Lagrange-mekanikk

Lagrange-mekanikk er en mer generell formulering av klassisk mekanikk  enn den som ble innført av Isaac Newton. I stedet for en formulering av  bevegelseslovene for et mekanisk system  uttrykt ved akselerasjonen forårsaket av alle krefter som virker på det, viste den franske fysiker og matematiker Joseph Louis Lagrange i 1788 ut fra d'Alemberts prinsipp at de kan utledes fra en skalar funksjon av systemets uavhengige variable og deres tidsderiverte. Denne funksjonen kalles i dag for Lagrange-funksjonen. For et system med en veldefinert  kinetisk energi T og potensiell energi V er Lagrange-funksjonen L = T - V.

Et generelt system kan beskrives ved N uavhengige variable eller generelle koordinater q = (q1, q2, ... , qN). Disse behøver ikke å være komponenter av forskjellige posisjonsvektorer, men kan for eksempel oppstå ved bruk av ikke-kartesiske koordinatsystem. Lagrange-funksjonen er da av formen

 

hvor  de tidsderiverte er . Den klassiske bevegelsen er nå gitt som løsningen av differensialligningen

 

som kalles Euler-Lagrange-ligningen. Den var tidligere blitt utledet av Leonhard Euler og Lagrange i forbindelse med  løsning av forskjellige optimaliseringsproblem ved bruk av variasjonsregning. 

Men det var den irske fysiker og matematiker  William Rowan Hamilton som på midten 18-hundreårstallet  viste at den samme ligningen kan utledes fra et virkningsprinsipp. Han innførte en ny definisjon av begrepet mekanisk virkning. For en bevegelse av systemet fra en gitt tilstand A til en senere tilstand B er virkningen definert ved integralet

 

hvor L er Lagrange-funksjonen for systemet. Den klassiske bevegelsen følger en bane hvis virkning skal ha et ekstremum, vanligvis et minimum. Under små variasjoner δq rundt denne klassiske banen er virkningen derfor stasjonær, det vil si at den resulterende variasjon

 

Ved bruk av standard variasjonsregning finner man da at den klassiske bevegelsen må oppfylle Euler-Lagrange-ligningen. Dette virkningsprinsippet kalles vanligvis i dag for  Hamiltons virkningsprinsipp og spiller en fundamentalt viktig rolle i moderne fysikk. Ofte blir det omtalt som prinsippet om minste virkning selv om det navnet noen ganger kan være misvisende.

Lagrange-mekanikk kan også brukes til beskrivelse av kontinuerlige systemer  og felt. Lagrange-funksjonen er da gitt som et volumintegral over en Lagrange-tetthet. Moderne kvantefeltteorier formuleres alle på denne måten.

Generelle koordinater

Newtons andre lov er vanligvis formulert i  et kartesisk koordinatsystem hvor hver partikkel er angitt ved en posisjonsvektor r = r(t) og en tilsvarende hastighet v = dr/dt, hver med tre komponenter.  Den deriverte av hastigheten er akselerasjonen a = dv/dt som er proporsjonal med kraften F som virker på denne partikkelen. Bevegelsesligningene F = ma blir da andre ordens differensialligninger for hver av kompontene for posisjonsvektoren r.  I utgangspunktet er derfor bevegelsen til en partikkel karakterisert ved tre variable eller frihetsgrader. Men disse variable er ikke alltid uavhengige av hverandre.

Ofte kan det være vanskelig å utlede bevegelsesligningene fordi mange av kreftene som inngår, er føringskrefter som må innføres for at bevegelsen skal oppfylle gitte krav. Dette kan for eksempel være at partikkelen skal bevege seg på en bestemt flate eller i en gitt avstand fra et fiksert punkt. Det ville være enklere å  kun benytte de variable som trenges for å angi tillatte posisjoner slik at føringskreftene ikke lenger inngår  i problemet. Dette kalles generaliserte koordinater og deres antall er det effektive antall av frihetsgrader.

