Analytical Mechanics This page intentionally left blank


Download 10.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet8/55
Sana30.08.2017
Hajmi10.87 Mb.
#14604
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   55

B

E

v

0

Fig. 4.4



Choose the reference system in such a way that the origin coincides with the

initial position of the charge P (0), the axis x

3

has the same direction and



orientation as B, and the axis x

2

is orthogonal to both E and B, so that E



1

≥ 0


(Fig. 4.4).

If v(0) = v

0

, we need to study the following problem:



¨

x

1



=

E

1



+ ˙

x

2



ω,

x

1



(0) = 0,

˙

x



1

(0) = v


0

1

,



(4.107)

¨

x



2

=

− ˙x



1

ω,

x



2

(0) = 0,


˙

x

1



(0) = v

0

2



,

(4.108)


¨

x

3



=

E

3



,

x

3



(0) = 0,

˙

x



3

(0) = v


0

3

,



(4.109)

where we set

e

m

E



i

=

E



i

,

eB



mc

= ω.


(4.110)

If B = 0 the motion is in a uniform electric field, and the generic trajectory

is a parabola. Suppose B =

/ 0 and integrate once; this yields

˙

x

1



=

E

1



t + ωx

2

+ v



0

1

,



(4.111)

˙

x



2

=

−ωx



1

+ v


0

2

,



(4.112)

˙

x



3

=

E



3

t + v


0

3

.



(4.113)

146

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.8

Equation (4.112) can be used in (4.107) to obtain an equation for the only



variable x

1

:



¨

x

1



+ ω

2

x



1

=

E



1

+ ωv


0

2

.



(4.114)

Set


C =

E

1



ω

= c


E

1

B



.

(4.115)


Then the integral of equation (4.114) is given by

x

1



(t) =

−D cos(ωt + α) +

1

ω

(C + v



0

2

),



(4.116)

and after imposing the initial conditions, we find

D cos α =

1

ω



(C + v

0

2



),

(4.117)


D sin α =

1

ω



v

0

1



,

(4.118)


from which D and α are easily computed.

Equation (4.111) now yields

x

2

(t) = D sin(ωt + α)



− Ct −

1

ω



v

0

1



.

(4.119)


Therefore the projection of the point onto the plane normal to the magnetic field

moves in a circular trajectory, with radius

D =

1

ω



(v

0

1



)

2

+ (C + v



0

2

)



2

1/2


(4.120)

and frequency ω, around the centre

1

ω

(C + v



0

2

),



−Ct −

1

ω



v

0

1



.

The latter moves uniformly according to E

×B with velocity C defined by (4.115).

The projection motion is circular and uniform if E

1

= 0 (implying C = 0). In this



case equation (4.120) defines the Larmor radius.

The motion in the x

3

-coordinate is due exclusively to the electric field:



x

3

(t) =



1

2

E



3

t

2



+ v

0

3



t.

(4.121)


Note that in correspondence with the zeros of ˙

x

1



, given by ωt

n

+α = (2n+1) π/2,



one finds ˙

x

2



(t

n

) =



± ωD−C, and hence if ωD > C, the motion in the x

2

-direction



is periodically inverted and the projection of the trajectory onto the plane x

3

= 0



self-intersects (if ωD = C, it forms cusps).

As an exercise, let

E

3

= 0, v



0

3

= 0 and prove that for ω



→ 0 equations (4.116),

(4.119) reproduce the motion in a uniform force field.



4.9

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

147

4.9


Symmetries and conservation laws. Noether’s theorem

The invariant properties of a system with respect to the action of a group

(with one or more parameters) are called symmetries. In a Lagrangian system,

to such symmetries there correspond conservation laws, which are first integrals

of the motion of the system. We shall see as an example that conservation

of momenta corresponds to the invariance of the Lagrangian with respect to

coordinate translations, conservation of the angular momentum corresponds to

the invariance of the Lagrangian with respect to rotations, and so on. The rigorous

mathematical formulation of this relation between symmetries and conservation

laws is the content of Noether’s theorem.

Consider a Lagrangian system with l degrees of freedom; for simplicity, we

assume the system to be independent of the time t. Let L(q, ˙q) be its Lagrangian.

D

efinition 4.3 An invertible coordinate transformation q = f(Q) is admis-



sible for a given system if and only if the Lagrangian is invariant under the

transformation, and hence if

L(q, ˙q) = L(Q, ˙

Q).


(4.122)

Example 4.9

If a Lagrangian has a cyclic coordinate (see Remark 4.7), it follows that it is

invariant under translations in this coordinate.

Example 4.10

Rotations around the origin

q

1

= Q



1

cos α + Q

2

sin α,


q

2

=



−Q

1

sin α + Q



2

cos α


are admissible for the Lagrangian

L (q


1

, q


2

, ˙


q

1

, ˙



q

2

) =



m

2

˙



q

2

1



+ ˙

q

2



2

− V


q

2

1



+ q

2

2



corresponding to the plane motion of a point particle of mass m in a central

force field.

D

efinition 4.4 A one-parameter s ∈ R family of invertible transformations



q = f (Q, s) is called a one-parameter group of transformations if it satisfies the

following properties:

(a) f (Q, 0) = Q, for every Q;

(b) for every s

1

, s


2

∈ R, f(f(Q, s

1

), s


2

) = f (Q, s

1

+ s


2

).

If for every s



∈ R the transformation q = f(Q, s) is admissible, then the group

is called admissible.

Note that (a), (b) imply that if q = f (Q, s), then Q = f (q,

−s).


