便哈密顿函数深受广义坐标选取的影响,最后得到的运动方程始终都会是同一个,所以作为使用者的我们,更关心的该是如何选择一组广义坐标能够使得计算量达到最小才对。

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