For eksempel vil enden til en pendel med lengde a som svinger i xy-planet ha en posisjon r(t) = (x(t),y(t) = a (sinθ,cosθ) hvor vinkelen θ er utslaget fra y-aksen. Dette er derfor den generaliserte koordinaten for pendelen som dermed har bare en frihetsgrad. En partikkel som beveger seg på en gitt flate, vil derimot ha to frihetsgrader som er dens koordinater på flaten.

Kinematiske relasjoner

I alminnelighet tenker vi oss at systemet kan beskrives ved N generaliserte koordinater q = (q1, q2, ... qN). Betrakter vi partikkel angitt ved indeks a, vil den da ha posisjonsvektor

 

når man tillater at denne sammenhengen i alminnelighet også kan være eksplisitt avhengig av tiden t. Hastigheten til partikkelen kan derfor skrives som

 

Herfra finner man nå at

 

Prikkene fra tidsderivasjonene ser ut til å ha kansellert hverandre. Dette resultatet benyttes nå til å omskrive det skalare produktet

 

Via det tidsderiverte uttrykket

 

har man dermed etablert en forbindelse med den kinetiske energien,

 

til alle partiklene i systemet.

En lignende relasjon kan også utledes fra den deriverte

 

Herfra følger nå på tilsvarende måte som ovenfor at

 

Disse matematiske relasjonene mellom de kinematiske variable kan nå benyttes i den dynamiske beskrivelsen av systemet.

D'Alemberts prinsipp

For et statisk system sier d'Alemberts prinsipp at under en meget liten og tenkt forskyving δra av partikkel a som påvirkes av den totale kraften  Fa , skal det resulterende arbeid være null. På matematisk form kan det skrives som

 

Den infinitesemale forskyvingen δra, som må oppfylle føringsbetingelsene, sies å være virtuell da den skal foregå ved konstant tid. Ingen virkelig forflytning kan i foregå  uten at den tar litt tid. Derfor er den man betrakter her, virtuell. Ved bruk av generaliserte koordinater, kan den da skrives som

 

hvor det på høyre side i alminnelighet skulle ha vært et ledd  (∂ra/∂t)δt .

Dette prinsippet kan utvides til å også gjelde for et dynamisk system ved å anta at akselerasjonen  aa til denne partikkelen i systemet forårsaker en virkende kraft på samme måte som for eksempel at sentrifugalkraften kan beskrives som en virkelig kraft. Kombinert med Newtons andre lov kan man da skrive d'Alemberts dynamiske prinsipp på den matematiske formen

 

Den totale kraften Fa som virker på partikkel a, består av en ytre kraft  Fae og en indre føringskraft
Fai slik at totalkraften er   Fa =   Fae +   Fai . Føringskreftene kan ikke utføre noe arbeid slik at

 

Dermed inneholder d'Alemberts dynamiske prinsipp kun de ytre kreftene som virker på systemet, 

 ,

slik at problemet er blitt betydelig forenklet. Her kan vi nå sette inn uttrykket for den virtuelle forskyvningen uttrykt i generelle koordinater,

 
hvor vi har innført

 

som kalles en generell kraft. Dette kommer frem ved å betrakte det spesielle tilfellet at de ytre kreftene kan avledes av et potensial V = V(r1, r2, ....). Da er

 , 

slik at den generelle kraften blir

 

som man ville forvente ved innføring av generelle koordinater.

Denne kraften opptrer sammen med akselerasjonsleddet som vi kan splitte i to ved å skrive

 

Begge termene på høyre side har vi allerede vist at kan uttrykkes ved deriverte av den kinetiske energien T. Setter vi inn de resultatene her, vil hvert ledd i summen inneholde den generelle forskyvningen δqn. Da alle disse er vilkårlige og uavhengige av hverandre, må derfor hver prefaktor til 
δqn være null.  Det betyr at den ene ligningen man startet ut fra, splittes opp i en ligning 

 

for hver generell koordinat. Dermed har man funnet de nye bevegelsesligningene som følger fra d'Alemberts prinsipp.