148

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.9

T

heorem 4.4 (Noether) If a Lagrangian L(q, ˙q) admits a one-parameter group



of transformations q = f (Q, s), the Lagrange equations associated with L admit

the first integral I(q, ˙q) given by

I(q, ˙q) =

l

i



=1

∂L

∂ ˙



q

i

∂f



i

∂s

(q, 0).



(4.123)

Proof


The invariance property of the Lagrangian implies that if q(t) is a solution of

Lagrange’s equations (4.75), then Q(t, σ) = f (q(t), σ) is also a solution,

∀ σ ∈ R.

This means that

d

dt



˙

Q

L(Q, ˙



Q) =

Q



L(Q, ˙

Q),


∀σ ∈ R,

(4.124)


where ˙

Q = (∂/∂t)Q(t, σ). In addition, the definition of an admissible transform-

ation yields

0 =


∂σ

L(Q, ˙



Q) =

Q



L

·

∂Q



∂σ

+



˙

Q

L



·

∂ ˙


Q

∂σ

,



(4.125)

and using equation (4.125) and multiplying equation (4.124) by ∂Q/∂σ we find

d

dt



˙

Q

L



·

∂Q

∂σ



= 0.

(4.126)


For σ = 0 this is exactly the invariance of I(q, ˙q) along the motion.

Example 4.11

If the Lagrangian L(q, ˙q) admits the translations q

k

= Q



k

+ s as transforma-

tion group, the coordinate q

k

is cyclic and I(q, ˙q) = p



k

is a constant of the

motion.

Example 4.12



If a Lagrangian L(q, ˙q), where q

∈ R


3

, admits the rotations around the axis q

1

:

q



1

= Q


1

,

q



2

= Q


2

cos s + Q

3

sin s,


q

3

=



−Q

2

sin s + Q



3

cos s


as transformation group, the function

I(q, ˙q) =

∂L

∂ ˙


q

2

q



3

∂L



∂ ˙

q

3



q

2

= p



2

q

3



− p

3

q



2

is a constant of the motion, coinciding with the component of the angular

momentum along the axis q

1

.



4.9

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

149

Example 4.13



The Lagrangian of a point particle constrained to move on a surface of revolution

around the z-axis, with no active forces acting on it, is equal to (see Example 4.1)

L(u, v, ˙

u, ˙v) =


m

2

1 + (f (u))



2

˙

u



2

+ u


2

˙v

2



.

The coordinate v is cyclic, and therefore the conjugate kinetic momentum

p

v

= mu



2

˙v

is a constant of the motion. Note that p



v

is equal to the component L

3

of the


angular momentum p

v

= m(x



1

˙

x



2

− x


2

˙

x



1

).

Remark 4.10



There are transformations which, although not admissible, leave the equations

of motion invariant. In this case there are no associated first integrals, but the

study of the equations can help to establish interesting properties of the motion,

without explicitly solving them.

Example 4.14

Consider a Lagrangian system

L(q, ˙q) =

l

i



=1

m

˙



q

2

i



2

− V (q),


(4.127)

where V is a homogeneous function of q

1

, . . . , q



l

of degree d:

V (αq

1

, . . . , αq



l

) = α


d

V (q


1

, . . . , q

l

).

For every α > 0 the transformation of q, ˙q and time t:



q = αQ,

t = βτ,


dq

dt

=



α

β

dQ



,

where β = α



1−d/2

, transforms the Lagrangian (4.127) as follows:

L

Q,

dQ



=

α



2

β

2



l

i

=1



1

2

m



dQ

i



2

− α


d

V (Q) = α

d

L

Q,



dQ

.



(4.128)

Since these two functions are proportional, the equations of motion are invariant.

Hence, if q(t, q

0

, ˙q



0

) is a solution of Lagrange’s equations associated with (4.127),

Q(τ, Q

0

, ˙



Q

0

) is also a solution, and therefore



Q

α

(d/2)−1



t,

1

α



q

0

, α



−d/2

˙q

0



=

1

α



q(t, q

0

, ˙q



0

)

is a solution and the two trajectories are called similar.



If d = 2 one again finds that the period of motion is independent of the

amplitude for harmonic oscillators. For the case that d =

−1, corresponding to a


150

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.10

Newtonian potential, and considering for simplicity circular orbits, we find that if



T is the period and l is the orbit length, the ratio l

3/2


/T is constant for similar

trajectories (as stated by the third law of Kepler).

Example 4.15

Among the transformations that modify the Lagrangian but not the equations

of motion are the gauge transformations for the vector and scalar potentials

A, ϕ of the electromagnetic field (4.94), (4.96). Let f (x, t) be an arbitrary

regular function, and set

A = A +


∇f,

ϕ = ϕ


1

c



∂f

∂t

.



(4.129)

Then the definitions of the fields B, E through equations (4.94) and (4.96) are

invariant. What changes is the Lagrangian (4.105), which is transformed into

L = T


− e ϕ −

1

c



v

· A −


e

c

df



dt

.

(4.130)



As we remarked (see Remark 4.8), this generates the same motions as the former

Lagrangian.

4.10

Equilibrium, stability and small oscillations



Consider an autonomous system of differential equations of first order in R

n

:



˙x = w(x),

(4.131)


where w is a regular vector field defined on R

n

. Lagrange’s equations (4.40) can



be written in the form (4.131), where x represents the vector (q, ˙q) in the phase

space. Indeed, after setting the equations in normal form (4.41), ¨

q = χ(q, ˙q), it

is enough to introduce in the phase space the field w = ( ˙q, χ(q, ˙q)) to obtain

equation (4.131).

