Hareket denklemleri

Matematiksel fizikte, hareket denklemi, fiziksel sistemin davranışını, sistem hareketinin zamanı ve fonksiyonu olarak tanımlar. Daha detaya girmek gerekirse; hareket denklemi, matematiksel fonksiyonların kümesini "devinimsel değişkenler" cinsinden izah eder. Normal olarak konumlar, koordinat ve zaman kullanılır, ama diğer değişkenler de kullanılabilir: Momentum bileşenleri ve zaman gibi. En genel seçim genelleştirilmiş koordinatlardır ve bu koordinatlar fiziksel sistemin karakteristiğinin herhangi bir uygun değişkeni olabilirler. Klasik mekanikte, fonksiyonlar öklid uzayında tanımlanmıştır ama görelilikte öklid uzayı, eğilmiş uzay ile tanımlanmıştır. Eğer sistemin dinamiği biliniyor ise, denklemler dinamiğin hareketini izah eden diferansiyel denklemlerin çözümleri olacaktır.
Hareketin iki tane açıklaması vardır: dinamik ve kinematik. Parçacığın momentası, kuvvetleri ve enerjisi hesaba katıldığında dinamik geneldir. Bu durumda, bazen terim sistemi tatmin eden bir diferansiyal denkleme (örneğin, Newton'un ikinci yasası veya Euler-Lagrange denklemleri) ve bazen de denklemlerin çözümlerine işaret eder.
Kinematik, konumsal ve zaman bağlantılı değişkenlerle ilgilendiği için daha basittir. Sabit ivme durumunda, hareketin bu göreceli basit denklemleri genellikle "YİSİZ" denklemleriyle çözülebilir," kinematik büyüklüklerden doğarlar, yer değiştirme (Y), ilk hız(İ), son hız (S), ivme (İ), ve zaman(Z). (aşağıya bakınız).
Bu sebeplerden ötürü, hareket denklemleri hareketin bu ana sınırlandırıcılarıyla gruplandırılabilir. Tüm durumlarda, hareketin ana türü ya çeviri ya rotasyon ya
salınım ya da herhangi bir kombinasyonudur.
Tarihsel olarak, hareketin denklemleri klasik mekanikte başlamıştır ve çok büyük objelerin hareketini tarif ederken göksel mekanikle büyümüştür. Sonradan, hareket denklemleri, elektrik ve manyetik alan içindeki yüklenmiş parçacıkların hareketini tarif ederken elektrodinamikte gözükmüştür. Genel göreliliğin gelişiyle,
klasik hareket denklemleri değiştirilmiştir. Tüm bu durumlarda, kuvvetler ve enerji değişimlerinden etkilenmiş olan parçacığın, yörüngesini uzay ve zaman koordinatları cinsinden içeren bir diferansiyel denklem şeklinde ifade edilmiştir. Kuantum mekaniğinin denklemi dahi hareket denklemi olarak düşünülebilir, çünkü o denklemler dalga fonksiyonlarının kuantum durumunun nasıl davranacağını benzer olarak, parçacığın uzay ve zaman koordinatlarını kullanarak açıklayan diferansiyel denklemleriydi. Hareket denklemlerinin benzeşleri vardır. Dalgalar bu benzeşmelerin fiziğin diğer dallarındaki önemli örneklerindendir. Bu denklemler aşağıda açıklanmıştır.
Giriş
Nitel
Hareket denkleminin genel anlamda kapsadıkları:
genellikle herhangi bir fiziksel yasa ve uygulanan tanımları fiziksel nicelikleri olarak tanımlanan bir hareketin diferansiyel denklemi problem için bir denklem kurmak üzere kullanmak,
sınır ve başlangıç değerlerini belirlemek,
pozisyonun veya momentumun fonksiyonu ve zaman değişkenleri, sistemin kinematiğini tarif etmek,
sınır ve başlangıç değerlerini kullanarak sonuçta oluşan diferansiyel denklemi çözmek.
Diferansiyel denklem, uygulamanın genel tanımıdır ve belirli bir durum için ayarlanabilir. Çözüm tam olarak sistemin nasıl hareket edebileceğin başlangıç anından sonraki herhangi bir an için, sınır değerlerini kullanarak tanımlar.