Lagrange-funksjonen

Bevegelsesligningene kan gjøres enklere ved å uttrykke de generelle kreftene  ved den generelle, potensielle energien V som ble omtalt over. Er denne uavhengig av hastighetene til partiklene, finner vi ved å innføre at Qn = - ∂V/∂qn, at bevegelsesligningene kan skrives som

 

hvor Lagrange-funksjonen er L = T - V. Dette er Euler-Lagrange-ligningen som først oppstod tidligere i forbindelse med løsningen av forskjellige variasjonsproblem. Den vil inneholde dobbeltderiverte av de variable slik at den er en annenordens differensialligning. En fullstendig løsning krever derfor to grensebetingelser for hver variabel. Vanligvis blir de angitt som initialbetingelser ved tiden t = 0 og kan være posisjon og hastighet ved dette tidspunktet.

Som et enkelt eksempel kan man betrakte en harmonisk oscillator med utslag q og kraftkonstant k. Den potensielle energien er derfor 
V =(1/2) kq2 slik at Lagrange-funksjonen blir 

 

Herfra følger at den deriverte

 

mens ∂ L/∂ q = -kq slik at bevegelsesligningen blir

 

Den generelle løsningen kan skrives på formen q(t) = a sin(ωt + φ) med vinkelfrekvens ω = √(k/m). Amplituden a og fasen φ er integrasjonskonstanter som må bestemmes ut fra gitte grensebetingelser.

For en partikkel med masse m er Lagrange-funksjonen mer generelt

 

hvor V = V(r) er den potensielle energien i posisjonen r =  (x,y,z). Nå er

 

og  ∂ L/∂ r = - ∇V som sammen gir  bevegelsesligningen

 

hvor  v = dr/dt er hastigheten til partikkelen. Dette resultatet kjenner man igjen som  Newtons andre ligning hvor F = - ∇V er kraften som virker på partikkelen. Det er ikke så overraskende da den jo er utgangspunktet for det hele.

Euler-Lagrange-ligningen gjelder også i  det mer generelle tilfellet at den potensielle energien V er avhengig av hastighetene til partiklene på en slik måte at den generelle kraften kan skrives som

 

Det er tilfellet for en partikkel i et magnetisk felt B = ∇ × A hvor A = A(r,t) er vektorpotensialet. For en partikkel med ladning q er da den potensielle energien  når den har hastighet . Fra Lagrange-funksjonen

 

følger da bevegelsesligningen

 

På høyre side opptrer nå Lorentz-kraften. Ut fra definisjonen av kryssproduktet mellom vektorer, virker den normalt på hastigheten. Den vil derfor ikke forandre størrelsen til hastigheten, men bare dens retning.

Bevegelseskonstanter

Et generelt system er beskrevet ved N generelle koordinater q = (q1, q2, ... , qN). Disse behøver ikke å være komponenter av forskjellige posisjonsvektorer, men kan for eksempel oppstå ved bruk av ikke-kartesiske koordinatsystem. Begynnelsespunkt A og sluttpunkt B for bevegelsen er da begge angitt ved N slike koordinater. Virkningen må nå være stasjonær under variasjon  q n(t) → q n(t) + δq n(t) av alle disse koordinatene. Dermed får man en Euler-Lagrange-ligning for hver slik dynamisk variabel,

 

Hvis disse koordinatene ikke alle er uavhengige av hverandre, men oppfyller visse bibetingelser, kan det tas hensyn til ved bruk av metoden med Lagrange-multiplikator.