D

efinition 4.5 A point x



0

is an equilibrium point if the constant function

x(t) = x

0

is a solution of the system of differential equations (4.131).



P

roposition 4.3 A point x

0

is an equilibrium point if and only if the vector



field w at the point is zero: w(x

0

) = 0.



Proof

It is trivial that at an equilibrium point, the vector field w is zero: from the

definition of an equilibrium point it follows that w(x

0

) = ˙x(t) = 0. Conversely,



if w(x

0

) = 0 then x(t) = x



0

is a solution of the system for all t.

The definition of stability of equilibrium is analogous to the definition given

in Chapter 3 for a single point.



4.10

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

151

D

efinition 4.6 An equilibrium position x



0

is (Lyapunov) stable if for every

neighbourhood U of the equilibrium point there exists a neighbourhood U

such


that, for any initial condition x(0) in U , the corresponding solution x(t) is in

U for every t > 0. If this stability condition does not hold, then the equilibrium

is called unstable.

Remark 4.11

Using spherical neighbourhoods, we can equivalently define stability as follows:

for every ε > 0 there exists a number δ > 0 such that, for any initial condition

x(0) such that

|x(0) − x

0

| < δ, |x(t) − x



0

| < ε for every t > 0.

Instability can be characterised by the condition that there exists an

> 0 such


that for any fixed δ > 0 there exists an initial condition x(0) in

|x(0) − x

0

| < δ


for which

|x(t) − x

0

| > for some t > 0.



It is evident from the definitions that we are referring to stability in the future,

but it is possible to consider the analogous concept in the past by inverting the

direction of time.

Example 4.16

Consider a system of linear equations in R

n

˙x = Ax,



where A is a real diagonalisable n

× n matrix, with constant coefficients. Suppose

that the eigenvalues λ

1

, . . . , λ



n

of A are all distinct and non-zero. Then the

general integral of the equation is given by

x(t) =


n

j

=1



c

j

e



λ

j

t



u

j

,



where u

1

, . . . , u



n

are the eigenvectors of A. The constants c

j

(complex in general)



are fixed by the initial conditions. Obviously x = 0 is an equilibrium position,

and it is easy to verify that it is stable if the real parts of all the eigenvalues

are non-positive: Re λ

j

≤ 0, j = 1, . . . , n (simply use the linear transformation



that diagonalises the matrix A).

The analysis of the equilibrium stability for systems with one degree of freedom

is carried out in Chapter 3 (Section 3.4). We now consider the corresponding

problem for autonomous Lagrangian systems with several degrees of freedom.

As we saw (Section 4.6), if V (q) is the potential energy, the equilibrium

equations are

∂V

∂q

i



= 0,

i = 1, . . . , l.

(4.132)

Let q be a solution of equations (4.132). We now prove the following stability



criterion, for the case of smooth constraints.

T

heorem 4.5 (Dirichlet) If q is an isolated minimum of the potential energy,



the corresponding configuration is one of stable equilibrium.

152

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.10

Proof


The hypotheses imply that q solves equations (4.132), and hence that it is an

equilibrium configuration. In addition, there exists a neighbourhood A

⊂ R

l

of



q in which V (q) > V (q),

∀ q =


/ q.

We can choose V (q) = 0. Consider now any neighbourhood B

⊂ R

2l

of (q, 0)



in the phase space, and for any ε > 0, define the energy sublevel set

ε



=

{(q, ˙q)|T (q, ˙q) + V (q) < ε}.

Recall that T (q, ˙q)

≥ a


0

| ˙q


2

| for some constant a

0

> 0 (Theorem 4.1). Con-



sequently



=

{(q, ˙q) | a



0

| ˙q


2

| + V (q) < } ⊂ M ∩ N where M =

{(q, ˙q) | | ˙q| < ( /a

0

)



1/2

}, N = {(q, ˙q) | V (q) < }. Since by hypothesis, the

diameter of M

∩ N tends to zero when

→ 0, we can find ε so small that

ε



⊂ B ∩ (A × R



l

). On the other hand, because of conservation of energy,

every trajectory originating in

ε



must remain in

ε



. This yields the stability

condition (Definition 4.6).

C

orollary 4.2 For any holonomic system with fixed smooth constraints,



for which the active forces are only due to gravity, the stable equilibrium config-

urations occur in correspondence with isolated minima of the height of the centre

of mass.

Example 4.17

We refer to Fig. 3.5. The isolated minima of x

2

, x



4

of V (x) correspond to positions

of stable equilibrium. Consider for example the point (x

2

, 0) in the phase space,



and consider a generic neighbourhood U . Define e

max


∈ (e

2

, e



3

) in such a way

that the trajectory with energy e

max


is entirely lying in U . The region determined

by this trajectory contains all trajectories with energy in the interval (e

2

, e


max

),

and hence the definition of stability holds.



We now consider the motion near configurations of stable equilibrium. Rewrite

the Lagrangian of the system as

L(Q, ˙

Q) =


1

2

l



i,j

=1

a



ij

(Q) ˙


Q

i

˙



Q

j

− V (Q),



(4.133)

where there appear the vectors Q = q

−q, ˙Q = ˙q, with q an isolated minimum of

V (q). As we have seen, it is always possible to choose the initial conditions in such

a way that the trajectory in the phase space remains in a fixed neighbourhood of

(q, 0). Select now a neighbourhood so small that inside it one can neglect terms

of degree greater than two in the expansion of the function L(Q, ˙

Q). Hence

replace equations (4.133) with the quadratic approximation

L(Q, ˙


Q) =

1

2



l

i,j


=1

a

ij



˙

Q

i



˙

Q

j



l

i,j



=1

V

ij



Q

i

Q



j

,

(4.134)



4.10

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

153

where we set



a

ij

= a



ij

(q),


V

ij

=



2

V



∂Q

i

∂Q



j

(q).