Nicel
Newton mekaniğinde, hareket denklemi M genel formu olan ikinci dereceden olan adi diferansiyel denklemler halini alır, obje r konumundayken (detaylar için aşağıya bakınız)
t zaman ve fonksiyonların üstlerindeki noktaların anlamı; zamana göre türevleri o fonksiyonları.
Başlangıç koşulları t = 0 anı için verildi;
Bir başka dinamik değişken ise parçacığın momentumudur. r yerine kullanılabilir olan (ama daha az yaygın bu kullanım), açıklamak gerekirse, momentumdaki ikinci dereceden adi diferansiyel denklem:
Çözüm r (veya p), bu hareket denklemi için, başlangıç değerleri dikkate alınarak yapılan, sistemin t=0 anından sonraki tüm zamanları içindir. Birden çok parçacık için, ayrı denklemler vardır her bir parçacık için (İstatistiksel mekanikte, bu birçok parçacığın istatistiksel topluluğu ile çelişir, ve çok parçacıklı sistemlerle, quantum mekaniğindeki - tüm parçacıkların tek bir olasılık dağlımı ile tanımlandığı). Bazen, denklem lineer olur ve kesin olarak çözülebilir. Genelde, denklem lineer değildir ve kaotik bir davraşın halinde olur, sistemin ne kadar duyarlı bir başlangıç koşuluna sahip olmasıyla kaotiklik değişir.
Genelleştirilmiş Lagrange mekaniğinde, genelleştirilmiş koordinatlar q (veya genelleştirilmiş momenta p) genel konum (veya momentum) ile yer değiştirir. Hamiltonian mekaniğinde bu durum oldukça farklıdır, iki birinci dereceden denklem vardır, genelleştirilmiş koordinatlar ve momenta:
q genelleştirilmiş koordinatların değişkenler grubu ve benzer olarak p genelleştirilmiş momentumun değişkenler grubudur. Başlangıç koşulları da aynı şekilde tanımlanmıştır.
Bir parçacık için kinematik denklem
Kinematik nicelikler
Anlık pozisyondan r = r (t), anlık belirli bir an için zamanın değeri, anlık hız v = v (t) ve ivme a = a (t), koordinattan bağımsız genel tanımları vardır;
Hız vektörünün her zaman hareketin yönüne doğru olduğuna dikkat etmek gerekir. Bir diğer deyişle, eğimli yörüngeye teğet vektörüdür. Detaya girmeden konuşursak, birinci derecen türevler eğimlerin teğetleriyle bağlantılıdır. Yine eğimli yörüngeler için, ivme vektörü yörüngenin eğrilik merkezine doğrudur. Tekrar, detaya girmeden konuşursak, ikinci dereceden türevleri eğrilikle ilgilidir.
Bu niceliklerin dönüş hareketindeki karşılıkları açısal konum = (t) (bir eksene göre dönen parçacığın açısı), açısal hız = (t) ve açısal ivme a = a(t) olarak ifade edilir:
ve
burada dönme ekseniyle aynı doğrultudaki birim vektördür. 'nin yönündeki birim vektördür ve açıya teğetsel bir birim vektördür. Bu dönüşsel tanımlarda, açı belirlenmiş bir eksene göre herhangi bir açı olabilir. Açısal hız geleneksel olarak ile gösterilir, ama bu sembol polar koordinat sistemlerinde kullanılan ile karıştırılmamalıdır.
açısal hızıyla, herhangi bir eksen etrafında yörüngelenen, noktasal parçacıklar için geçerlidir, birazdan yazılacak olan denklemler:
r açısal konum, v parçacığın teğetsel hızı ve a parçacığın ivmesidir. Bu denklemler, dönüşün herhangi sürecinde, bir katı cismin herhangi bir noktası için de doğrudurlar.
Tek biçimli ivmelenme
Sabit lineer ivme: doğrudaş vektörler
"
Bu denklemler, üç boyutlu düzlemde düz çizgi üstünde sabit ivme ile ilerleyen parçacıklar için lineer olarak ilerleyen parçacıklara uygulanır. Bunun sebebi konum, hız ve ivme doğrudaş olduğundan (paralel ve aynı düzlemde olan) - sadece bu vektörlerin büyüklükleri gerekli olmasıdır, çünkü hareket düz bir çizgide olduğundan, problem üç boyuttan bir boyuta etkili bir şekilde düşmektedir.