Det siste leddet i denne ligningen inneholder den tidsderiverte av hva som kalles den konjugerte impuls  pn til koordinaten qn, det vil si

 

Euler-Lagrange-ligningen kan derfor skrives som

 

som er en generell versjon av Newtons andre lov.

Hvis Lagrange-funksjonen av en eller annen grunn ikke inneholder en koordinat q k slik at ∂ L/∂ qk = 0, så
betyr det at dpk/dt = 0. Den tilhørende, konjugerte impuls er derfor uavhengig av tiden og dermed er

 

en bevegelseskonstant. Den tilsvarende  variabel sies å være syklisk. Det kan i prinsippet være flere av dem, og de  kan  være til stor hjelp ved løsningen av Euler-Lagrange-ligningene for de andre koordinatene.

Hamilton-funksjonen

Fra den generelle variasjonsregningen vet man også at når tiden t ikke eksplisitt opptrer i Lagrange-funksjonen, vil størrelsen

 

være en bevegelseskonstant. Generelt er

 

Fra Euler-Lagrange-ligningen ser man her at de to midtre leddene i parentesen kansellerer hverandre. Det gjør også første og siste ledd i parentesen ut fra definisjonen av konjugert impuls. Dermed er

 

Derfor er H = E en konstant når ∂ L/∂ t = 0. Denne bevegelseskonstanten er ikke noe annet enn den totale energien til systemet. Tid og energi er konjugerte variable.

I eksempelet over med den harmoniske oscillator finner vi den konjugerte impulsen  slik at

 

som er summen E = T + V av kinetisk og potensiell energi. Uttrykt ved impulsen er 

 

den totale energien til oscillatoren.  Dette er et eksempel på det som generelt kalles en  Hamilton-funksjon. Den danner grunnlaget for Hamilton-mekanikken som gir en alternativ beskrivelse av mekaniske system.

Sentralsymmetrisk potensial

I mange realistiske tilfeller vil en partikkel bevege seg med en potensiell energi V som ikke avhenger av retningen til dens posisjonsvektor r, men bare av dens lengde r = |r|. Da er V = V(r) og systemet er symmetrisk under rotasjoner rundt origo. Kraften F = - ∇V peker da i radiell retning slik at 
dreiemomentet r × F på den er null. Dermed  er dens dreieimpuls L= r × p  en konstant vektor.  

Man kan nå velge et aksekors med z-aksen langs dreieimpulsen. Da vil bevegelsen foregå i (x,y) - planet og kan beskrives ved bruk av polarkoordinater  (r,φ) i dette planet. Da er x = r cosφ og  y = r sinφ. Ved direkte derivasjon finner man  hastighetskomponenten dx/dt = (dr/dt) cosφ - r sinφ(dφ/dt) og tilsvarende for komponenten dy/dt. Kvadrerer man disse uttrykkene og adderer sammen, finner man Lagrange-funksjonen

 

i dette koordinatsystemet. Vinkelen φ opptrer ikke her og er dermed en syklisk variabel. Den konjugerte impulsen 

 

som er dreieimpulsen, er derfor en bevegelseskonstant pφ = k. I forbindelse med planeters bevegelse, er

 

«flatehastigheten» som  banen beskriver. At dreieimpulsen er konstant, betyr altså at denne flatehastigheten er uforanderlig. Dette er Keplers andre lov.

Resten av dynamikken til systemet er beskrevet ved den radielle koordinaten. Impulsen konjugert til r er

 

mens
 

slik at Euler-Lagrange-ligningen blir

 

Dette er en andre ordens differensialligning som kan løses analytisk for Newtons gravitasjonslov  V = - GmM/r hvor M er sentralmassen og G er gravitasjonskonstanten. Første ledd på høyre side er det effektive potensialet som skyldes sentrifugalkraften. De bundne løsningene gir ellipsebaner som er innholdet av Keplers  første lov.