(4.135)

Denoting by A and V the symmetric matrices of the coefficients a

ij

and V


ij

,

respectively, the Lagrangian (4.133) can be written in matrix notation as



L(Q, ˙

Q) =


1

2

( ˙



Q

T

A ˙



Q

− Q


T

V Q),


(4.136)

and the associated Lagrange equations are linear:

A ¨

Q + V Q = 0.



(4.137)

Assuming that the matrix V is also positive definite, we can prove the following.

T

heorem 4.6 If A, V are symmetric and positive definite, there exists a linear



transformation in R

l

which decouples equations (4.137) into l harmonic oscil-



lations, called normal modes of the system and whose frequencies are called

fundamental frequencies of the system.

Proof

We follow the standard procedure to find the general integral of a system of



linear ordinary differential equations with constant coefficients. Hence we seek a

solution of (4.137) of the form

Q = we

iλt


,

(4.138)


where w is a vector in R

l

to be determined and λ



∈ C. Substituting (4.138)

into (4.137) we find

e

iλt


(V

− λ


2

A) w = 0


and we must therefore study the generalised eigenvalue problem

det(µA


− V ) = 0.

(4.139)


Accounting for multiplicity, this system has l solutions µ

1

, . . . , µ



l

corresponding

to the eigenvectors w

1

, . . . , w



l

. We prove that in this case the l roots µ

1

, . . . , µ



l

are positive. The method consists of reducing (4.137) to diagonal form, by a

sequence of linear transformations. The choice of each such transformation must

obey the criterion of symmetry conservation of the matrices of coefficients.

Since A is a symmetric, positive definite matrix, there exists a unique symmet-

ric, positive definite matrix whose square is equal to A, which we denote by A

1/2


154

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.10

(the square root of A). Indeed, since A is symmetric, there exists an orthogonal



matrix S which diagonalises A:

SAS


−1

= SAS


T

=





α

1



0

. . .


0

0

α



2

. . .


0

..

.



..

.

. .



.

..

.



0

0

. . .



α

l





,

(4.140)



where α

1

, . . . , α



l

are precisely the eigenvalues of A. Since A is positive definite,

the eigenvalues are all positive, and we can define

A

1/2



= S

T





α



1

0

. . .



0

0



α

2

. . .



0

..

.



..

.

. .



.

..

.



0

0

. . .



α

l





S.



(4.141)

It is easily verified that A

1/2

is symmetric and positive definite and that (A



1/2

)

2



=

A. Moreover,

A

−1/2


= S

T





1/



α

1

0



. . .

0

0



1/

α



2

. . .


0

..

.



..

.

. .



.

..

.



0

0

. . .



1/

α



l





S

is also symmetric. Through the change of variables

Y = A

1/2


Q

(4.142)


equation (4.137) becomes

¨

Y + A



−1/2

V A


−1/2

Y = 0,


(4.143)

and hence (4.139) is equivalent to

det(A

−1/2


V A

−1/2


− µ) = 0.

(4.144)


Evidently A

−1/2


V A

−1/2


is symmetric and positive definite; it follows that its

eigenvalues µ

1

, . . . , µ



l

are real and positive. We conclude (see Example 4.16) that

the configuration q is of stable equilibrium for the linearised system. Setting

C = A


−1/2

V A


−1/2

,

(4.145)



4.10

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

155

if W is an orthogonal matrix, diagonalising C, so that



W

T

CW =





µ



1

0

. . .



0

0

µ



2

. . .


0

..

.



..

.

. .



.

..

.



0

0

. . .



µ

l





,

(4.146)



and if we define

Y = W X,


(4.147)

equation (4.143) becomes

¨

X +




µ



1

0

. . .



0

0

µ



2

. . .


0

..

.



..

.

. .



.

..

.



0

0

. . .



µ

l





X = 0.


(4.148)

This equation represents l independent harmonic oscillations with frequency ω

i

=



µ

i

, i = 1, . . . , l (normal modes). The linear transformation yielding the normal



modes is hence given by

X = W


T

A

1/2



Q.

(4.149)


Remark 4.12

Recall that if C is a real symmetric

× matrix with eigenvalues (µ

1

, . . . , µ ),



the orthogonal matrix W diagonalising C can be constructed as follows:

ortho-


normal column vectors w

(1)


, . . . , w

( )


such that (C

− µ


j

)w

(j)



= 0 can be easily

determined. The matrix W = (w

(1)

, . . . , w



( )

) is orthogonal and

W

T

C W =





µ



1

0

. . .



0

0

µ



2

. . .


0

..

.



..

.

. .



.

..

.



0

0

. . .



µ

l





,

As an example, if C =



2

1

1



2

, µ


1

= 3, µ


2

= 1,


w

(1)


=

1/



2

1/



2

,

w



(2)

=

1/



2

−1/



2

,



W =

1/



2

1/



2

1/



2

−1/


2

.



Example 4.18

Consider a point particle of mass m moving under the action of its weight on a

surface of parametric equations

x = (x(q


1

, q


2

), y(q


1

, q


2

), z(q


1

, q


2

)).


