拉格朗日方程

拉格朗日方程(Lagrange equation),因数学物理学家约瑟夫·拉格朗日而命名,是分析力学的重要方程,可以用来描述物体的运动,特别适用于理论物理的研究。拉格朗日方程的功能相当于牛顿力学中的牛顿第二定律。

约瑟夫·拉格朗日

定义

假设一个物理系统符合完整系统的要求,即所有广义坐标都互相独立,则拉格朗日方程成立:

 ;

其中, 是拉格朗日量, 是广义坐标,是时间 的函数, 是广义速度。

导引

在分析力学里,有三种方法可以导引出拉格朗日方程。最原始的方法是使用达朗贝尔原理导引出拉格朗日方程(参阅达朗贝尔原理);更进阶层面,可以从哈密顿原理推导出拉格朗日方程(参阅哈密顿原理);最简明地,可以借用数学变分法的欧拉-拉格朗日方程来推导:

设定函数 和 :

 、
 、
 ;

其中, 是自变量(independent variable)。

若 使泛函 取得局部平稳值,则在区间 内,欧拉-拉格朗日方程成立:

 。

现在,执行下述变换:

  • 设定独立变量 为时间 、
  • 设定函数 为广义坐标 、
  • 设定泛函 为拉格朗日量 ,

则可得到拉格朗日方程

 。
  • 为了满足这变换的正确性,广义坐标必须互相独立,所以,这系统必须是完整系统。
  • 拉格朗日量是动能减去位势,而位势必须是广义位势。所以,这系统必须是单演系统。

半完整系统

主项目:参阅半完整系统

一个不是完整系统的物理系统是非完整系统,不能用上述形式论来分析。假若,一个非完整系统的约束可以以方程表示为

 ;

则称此系统为半完整系统[1]。

半完整系统可以用拉格朗日形式论来分析。更具体地说,分析半完整系统必须用到拉格朗日乘子 :

 ;

其中, 是未知函数。

由于这 个广义坐标中,有 个相依的广义坐标,泛函 不能直接被变换为拉格朗日量 ;必须加入拉格朗日乘子,将泛函 变换为 。这样,可以得到拉格朗日广义力方程:

 ;

其中, 是广义力, 。

这 个广义力运动方程加上 个约束方程,给出 个方程来解 个未知广义坐标与 个拉格朗日乘子。

实例

这个段落会展示拉格朗日方程的两个应用实例。第一个实例展示出,用牛顿方法与拉格朗日方法所得的答案相同。第二个实例展示出拉格朗日方法的威力,因为这问题比较不适合用牛顿方法来分析。

自由落体

思考一个粒子从静止状态自由地下落。由于重力 作用于此粒子,应用牛顿第二定律,可以得到运动方程

 ;

其中,x-坐标垂直于地面,由初始点(原点)往地面指。

这个结果也可以从拉格朗日形式论得到。动能 是

 ,

位势 是

 ;

所以,拉格朗日量 是

  。

将 代入拉格朗日方程,

 。

运动方程是

 ;

与牛顿方法的运动方程相同。

具有质量的移动支撑点的简单摆

思考一个简单摆系统。系统的x-轴平行于地面,y-轴垂直于x-轴,指向地面。摆锤P的质量是 ,位置是 。摆绳的长度是 。摆的支撑点Q的质量是 。这支撑点Q可以沿着一条平行于x-轴的直线移动。点Q的位置是 。摆绳与y-轴的夹角是 。那么,动能是

 ,

位势为

 。

所以,拉格朗日量是

 。

两个约束方程为

 、
 。

将约束方程代入拉格朗日量方程,

 。

特别注意,在这里,广义坐标是 与 。应用拉格朗日方程,经过微分运算,对于 坐标,可以得到

 。

运动方程为

 。

由于拉格朗日量不显含广义坐标 ,称 为可略坐标,而其相对应的广义动量 是常数 :

 。

对于 坐标,可以得到

 ;

所以,运动方程为

 。

假如用牛顿第二定律,则必须仔细地辨明所有的相关作用力。这是一项既困难又容易出错的工作。

相关条目

  • 拉格朗日量
  • 拉格朗日力学
  • 哈密顿力学
  • 牛顿力学
  • 变分法

参考文献

  1. ^ Goldstein, Herbert. Classical Mechanics 3rd. United States of America: Addison Wesley. 1980: pp. 46–47. ISBN 0201657023 (英语).