, parçacığın ilk bulunduğu konum
parçacığın son konumu
parçacığın ilk hızı
parçacığın son hızı
parçacığın ivmesi
zaman aralığı
Burada sabit ivme var veya yer çekimi etkisinde olan cisimler. Önemli nokta, her denklemin 5 değişkenden 4' ünü mutlaka içeriyor olmasıdır. Bu durumda, üç denklemi bilmek 5 değişkenin içinden geri kalan 2 değişkenin hesaplanmasına yetecektir.
Başlangıç için kullanılan denklemlerde çoğunlukla farklı bir notasyon kullanılır:
v0 yerine u, r yerine s yazılmış, ve s0=0 durumu eline alınmıştır. Bu genellikle "YİSİZ" denklemleri diye adlandırılır.
Sabit lineer ivme: doğrudaş olmayan vektörler
Başlangıç konum, hız ve ivme vektörlerini doğrudaş olarak ele almazsak, vektör nokta çarpımını kullanarak denklem doğrudaş olmayan durumun için genişletilebilinir. Denklemlerin elde edilişi doğrudaş olan durumla aynıdır:
Torricelli denklemi [4], nokta çarpımın dağılma özelliği kullanılarak elde edilebilir.
Uygulamalar
Kinematiğin basit ve yaygın örneklerinde roketler ele alınır. Örneğin; yukarıya doğru atılan topa u hızı verildiğinde, ne kadar yukarı çıkacağı düşmeye başlamadan önce bulunabilir. İvmelenme yer çekiminden (g) kaynaklanıyor. Bu noktada hatırlanması gereken, bu denklemler skaler gibi gözükse de hızın, yer değiştirmenin ve ivmelenmenin yönleri önemlidir. Hatta tek yönlü vektörler olarak bile ele alınabilirler. s i yukarıdan yere doğru çekerse, ivmelenme -g olmalıdır, çünkü yer çekimi kuvveti aşağıya doğru etki ettiği için, bu yüzden aynı zamanda topun üstündeki ivmelenme de öyledir.
Çıkabileceği en yüksek noktada, top duracaktır v = 0. Yukarıda yazılan [4] üncü denklemi kullanarak,
Eksi işaretlerini götürerek ve vyi yerine yazarak,
şeklinde yazabiliriz.
Sabit çembersel ivmelenme
Benzeşmesi kullanılarak rotasyon için aşağıdaki denklemleri yazabiliriz. Yine bu eksensel vektörlerin hepsi rotasyon eksenine paralel olmalı, o yüzden sadece vektörlerin büyüklükleri gereklidir.
α sabit açısal ivme, w açısal hız, w0 başlangıç açısal hızı, açısal yer değiştirme, 0 başlangıç açısı ve t başlangıç konumundan son konumuna kadar geçen süredir.
Genel gezegensel hareket
Bunlar kinematik denklemlerdir ve gezegenin etrafında dönen parçacık için r = r(t) konumuyla tanımlanmıştır. Aslında sadece r' nin zamana göre türevleridir ve polar koordinatlarda fiziksel niceliklerle tanımlanmıştır (açısal hız w gibi).
Parçacığın konumu, hızı ve ivmesi, sırasıyla;
polar koordinatın birim vektörleridir. İvmedeki, (r2) merkeze doğru olan ve 2dr/dt coriolis etkisinden oluşan ivmelenmelerdir.
Hareketin özel durumları tanımlanırken, bu durumlar aşağıdaki tabloda kısaca anlatılmıştır. İki tanesi zaten yukarıda tartışıldı, bu durumlarda ya yarıçapsal ya da açısal bileşeni sıfırdır ve sıfır olamayan bileşeni hareketin tektik ivmelenmeyi tanımlar.
Genel üç boyutlu hareket
Üç boyutlu uzayda, denklemler küresel koordinatlarda olduğundan daha karışık ve hantal oluyor. (r, , φ), Birim vektörleriyle birlikte, sırasıyla konum, hız ve ivme olarak sıralanabilir.