156

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.10

The Lagrangian of the system is given by



L(q

1

, q



2

, ˙


q

1

, ˙



q

2

) =



1

2

m E(q



1

, q


2

) ˙


q

2

1



+ 2F (q

1

, q



2

) ˙


q

1

˙



q

2

+ G(q



1

, q


2

) ˙


q

2

2



− mgz(q

1

, q



2

),

where E, F and G are the coefficients of the first fundamental form of the



surface. A point (q

1

, q



2

) is an equilibrium point for the system only if it is a

critical point of z = z(q

1

, q



2

). The Lagrangian of the linearised equations is

L =

1

2



m E ˙

Q

2



1

+ 2F ˙


Q

1

˙



Q

2

+ G ˙



Q

2

2



1

2



mg z

11

Q



2

1

+ 2z



12

Q

1



Q

2

+ z



22

Q

2



2

,

where Q = q



−q, E, F , G are the coefficients of first fundamental form evaluated

at q, and

z

11

=



2

z



∂q

2

1



(q

1

, q



2

) ,


z

12

=



2

z



∂q

1

∂q



2

(q

1



, q

2

) ,



z

22

=



2

z



∂q

2

2



(q

1

, q



2

) .


The fundamental frequencies of the system, ω

1

and ω



2

, are the solutions of the

eigenvalue problem with characteristic polynomial

det


ω

2

E



F

F

G



− g

z

11



z

12

z



12

z

12



= 0.

On the other hand, denoting by e, f and g the coefficients of the second

fundamental form of the surface (see Appendix 3) evaluated at (q

1

, q



2

), one


verifies that

e = z


11

,

f = z



12

,

g = z



22

.

For example,



e = z

11

∂x



∂q

1

∂y



∂q

2



∂x

∂q

2



∂y

∂q

1



(E G

− F


2

),

but in (q



1

, q


2

) we have

∂z

∂q

1



=

∂z

∂q



2

= 0,


and therefore

EG

− F



2

=

∂x



∂q

1

2



+

∂y

∂q



1

2

∂x



∂q

2

2



+

∂y

∂q



2

2



∂x

∂q

1



∂x

∂q

2



+

∂y

∂q



1

∂y

∂q



2

2

=



∂x

∂q

1



∂y

∂q

2



∂x

∂q



2

∂y

∂q



1

,

implying e = z



11

.


4.10

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

157

The principal curvatures k



1

and k


2

of the surface (Appendix 3) at the equilib-

rium point are the solutions of the eigenvalue problem of the first fundamental

form with respect to the second, i.e. the roots of the characteristic polynomial

det

k

E



F

F

G



e

f



f

g

= det



k

E

F



F

G



z

11

z



12

z

12



z

22

= 0.



It follows that the principal curvatures are directly proportional to the square of

the fundamental frequencies of the linearised equations

k

1

=



ω

2

1



g

,

k



2

=

ω



2

2

g



.

(4.150)


We now compute the fundamental frequencies for the case that l = 2, and that

the matrix A is diagonal:

A =

α

1



0

0

α



2

,

α



1

, α


2

> 0,


(4.151)

and of course V is symmetric and positive definite. The Lagrangian of the

linearised motion is then given by

L

2



(Q, ˙

Q) =


1

2

α



1

˙

Q



2

1

+ α



2

˙

Q



2

2

− V



11

Q

2



1

− 2V


12

Q

1



Q

2

− V



22

Q

2



2

,

(4.152)



and the matrix (4.145) is

C =




V



11

α

1



V

12



α

1

α



2

V

12



α

1



α

2

V



22

α

2





.



The eigenvalue equation is

µ

2



V

11



α

1

+



V

22

α



2

µ +


V

11

V



22

− V


2

12

α



1

α

2



= 0.

We find the two frequencies

ω

±

=





1

2

V



11

α

1



+

V

22



α

2

±



1

2

V



11

α

1



V

22



α

2

2



+ 4

V

2



12

α

1



α

2

1/2





1/2

.

(4.153)



Obviously if V

12

= 0 (hence if the original system is in diagonal form) we find



ω

+

=



V

11



1

, ω


=

V



22

2



.

158

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.10

Example 4.19



A cylindrical container of height h is closed at the boundary and is divided into

three sections by two pistons of mass m, which can slide without friction. Each

section contains the same amount of gas, for which we suppose the law P v =

constant


is applicable. Write the Lagrange equations describing the motion of

the two pistons, find the stable equilibrium configuration and study the small

oscillations of the system around it.

Let x


1

, x


2

indicate the distance of the pistons from one of the two bases. Then

(x

1

< x



2

), on the first piston there acts the force

F

1

=



c

x

1



c

x



2

− x


1

, c > 0 constant,

and on the second piston the force

F

2



=

c

x



2

− x


1

c



h

− x


2

.

Use the dimensionless variables f



i

= hF


i

/c, ξ


i

= x


i

/h, i = 1, 2, and write

f

1

=



1

ξ

1



1

ξ



2

− ξ


1

,

f



2

=

1



ξ

2

− ξ



1

1



1

− ξ


2

.

This is a conservative system of forces, with potential V (ξ



1

, ξ


2

) =


− log[ξ

1



2

ξ



1

)(1


− ξ

2

)]. Recall that V is expressed in dimensionless variables while the



corresponding physical quantity is V = cV . The Lagrangian in the original

variables is L =

1

2

m( ˙



x

2

1



+ ˙

x

2



2

)

− cV and can be replaced by the dimensionless



Lagrangian

L =


1

2



1

2



+

2



2

− V (ξ



1

, ξ


2

),

by introducing the change of time-scale τ = t/t



0

, with t


2

0

= mh



2

/c. The equations

of motion become

d

2



ξ

1



2

=

1



ξ

1



1

ξ

2



− ξ

1

,



d

2

ξ



2

2



=

1

ξ



2

− ξ


1

1



1

− ξ


2

.