Geodetisk bevegelse

Generelt ved bruk av krumlinjete koordinater  xμ  skrives den kinetiske energien for en ikke-relativistisk partikkel som

 

når man gjør bruk av Einsteins summekonvensjon og summerer over par med like indekser. Her er  gμν  den metriske tensoren for disse koordinatene og  er komponentene til hastigheten. Hvis partikkelen har en potensiell energi som er uavhengig av hastigheten, er Lagrange-funksjonen

  

Herav finnes den konjugerte impulsen . 
Euler-Lagrange-ligningen tar da formen dpλ/dτ = ∂ L/∂ xλ hvor

 

etter å ha skrevet det siste leddet på en mer symmetrisk form. I tillegg er

 

slik at den generelle bevegelsesligningen blir 

 

Den kan betraktes som Newtons andre ligning skrevet i et vilkårlig koordinatsystem. Innholdet i parentesen er det tilfellet et uttrykk for akselerasjonen hvor de deriverte av den metriske tensoren inngår i kombinasjonen

 

som er Christoffel-symbolet av første type. Det er symmetrisk i de to siste indeksene.

For en fri partikkel er potensialet V = 0. Dens bevegelse er derfor gitt ved en enklere differensialligning som finnes ved å multiplisere med den kontravariante metrikken gσλ på begge sider. Det gir

 

etter å ha innført det andre Christoffel-symbolet . Dette resultatet kalles den geodetiske ligningen og beskriver den korteste veien som forbinder begynnelsespunkt og sluttpunkt. En slik spesiell bane kalles en geodetisk kurve og karakteriserer bevegelsen til en fri partikkel. Dette gjelder hvis den for eksempel beveger seg på en krum flate eller i generell relativitetsteori.

Eksempel

Betrakter man en fri partikkel som beveger seg i et plan og beskrevet ved polarkoordinatene (r,φ), er Lagrange-funksjonen

 

Euler-Lagrange-ligningen for den sykliske variable φ  kan skrives som

 

Formen til banen følger fra ligningen 

 

for den radielle variable. Ved å benytte at d/dt = (dφ/dt)d/dφ, kan den nå omformes til

  

som er den geodetiske ligningen for banen. Ved å innføre u = 1/r  som ny banevariabel, tar den formen

 

som er den harmoniske svingeligningen. Den generelle løsningen kan skrives som u = (1/b)  cos(φ - φ0)  hvor b og φ0  er integrasjonskonstanter. Bevegelsen til den frie partikkelen er derfor gitt ved baneligningen

 

som beskriver en rett linje i polarkoordinater. Det punkt på banen som er nærmest til origo, har avstand b og ligger i retning φ0. Geometrisk følger dette resultatet fra cosinus til vinkelen  i den rettvinklet trekanten som har hosliggende katet b  og hypotenus r. 

Den geodetiske ligningen er vanligvis en differensialligning av andre orden. Men når partikkelen har en konstant energi som her, kan man i stedet finne en geodetisk ligning av første orden mer direkte fra den konstante energien E. For en fri partikkel er den lik med Lagrange-funksjonen L. Da er

 

Det betyr at

 

etter å ha innført konstanten B = 2mE/k2 =  1/b2. Skriver man nå r = b/x, forenkles denne ligningen til

 

som kan løses ved direkte integrasjon. Det gir φ = arccosx + φ0  eller x = cos(φ - φ0). Dette er igjen samme ligning for den rette linjen som partikkelen følger.

Se også 
 Variasjonsregning
 Hamilton-mekanikk
 Virkningsprinsipp
 Hamiltons virkningsprinsipp
 Maupertuis' virkningsprinsipp

Referanser

Litteratur

 A. Sommerfeld, Vorlesungen über Theoretische Physik, Band I: Mechanik, Akademische Verlagsgellschaft, Leipzig (1964).
 L. N. Hand and J. D. Finch, Analytical Mechanics,  Cambridge University Press, England (2008). 

Lagrange-mekanikk

he:מכניקה אנליטית