Bir parçacığın harmonik hareketi
Öteleme
Hareketin kinematik denklemi, basit harmonik hareket için olan, genel frekans ve periyot (bir devirin tamamlanma süresi) ile bağlantılıdır:
Birçok sistem yaklaşık olarak basit harmonik hareketi gerçekleştirir. Karışık harmonik salınım basit harmonik hareketin süperpozisyonudur.
Basit harmonik hareketin herhangi bir yönde oluşması mümkündür, neden olmasın:
ve bu denklem birden çok boyutlu harmonik salınım diye bilinir. Kartezyan koordinatlarda, konumun her bileşeni süperpozisyonudur, basit harmonik motion'nın. sinüslü biçiminin.
Rotasyon
Basit harmonik hareketin rotasyonal analogu düz yolda dayanak noktasına veya eksene göre olan açısal salınımdır.
w açısal frekansı salımın hareketinin, ama dikkat edin ki açısal hız değil.
Bu biçim (hiç değilse yaklaşık olarak) tanımlanabilir, titreşim olarak. Karışık analog yine basit harmonik salınım süperpozisyonudur.
Hareketin dinamik denklemi
Newton mekaniği
Hareket denklemini vektör biçiminde yazmak Newton'nun hareket yasalarını kullanarak basit olabilir, ama bileşenleri değişebilir ve karışık olduğundan onları çözmek kolay olmayabilir. Genellikle soruyu tam olarak çözebilmemizi engelleyecek kadar değişkenlerin fazlalığına takılabiliriz, bu yüzden Newton'un yasaları parçacığın hareketini anlamada en etkili yöntem değildir. Dikdörtgen geometrisinin daha basit durumlarında, kartezyen koordinatların kullanımı çok güzel çalışır, ama diğer koordinat sistemleri üzücü bir şekilde daha karışık olabilir.
Newton'un translasyon olan ikinci yasası
İlk gelişme ve en ünlü olan gelişme Newton' un ikinci hareket yasasıdır. Bunu yazmanın birden çok yolu vardır, en çok kullanılanı;p = p(t) parçacığın momentumu ve F = F(t) parçacığın sonuç olan harici kuvvettir, parçacık üstündeki - her durumda t zaman için kullanılmıştır. Bu yasa daha popüler bir şekilde şöyle kullanılır;
m sabit olduğundan dolayı, newton mekaniğinde. Momentumun biçimi seçilebilirdir, çünkü rahatlıkla karışık sistemlere genelleştirilebilir, ve bu genelleştirmeye özel ve genel görecelikte dahildir, çünkü momentum korunabilir bir nicelik olduğundan dolayı; ki daha derin ve temel bir önem arz ettiğinden, pozisyon vektörüne göre veya momentumun zamana göre, türevine göre.
Birden çok parçacık için;Encyclopaedia of Physics (second Edition), R. G. Lerner, G. L. Trigg, VHC publishers, 1991, ISBN (VHC Inc.) 0-89573-752-3pi = i. parçacığın momentumu, Fij = j parçacığı tarafından i parçacığına uygulanan kuvvet, ve FE = soçun olan dış kuvvet. i parçacığı kendi kendisine bir kuvvet uygulamaz.
Newton'nun(Euler'in) ikinci yasası rotasyon için olan
Katı cisimler için, Newton'nun ikinci yasası rotasyon için olan aynı biçimi alır translasyon için aldığındaki;L açısal momentumdur, burada. Kuvvet ve ivmenin analog;I burada eylemsizlik momentidir. Benzer şekilde, birden çok parçacık için, hareket denklemi yazılır bir parçacığın;
Li = açısal momentumudur i. parçacığın, τij = i. parçacığın torkudur ve τE = sonuç olan dış torktur. i parçacığının kendi üstüne tork uygulayamaz.