It is easily verified that the only equilibrium configuration is given by ξ



1

=

1



3

,

ξ



2

=

2



3

. The Hessian matrix of V (ξ

1

, ξ


2

) is




1

ξ



2

1

+



1

2



− ξ

1

)



2

1



2

− ξ



1

)

2



1



2

− ξ


1

)

2



1

(1

− ξ



2

)

2





⎠ .

4.11

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

159

At the equilibrium, this becomes



V = 9

2

−1



−1

1

,



which is positive definite, with eigenvalues given as solutions of λ

2

− 27λ + 81 =



0, namely λ

1

=



9

2

(3



5), λ



2

=

9



2

(3 +


5). Hence the equilibrium is stable.

The Hessian matrix of the kinetic energy is the identity matrix. Therefore the

equations describing small oscillations are

d

2



2

Q + V Q = 0,

with

Q =


ξ

1

ξ



2

,

and



λ

1



,

λ



2

give the dimensionless frequencies directly (we obtain ω

i

=

λ



i

/t

0



,

i = 1, 2). The normal modes are obtained by setting X = W

T

Q, where W is



such that

W

T



V W =

λ

1



0

0

λ



2

.

We easily find that



W =

1

5



1/4





2



5

− 1


1/2

2



5 + 1

1/2


5



− 1

2

1/2



5 + 1


2

1/2






.

By writing Q = W X we can describe the small motions of the pistons as

combinations of the harmonic motions X

1

, X



2

.

4.11



Lyapunov functions

In the previous section we have introduced the concept of stability of equilibrium

points, for the system of differential equations (4.131). In particular, we have

analysed the stability of the equilibrium of holonomic systems, with smooth fixed

constraints, and subject to conservative forces. We now discuss some extensions

and one additional criterion for stability. We start by observing that the conditions

guaranteeing the stability of the equilibrium in the case of conservative forces

must still hold if we introduce dissipative forces.

T

heorem 4.7 Theorem 4.4 is still valid if in addition to forces with potential



energy V (q) there exist dissipative forces.

160

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.11

Proof


The proof of Theorem 4.4 is based only on the fact that the trajectories originating

within the set

remain there for all subsequent times. This is true if energy is



conserved, but also if energy is dissipated.

Dissipation helps stability, and in addition it may have the effect of bringing

the system back to the equilibrium configuration, starting from a small enough

perturbation, either in finite time or asymptotically for t

→ +∞. This is the case

of asymptotic stability (see Definition 3.5).

D

efinition 4.7 A point x



0

of stable equilibrium for the system (4.131) is asymp-

totically stable if there exists a δ > 0 such that for every x(0) in the neighbourhood

|x(0) − x

0

| < δ one has |x(t) − x



0

| → 0 for t → +∞.

Example 4.20

For the harmonic damped motion (3.35) the point x = 0 is a point of equilibrium,

and it is asymptotically stable (see (3.38)).

Recall the case of the linear system ˙x = Ax (Example 4.14); in this case we

can deduce that x = 0 is an equilibrium point which is asymptotically stable if all

eigenvalues λ

j

of the matrix A have negative real part: Re λ



j

< 0, j = 1, . . . , n.

The Dirichlet stability criterion (Theorem 4.4) is a special case of a well-known

method for analysing stability, based on the so-called Lyapunov function. We

consider again the system (4.131) and an equilibrium point x

0

; with reference to



these we give the following definition.

D

efinition 4.8 Let



be a neighbourhood of x

0

, and let



Λ

∈ C


1

(



) be a function

with an isolated minimum at x

0

(assume


Λ

(x

0



) = 0). If for the field w(x) of

system (10.1) we have that

w(x)

· ∇


Λ

(x)


≤ 0, ∀ x ∈

,



(4.154)

then


Λ

is a Lyapunov function for the system.

Note that the meaning of (4.154) is that

d

dt



Λ

(x(t))


≤ 0

along the solutions x(t) of the system (4.131).

Clearly for any holonomic system the total energy is a Lyapunov function in

the phase space, in a neighbourhood of a local isolated minimum of the potential

energy.

The following theorem has a proof analogous to the proof of Theorem 4.4.



T

heorem 4.8 If x

0

is such that there exists a Lyapunov function for the system



(4.131) then it is a stable equilibrium point.

A more specific case is the following.



4.11

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

161

T

heorem 4.9 If



w(x)

·

Λ



(x) < 0,

x =


/ x

0

,



x



,

(4.155)


then x

0

is asymptotically stable.



Proof

Consider the sets

A =

{x ∈


|

Λ



(x)

≤ }.


Then A

⊂ A if


<

and moreover diam A

→ 0 for

→ 0. Since along



the trajectories of (4.131) ˙

Λ

< 0, any trajectory originating in

must cross



the boundary ∂A with

decreasing. If the point tends to ∂A

for some


> 0,


we would have ˙

Λ

≤ −α for some α > 0 and ∀ t > 0, which cannot hold; indeed,



this would yield

Λ

→ −∞, contradicting the hypothesis that



Λ

(x

0



) = 0 is a

minimum.


Example 4.21

For the damped harmonic oscillator (3.35), or equivalently for the system

˙x = w,

˙

w =



−(2βw + ω

2

x),



β > 0,

(4.156)


Λ

(x, w) =


1

2

(w



2

2



x

2

) has an isolated minimum at the equilibrium point and ˙



Λ

=

−2βw



2

< 0 away from the origin. We can therefore apply Theorem 4.8.

Lyapunov’s method can be invoked to establish instability.

T

heorem 4.10 Let x



0

be an equilibrium point for the system (4.131). Suppose

that there exist a neighbourhood

of x



0

and a function

Λ



∈ C



1

(



) (

Λ



(x

0

) = 0)



such that

w(x)


· ∇

Λ



(x) > 0,

x =


/ x

0

,



x



,

(4.157)


and that x

0

is an accumulation point for the positivity set of



Λ

. Then x



0

is

unstable.



Proof

Consider a ball B

δ

(x

0



) of centre x

0

and radius δ such that B



δ



and let

x(0)


∈ B

δ

(x



0

) be such that

Λ



(x(0)) > 0. Due to (4.157) the trajectory remains



in the set M

0

, where



Λ

(x) >



Λ

(x(0)). In the intersection of this set with



B

δ

(x



0

) the scalar product w

· ∇

Λ



has a positive infimum, while in this set

Λ



is bounded. It follows that x(t) must leave B

δ

in a finite time.



Example 4.22

Consider the system

˙

x = w,


˙

w = ω


2

x

(4.158)



162

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.12

for which (0, 0) is the (only) equilibrium point. Consider the function



Λ

= xw.



In the plane (x, ω) this function is positive in the first and third quadrant and

w



Λ

∂x



+ ω

2

x



Λ



∂w

= w


2

+ ω


2

x

2



> 0

away from the origin. Instability follows.

Another useful result on instability, whose assumptions are less restrictive than

those of Theorem 4.9 is the following.

T

heorem 4.11 (ˇCetaev) Suppose that there exists an open connected set



1

(possibly unbounded) with x



0

∈ ∂


1

, and a function



Λ

∈ C



1

(



1

), such that

Λ



> 0 in



1

and



Λ

(x



0

) = 0, for which (4.157) holds inside

1

. Then x



0

is

unstable.



Proof

This is just an extension of the previous theorem. With x(0)



1



, the trajectory

cannot reach the boundary of

1

(as



Λ

is increasing) and cannot stay indefinitely



inside B

δ

(x



0

)

∩ M



0

.

Example 4.23



The origin is the only point of equilibrium for the system

˙

x = w,



˙

w = ω


2

|x|.


(4.159)

The function

Λ



= xw is such that ˙



Λ

= ω



2

x

|x| + w



2

and it satisfies the

hypotheses of Theorem 4.10, with

1



taken equal to the first quadrant (note

that the hypotheses of Theorem 4.9 are not satisfied).

4.12

Problems


1. Two point particles with mass, (P

1

, m



1

), (P


2

, m


2

), are constrained on two

vertical lines r

1

, r



2

, at a distance d. The two points attract each other with an

elastic force of constant k and both are attracted by a fixed point O, placed

at an equal distance from the two lines, with an elastic force of equal constant.

Write down Lagrange’s equations and show that the motion can be decomposed

into two harmonic oscillations around the equilibrium configuration. Determine

also the constraint reactions.

2. In a horizontal plane, two point particles (P

1

, m


1

), (P


2

, m


2

) attract each

other with an elastic force of constant k and are constrained on a smooth circle of

centre O and radius R. They are also attracted by two points O

1

, O


2

, respectively,

with an elastic force of equal constant. The latter points are at a distance 2R

from O and such that the radii O

1

− O and O



2

− O form a right angle. Find the

equilibrium configurations of the system and study the small oscillations around

the stable equilibrium configuration.



4.12

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

163

3. Find the normal modes when the number of degrees of freedom of the



system is equal to two, and the matrix V is diagonal.

4. In a horizontal plane two point particles (P

1

, m


1

), (P


2

, m


2

) are attracted

respectively by two fixed points O

1

, O



2

in the plane with elastic forces of equal

constant. The two particles are subject to the rigidity constraint

|P

1



− P

2

| =



|O

1

− O



2

|. Find the normal modes of the system.

5. Determine the fundamental frequencies and the normal modes of oscillation

of a system of

equal point particles constrained to move on a line and sequen-

tially linked by springs with an elastic constant equal to k. The first particle

is elastically attracted by the origin with a constant k and the last particle is

elastically attracted by a fixed point at a distance a > 0 from the origin with a

constant k.

Solution


Let q

i

be the coordinate of the ith particle. Then the equilibrium positions are



q

i

= ai/( + 1), i = 1, . . . , , the fundamental frequencies are



ω

i

= 2



k

m

sin



π

2

i



+ 1

and the normal modes are

q

i

=



ai

+ 1


+

j

=1



2

+ 1


sin

jiπ


+ 1

X

i



.

6. Consider l equal point particles P

1

, P


2

, . . . , P

l

(l > 2) on a circle of radius R



and centre O. All particles move without friction and the point P

i

is attracted



by its neighbouring points P

i

−1



, P

i

+1



with an elastic force (set P

0

= P



l

). Write


down the potential of the system and prove that the configurations in which

neighbouring rays form equal angles are equilibrium configurations. Study its

stability (up to rotations). Compute the fundamental frequencies for l = 3. What

is the general procedure?

7. A point particle of mass m is constrained to move along a curve of equation

ζ = Aξ


2n

, where A > 0 and n

≥ 1 is an integer. The curve rotates in three-

dimensional Euclidean space with angular velocity ω around the z-axis and at

time t = 0 belongs to the vertical (x, z) plane. Prove that, if ξ is chosen as the

generalised coordinate, the Lagrangian of the system is equal to

L =

m

2



1 + 4n

2

A



2

ξ

4n−2



˙

ξ

2



− mgAξ

2n



m

2

ω



2

ξ

2



.