Uygulamalar
Newton yasasının bazı örnekleri sarkacın hareketinin tanımlanmasında da kullanılır;
sönümlü, kararlı harmonik salınım için;
veya bir top havaya atılmış olan, hava akımı (rüzgar gibi) direnç gösteren kuvvetlerin vektör alanı ile tanımlanan R(r, t) için;
G = yer çekimsel sabit, M = dünyanın kütlesi, ve A=R/m atılan cismin ivmesi hava akımına göre ve herhangi bir r pozisyonunda t zamanında. Newton'nun yerçekimi yasası kullanılmıştır. Atılan cismin kütlesi m nötürleşiyor işlemde.
Öklidiyen mekaniği
Euler, Newton'nun yasalarına benzeş bir şekilde katı cisimlerin hareketi için yasalar geliştirdi.
NewtonEuler denklemleri
Euler'in denklemlerini toplayıp sadece bir denkleme sığdıran denklemlerdir.
Analitik mekanik
Kısıtlamalar ve Hareket
Eğer sistemde kısıtlamalar varsa üç boyutlu düzlemin tüm koordinatlarını kullanmak gereksizdir. Genelleştirilmiş koordinatlar q(t) = [q1(t), q2(t) ... qN(t)], N sistemin tüm serbestlik derecesinin toplamı, koordinat setlerinden herhangi birini sistemin konfigürasyonunu ark boyları ve açılar biçiminde tanımlanmasında kullanılır. Hatır sayılır derecede yalınlaştırmalar vardır hareketi tanımlarken, çünkü esas kısıtlamaların avantajıyla sistemin hareketini limitleyerek - mesela, birkaç koordinatta olan bir hareket minimuma indirgenmeye çalışılabilir, tüm koordinatları kullanarak tanımlanması yerine.
Genelleştirilmiş koordinatlar aşağıdakilere tekabül eder;
onların zamana göre türevleri, genelleştirilmiş hızları: ,
konjugate genelleştirilmiş momenta: ,
Lagrangian konfigürasyonun fonksiyonudur q, konfigürasyonun değişim oranı dq/dt ve zaman t; ,
Hamiltionian konfigürasyonun fonksiyonudur q, hareket p, ve zaman t;.
Lagrangian veya Hamiltonian fonksiyonu p ve q''' değişkenlerini kullanarak kurulmuş bir sistemdir ve bunlar Euler-Lagrange veya Hamilton'nın denklemlerinin içine sistemin bir diferansiyal denklemini elde etmek için sokulmuştur. Bunlar koordinat ve momenta için çözülür.
Genelleştirilmiş klasik hareket denklemi
En az hareketin prensibi
Hareketin tüm klasik denklemleri, değişken prensibi tarafından elde edilebilir.
sistemin konfigürasyon uzayında gideceği yol belirlenebilir, ve o yol en az hareketin olduğu yoldur.
Euler-Lagrange denklemleri
Euler-Lagrange denklemleri şunlardır;Classical Mechanics (second edition), T. W. B. Kibble, European Physics Series, 1973, ISBN 0-07-084018-0
Lagrangian'da yerine koyduktan sonra, kısmi türevleri hesaplanmış ve yalınlaştırılmış, ikinci derecen adi diferansiyal denklem her qi için elde edilmiştir.
Hamilton denklemleri
Hamilton denklemleri şunlardır;
Fark edilmesi gereken şudur ki, denklemler simetriktir, (aynı biçimde kalmaktadırlar) bu değiş tokuşlara yaparak eş zamanlı olarak:
Hamiltonian'da yerine koyduktan sonra, kismi türevleri hesaplanmış ve yalınlaştırılmış, iki birinci derecen adi diferansiyal denklem her qi ve pi için elde edilmiştir.
Hamilton-Jacobi denklemi
Hamilton'nın formalizmi şöyle yazılabilir;
Denklemin basit bir biçimi olduğu halde, aslında bir lineear olmayan kısmi bir diferansiyel denklemdir, ilk derecesi N+1 değişkenli olan, 2Nli olması yerine. S'' aksiyonundan dolayı, korunabilir nicelikleri tanımlarken kullanılabilir, mekanik sistemlerde, hatta ne zaman bu mekanik problemin kendisi tam olarak çözülemez, çünkü fiziksel sistemin aksiyonun diferansiyallenebilir simetrisi korunum kanuna uygun düşer. Bu teori Emmy Noether sayesinde vardır.