Prove that if n = 1 the only equilibrium position of the system is ξ = 0; the

equilibrium is stable if ω

2

< 2gA, and unstable otherwise. If n > 1 then

ξ =

±

ω



2

2ngA


1/(2n−2)

are positions of stable equilibrium, while ξ = 0 is unstable. Compute the

frequencies of the small oscillations around the stable equilibrium positions.


164

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.12

8. A point particle of mass m is constrained to move on an ellipsoid of



equation

ξ

2



a

2

+



η

2

+ ζ



2

b

2



= 1,

where a > b > 0. The ellipsoid rotates in space around the y-axis with angular

velocity ω. At the instant t = 0 the principal axes ξ, η and ζ coincide with the

axes x, y and z. Prove that, after setting

ξ = a cos θ,

η = b sin θ sin ϕ,

ζ = b sin θ cos ϕ,

the kinetic energy of the point is T = T

2

+ T


1

+ T


0

, where


T

2

=



m

2

(a



2

sin


2

θ + b


2

cos


2

θ) ˙


θ

2

+ b



2

sin


2

θ ˙


ϕ

2

,



T

1

= abmω[cos ϕ ˙



θ

− sin θ cos θ sin ϕ ˙ϕ],

T

0

=



m

2

a



2

ω

2



cos

2

θ + b



2

ω

2



sin

2

θ cos



2

ϕ .


9. Two point particles of mass m constrained to the vertical axis mutually

interact with an elastic force of constant k. The first point is also elastically

attracted to the point z = 0 by a spring of constant k. Let z

1

and z



2

be the


coordinates of the two points. Prove that the Lagrangian of the system is

L =


m

2

˙



z

2

1



+ ˙

z

2



2

k



2

z

2



1

+ (z


2

1

− z



2

2

)



− mgz

1

− mgz



2

.

Determine the equilibrium positions, discuss their stability and compute the



fundamental frequencies of the small oscillations around the equilibrium positions,

and the normal modes.

10. A point particle of mass m and electric charge e is in motion in space

under the action of a central field with potential energy V and of a magnetic field

B = (0, 0, B). Prove that if the initial velocity is v = (v

1

, v



2

, 0) the motion takes

place in the (x, y) plane. Write the Lagrangian in the plane polar coordinates

(r, ϕ), and prove that the coordinate ϕ is cyclic. Use this fact to reduce the

problem to one-dimensional motion and find the trajectories in the case V (r) =

1

2



ω

2

r



2

.

11. A point particle P of mass m is constrained to move along the parabola



y = a + bx

2

, with a, b being given positive constants. A point Q of mass m



is constrained to move along the line y = (tan α)x. P and Q interact with an

attractive elastic force of constant k. Write the expression for the Lagrangian

and find the equilibrium positions depending on the parameter α. Study the

stability and compute the frequency of the small oscillations around the stable

equilibrium position.

12. A point particle of mass m moves on a torus of equation

x

2

+ y



2

+ z


2

− 2a y


2

+ z


2

+ a


2

− b


2

= 0,


4.14

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

165

where 0 < b < a, under the action of the force due to its weight F = (0, 0,



−mg).

Write down the Lagrangian, find the equilibrium positions and study their sta-

bility. Compute the principal curvature of the torus at the points (0, 0,

−a − b),


(0, 0,

−a + b), (0, 0, a − b), (0, 0, a + b).

13. A point particle of unit mass is constrained to move on the sphere x

2

+



y

2

+ z



2

= 1 under the action of the force field F = (

−ax, ay, −bz), where a,

b are given constants. Write down the Lagrangian and reduce the problem to

one-dimensional motion.

4.13


Additional remarks and bibliographical notes

The theory of stability is much more extensive than that presented in Section 4.10.

The concept of stability is very important when studying all phenomena modelled

by systems of differential equations of the same kind as system (4.131). It is not

surprising then that the literature on the subject is very extensive, and that

research in this field is still very active. The beginning of the theory is in a

memoir, published in 1892, by A. Lyapunov (in Russian).

The book of La Salle and Lefschetz (1961) is a particularly simple and concise

read. In addition, we note a recent book of Amann (1990), containing a vast

bibliography.

Finally, we recall that Definition 4.1 of a holonomic system with smooth

constraints is traditionally given by introducing the so-called virtual (infinitesimal)

displacements instead of the virtual velocities, and hence the definition is known

as the virtual work principle.

4.14

Additional solved problems



Problem 1

Consider a rigid plane plate, bounded and with a smooth boundary, lying in a

vertical plane. The boundary γ (or a part of it) of the plate rolls without sliding

on a horizontal line, with respect to which the plate lies in the upper half-plane

(the ascending orientation on the vertical is assumed as the positive orientation).

In an equilibrium configuration the centre of mass G is on the vertical of the

contact point O (Fig. 4.5).

(i) Prove that the stability condition for the equilibrium is that the height h of

the centre of mass is less than the curvature radius k

−1

0



of γ at O.

(ii) Compute the period of small oscillations under the above hypotheses.

Solution

(i) With reference to Fig. 4.5, let us compute the height of the centre of mass

in the configuration when the contact point on the supporting line is moved

from O to C. Equivalently we can compute it in the frame of reference t, n,

the tangent and principal normal unit vectors to γ at C.


166

The dynamics of discrete systems. Lagrangian formalism

4.14

y


Download 10.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   55




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling