Một số lý thuyết nghiên cứu biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của vật rắn

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ


BÙI THỊ PHƢƠNG

MỘT SỐ BÀI TẬP CƠ LÝ THUYẾT
GIẢI BẰNG HỆ PHƢƠNG TRÌNH HAMINTON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết

HÀ NỘI – 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ


BÙI THỊ PHƢƠNG

MỘT SỐ BÀI TẬP CƠ LÝ THUYẾT
GIẢI BẰNG HỆ PHƢƠNG TRÌNH HAMINTON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
PGS.TS. NGUYỄN THỊ HÀ LOAN

HÀ NỘI – 2015

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. TS Nguyễn
Thị Hà Loan, người đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành
khóa luận này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý
trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho tôi những kiến thức
chuyên ngành tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa luận của
mình.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè
những người đã luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành
khóa luận của mình.

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2015
Sinh viên

Bùi Thị Phƣơng


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan khóa luận này được hoàn thành do sự nỗ lực của
bản thân dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS Nguyễn Thị Hà Loan.
Tôi cũng xin cam đoan kết quả nghiên cứu này của mình không trùng với
kết quả nghiên cứu của bất kí tác giả nào. Nếu trong khóa luận có gì không
trung thực thì tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2015
Sinh viên

Bùi Thị Phƣơng

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
1. Lí do chọn đề tài......................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu đề tài ........................................................................ 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................. 1
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 2
6. Bố cục của đề tài ........................................................................................ 2
7. Đóng góp của đề tài ................................................................................... 2
CHƢƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................ 3
1.1. Khái niệm về liên kết .............................................................................. 3
1.1.1. Số bậc tự do – Liên kết ..................................................................... 3
1.1.2. Dịch chuyển khả dĩ và dịch chuyển ảo ............................................. 5
1.2. Tọa độ suy rộng....................................................................................... 6
1.3. Liên kết lí tưởng ...................................................................................... 6
1.4. Hàm Lagrange ......................................................................................... 7
1.4.1. Hàm Lagrange................................................................................... 7
1.4.2. Hàm Lagrange của hạt tự do ............................................................. 9
1.4.3. Hàm Lagrange L của hệ hạt tương tác lẫn nhau ............................. 10
1.5. Hàm Haminton ................................................................................... 11


CHƢƠNG 2: PHƢƠNG TRÌNH HAMINTON ......................................... 12
2.1. Phương trình tổng quát của động lực học ............................................. 12
2.2. Phương trình Haminton ........................................................................ 13
2.2.1. Xung lượng suy rộng ...................................................................... 13

2.2.2. Xây dựng hàm Haminton ................................................................ 13
2.2.3. Phương trình Haminton. ................................................................. 15
CHƢƠNG 3: GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP BẰNG HỆ PHƢƠNG TRÌNH
HAMINTON .................................................................................................. 17
3.1. Các bước áp dụng hệ phương trình Hamintin để giải bài tập. .............. 17
3.2. Áp dụng hệ phương trình Haminton để giải một số bài tập. ................ 17

KẾT LUẬN ................................................................................................. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 46


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Dưới sự phát triển không ngừng của khoa học, vào thế kỉ XIX một
chuyên ngành vật lý mới đã ra đời, khẳng định mối liên hệ chặt chẽ giữa vật
lý học và toán học, đó chính là ngành “Vật lý lý thuyết”. Nó đã diễn tả được
các quy luật vật lý, những học thuyết hết sức tổng quát và có ý nghĩa to lớn
trong khoa học và đời sống cũng như trong kĩ thuật. Bên cạnh đó, nhờ những
suy luận lôgic nó còn tìm ra được những quy luật mới chưa thể tìm ra bằng
thực nghiệm.
Là một bộ môn mới trong chuyên ngành “Vật lý lý thuyết” môn “cơ lý
thuyết”- khoa học về cân bằng và chuyển động của các vật thể dưới tác dụng
của các lực cũng nhận được sự quan tâm đặc biệt. Việc vận dụng các kiến
thức đã học vào giải quyết bài tập cơ lý thuyết là yêu cầu hàng đầu đối với
người học. Qua đó, giúp họ hiểu được sâu sắc lí thuyết, đồng thời góp phần
phát triển khả năng tư duy. Tuy nhiên, dưới sự phát triển cao của toán học,
ngày càng có nhiều phương pháp khác nhau để giải quyết các bài tập cơ lý
thuyết nhưng việc giải quyết một số bài tập vẫn gây không ít khó khăn cho
người học. Là một phần quan trọng trong bộ môn cơ lý thuyết hệ phương
trình Haminton sẽ cung cấp cho chúng ta một cách giải mới để tiếp cận bài

tập.
Chính vì thế, em đã chọn đề tài “Một số bài tập cơ lý thuyết giải
bằng hệ phương trình Haminton” để làm đề tài khóa luận tốt nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu đề tài
Dùng hệ phương trình Haminton để giải một số bài tập cơ lý thuyết.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Sử dụng phương trình Haminton để giải một số bài tập cơ lý thuyết để
tìm ra quy luật chuyển động của chất điểm, của cơ hệ.

1


4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các khái niệm cơ bản của một cơ hệ có chịu liên kết.
- Dùng hình thức luận Haminton để giải một số bài tập cơ lý thuyết.
- Nghiên cứu cách xây dựng hệ phương trình Haminton.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp vật lý lý thuyết.
- Phương pháp vật lý toán học.
6. Bố cục của đề tài
Chương 1: Những khái niệm cơ bản.
Chương 2: Phương trình Haminton.
Chương 3: Giải một số bài tập bằng hệ phương trình Haminton.
7. Đóng góp của đề tài
- Tìm hiểu tổng quan về xây dựng hệ phương trình Haminton và áp
dụng nó để giải một số bài tập cơ lý thuyết.
- Là tài liệu tham khảo cho sinh viên khi học môn cơ lý thuyết.

2

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Khái niệm về liên kết
1.1.1. Số bậc tự do – Liên kết
1.1.1.1. Số bậc tự do
Xét 1 cơ hệ gồm N chất điểm M1, M2,…. MN chuyển động đối với hệ
quy chiếu quán tính. Vị trí của chất điểm Mi trong không gian được xác định

bởi bán kính vecto ri hay ba tọa độ Descartes xi, yi, zi. Để xác định vị trí của


cơ hệ ta cần phải có N bán kính vecto ri , ( i  1,2,...,N ) hay 3N tọa độ
Descartes xi, yi, zi ( i  1,2,...,N ).
Số thông số độc lập cần thiết để xác định một cách đơn giá vị trí của cơ
hệ gọi là số bậc tự do của nó.
1.1.1.2. Khái niệm về liên kết
Những điều kiện hạn chế vị trí và vận tốc của các chất điểm của cơ hệ
trong không gian gọi là liên kết.
Phương trình liên kết: Là các phương trình ràng buộc sự liên kết của
các tọa độ. Xét 3 chất điểm A( x1 , y1 , z1 ), B( x2 , y2 , z2 ),C ( x3 , y3 , z3 ) và khoảng
cách giữa 2 chất điểm A, B là r12 , 2 chất điểm B, C là r23 , 2 chất điểm A, C là
A  x1 , y1 , z1 

r31 , biểu thức thể hiện sự ràng buộc:

( x2  x1 ) 2  ( y2  y1 ) 2  ( z2  z1 ) 2  r12 2
( x3  x2 )  ( y3  y2 )  ( z3  z2 )  r23
2

2

2


r31

2


r12

( x1  x3 ) 2  ( y1  y3 ) 2  ( z1  z3 ) 2  r312
Hay:
C  x3 , y3 , z3 

3


r23

B  x2 , y2 , z2 


( x2  x1 ) 2  ( y2  y1 ) 2  ( z2  z1 ) 2  r12 2  0
( x3  x2 ) 2  ( y3  y2 ) 2  ( z3  z2 ) 2  r232  0
( x1  x3 ) 2  ( y1  y3 ) 2  ( z1  z3 ) 2  r312  0

Trong trường hợp tổng quát, liên kết đặt lên cơ hệ được biểu diễn bằng

k phương trình:
.

f ( x1 , y1 , z1 ,....xN , yN , z N ;x 1 , y 1 ,z 1 ,...x N , y N , zN , t)  0 với (  1,2,3,.....,k )

Hay rút gọn:

 
f (ri , ri , t )  0 (  1,2,...k , i  1,2,...N )

Khi f  không phụ thuộc vào vận tốc thì liên kết đặt lên cơ hệ gọi là liên
kết hình học:

f  (ri , t )  0 (  1,2,...k , i  1,2,...N )

Khi f  phụ thuộc vào tọa độ, thời gian và cả vận tốc thì những liên kết
đặt lên cơ hệ gọi là liên kết động học.
 
f  ri , ri , t   0 với (  1,2,...k , i  1,2,...N )
N
f  f

Ta có: df (ri , t )    dri   dt  0 với (  1,2,...., N)
t
i 1 r
i

(1.1)

Liên kết động học được biểu diễn bằng phương trình (1.1) được gọi là

liên kết động học khả tích hay liên kết động học tích phân được..
1.1.1.3. Hệ hôlônôm
Cơ hệ không chịu liên kết hình học và liên kết động học khả tích đặt lên
nó gọi là cơ hệ hôlônôm.

4


 

P i ri  g   ri , t   0


a i xi  b i yi  c i zi  g   ri , t   0
 dri

P i
 g   ri , t   0
dt
 

P i dri  g   ri , t  dt  0 với (  1,2,...., N;i  1,2,...N)

(1.2)

Phương trình (1.2) được gọi là phương trình liên kết động học không
tích phân được. Cơ hệ chịu cả liên kết động học không tích phân được được
gọi là cơ hệ không hôlônôm.
1.1.2. Dịch chuyển khả dĩ và dịch chuyển ảo
1.1.2.1. Dịch chuyển khả dĩ

Dịch chuyển khả dĩ là những dịch chuyển thỏa mãn phương trình liên
kết (1.1) và (1.2):
N
f  f

df (ri , t )    dri   dt  0
t
i 1 r
i
N
f  f

df (ri , t )    dri   dt  0
t
i 1 r 
i
 

P i dri  g   ri , t  dt  0
 

P i dri  g   ri, t  dt  0

1.1.2.2. Dịch chuyển ảo
Dịch chuyển ảo là hiệu của 2 dịch chuyển khả dĩ vô cùng bé






 ri  dri  dri

5


1.2. Tọa độ suy rộng
Ta khảo sát cơ hệ hôlônôm gồm N chất điểm Mi ( i  1,2,...,N ) với liên kết
đặt lên nó được biểu diễn bằng n phương trình liên kết hình học và m phương
trình liên kết động học.
Để xác định trạng thái của cơ hệ cần biết s  3N  m  n tọa độ độc lập q1,
q2,…. qs thì q1, q2,…. qs là những tọa độ suy rộng.


qk  qk (ri , t )
với ( i  1, N ; k  1, s )
 
ri  ri (qk , t )
Số tọa độ suy rộng đủ để xác định vị trí của cơ hệ đúng bằng số bậc tự do
của nó.
1.3. Liên kết lí tƣởng


Giả sử có chất điểm Mi chuyển động dưới tác dụng của lực Fi
( i  1,2,...,N ). Nếu chất điểm chuyển động tự do, theo định luật II Niutown, ta
có:


 Fi
wi 

mi

( i  1,2,...,N )

(1.3)


Fi

Khi có liên kết đặt lên cơ hệ, gia tốc wi  có thể không thỏa mãn các
mi

phương trình liên kết.
Ta có phương trình liên kết:
 

f (r1 , r2 ,..., rN , t)  0

Đạo hàm bậc nhất phương trình trên ta được:

6



f ri f

0


t

i 1 r t
i
N

Tiếp tục đạo hàm bậc 2 ta được:
N
f  
 d f  d f 
 0 (  1,2,...k )
 wi   vi
 

dt ri dt t
i 1 ri
i 1
N

(1.4)


 Fi
Gia tốc w i 
có thể không thỏa mãn phương trình (1.4). Điều này có
mi

ý nghĩa là liên kết đã tác dụng lên chất điểm Mi một lực nào đó gọi là phản

lực liên kết. Kí hiệu là Ri thì phương phương trình chuyển động của chất
điểm không tự do Mi có dạng:
 


mi wi  Fi  Ri

( i  1,2,...,N )

(1.5)



Để phân biệt với phản lực Ri ta gọi lực Fi là hoạt lực hay lực hoạt động.

Liên kết được gọi là lí tưởng nếu tổng công ảo của những phản lực liên
kết đặt lên cơ hệ đối với mọi dịch chuyển ảo bằng không, nghĩa là:
  N
 Riri   ( Rixxi  Riyyi  Rizzi )  0
N

i 1

i 1

1.4. Hàm Lagrange
1.4.1. Hàm Lagrange
Một hệ có s bậc tự do, được xác định bởi s tọa độ suy rộng q1 , q2 ,...qs
thì

hàm

Lgrange

L  L  q1 ,q 2 ,...qs , q1 , q2 ,...qs , t  hay : L  L  qk , qk , t 

với

k  1,2,...,s
Nếu điều kiện liên kết đặt lên cơ hệ là dừng và việc chuyển trạng thái
của cơ hệ là thực thì có thể xác định các qk nhờ phương trình Lagrange:

7


d L L

 0 với k=1,2,..s
dt qk qk

Trong đó: L=T-U
a) Hàm Lagrange có tính chất cộng tính
Hệ cơ học được cấu tạo từ 2 phần A và B có hàm Lagrange là LA, LB. Nếu
bỏ qua tương tác của A và B thì hệ này có hàm Lagrange là: L= LA + LB.
b) Hàm Lagrange có tính bất định
Xét 2 hàm L  qk , qk , t  và L  qk , qk , t  liên hệ với nhau bằng biểu thức:

L  qk , qk , t   L  qk , qk , t  
t2

t2

t1

t1

df  qk , t 
dt

S    Ldt; S   Ldt
t
df  qk , t 
df  qk , t 
S    Ldt  
dt  S  
dt
dt
dt
t
t
t
t2

t2

1

1

2

1

t2

 S    S    df  qk , t 
t1

t2

t2

t1

t1

t1

t2

  df  qk , t    d ( f  qk , t )   f  qk , t 

  f  q2 , t    f  q1 , t   0

  S   S

Vậy L và L cùng mô tả 1 trạng thái vật lý, có nghĩa là hàm Lagrange
có ý nghĩa bất định.

8


1.4.2. Hàm Lagrange của hạt tự do
Do tính đồng nhất của không gian và thời gian mà hàm Lagrange L của


hạt tự do không phụ thuộc tường minh vào r , t có nghĩa là L chỉ phụ thuộc

vào vận tốc v .
Từ tính đẳng hướng của không gian thì L không phụ thuộc vào hướng


của v có nghĩa là:

L  L (v 2 )
Dạng của L được xác định bởi nguyên lí tương đối Galile L(v2) phải có
dạng như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính.
Khi chuyển từ hệ K sang K’ thì:
 
L(v 2 )  L v  V



L  av 2



2






  2


 
L(v 2 )  av 2  a v  V  av2  2avV  aV 2

 dr 
v 
dt

d

 
 L ( v 2 )  L ( v 2 ) 
2ar V  aV 2t
dt

df  qk , t 
d
 
2ar V  aV 2t 
dt
dt





Chọn a 





mv 2
m
do đó L 
2
2
mi v 2i
trong đó n là số chất điểm của cơ hệ.
2
i 1
N

Đối với hệ: L  

- Trong hệ tọa độ Descartes:

9


 2
 2  dl   dl 
v       
 dt   dt 
dl 2  dx 2  dy 2  dz 2
m  dx 2 dy 2 dz 2 
L 


2  dt

dt
dt 
m
L  ( x2  y 2  z 2 )
2

- Trong tọa độ trụ:
x  r cos 
y  r sin 
zz
dl 2  dr 2  r 2 d  dz 2
L

m 2
r  r 2 2  z 2 

2

- Trong hệ tọa độ cầu:

x  r sin  cos 
y  r sin  sin 
z  r cos
dl 2  dr 2  r 2 d 2  r 2 sin 2  d 2
L

m 2
r  r 2 2  r 2 sin 2  2 

2

1.4.3. Hàm Lagrange L của hệ hạt tƣơng tác lẫn nhau
Xét hệ của các hạt tương tác với nhau nhưng không tương tác với các
vật bên ngoài hệ.
mi vi 2
  
L
 U  r1 , r2 ,...rN 
2
i 1
N

Dùng các hệ tọa độ suy rộng:

10


xi  f i  q1 , q2 ,...qs 
f i
qk
k 1 q
k
s

xi  
L


1 N
 mi  xi  yi  zi   U  xi , yi , zi 

2 i 1

1
 aik (q)  qi qk  U  q 
2 i ,k

1.5. Hàm Haminton
Ta có:
s

H   pk qk  L trong đó s là số bậc tự do của cơ hệ
k 1


 ri

Nếu liên kết đặt lên cơ hệ là liên kết dừng   0  thì:
 t


H T U
L T U
U  U (ri )
 pk 
q k 

H
pk

Với k=1,2,…

11

L T

q k q k


CHƢƠNG 2
PHƢƠNG TRÌNH HAMINTON
2.1. Phƣơng trình tổng quát của động lực học
Xét hệ gồm N chất điểm chịu tác dụng của những liên kết lí tưởng.
Phương trình chuyển động của chất điểm i của cơ hệ có dạng:

  
mi wi  Fi  Ri

(2.1)

nên:

  
mi wi  Fi  Ri
Từ điều kiện:

 
R
 iri  0
N

i 1

Ta có:


N

 (m w
i 1

i

i

 
 Fi )ri  0

(2.2)

Đây là phương trình tổng quát của động lực học cơ hệ hay còn gọi là
nguyên lí D’ Alambert- Lagrange. Đó là một trong những nguyên lí quan
trọng nhất của động lực học cơ hệ.


Trong trường hợp đặc biệt khi hệ ở trạng thái cân bằng vi  0, wi  0 ta

được nguyên lí quan trọng sau của tĩnh học:
N
 
F

 iri  0
i 1

Phương trình này còn được gọi là nguyên lí dịch chuyển ảo.

12

(2.3)


2.2. Phƣơng trình Haminton
2.2.1. Xung lƣợng suy rộng
Xét hàm Lagrange của cơ hệ:
n
1 
 

L  T  U   mi (ri ) 2  U (r1 , r2 ,......,rN )
I 1 2

L

Đại lượng   mi ri  pi
ri

(i=1, N ) là xung lượng của chất điểm thứ i.

Trường hợp tổng quát đại lượng p k 

L

q k

( k  1, s ) gọi là xung lượng

suy rộng ứng với bậc tự do thứ k.
Khi đó, q k được gọi là vận tốc suy rộng ứng với bậc tự do thứ k.
qk được gọi là gia tốc suy rộng ứng với bậc tự do thứ k.

Thế năng U không phụ thuộc vào q k nên pk có dạng:
s
L T
pk 

  aik q i  bk ( k  1, s )
q k q k i 1

Trong đó bk và aik là hàm của tọa độ suy rộng và thời gian
Từ đó ta có:
s

q i   cik pk  d i ( k  1, s )

(2.4)

k 1

Trong đó cik và di là những hàm của tọa độ suy rộng và thời gian.
2.2.2. Xây dựng hàm Haminton
.

Hàm Lagrange là hàm của tọa độ suy rộng q k , vận tốc suy rộng q k và
thời gian t:

13


L  L(qk , q k , t )

 L
L
L 
dL   
dqk 
dq k 
dt
q k
t 
k 1  qk
s

Từ phương trình Lagrange loại II trong trường lực thế:

d  dL  dL
  
0
dt  q k  q k
Có

L
L d L

 pk và

 p k
qk dt .q k
q k

Nên:

dL    p k dq k  p k dp k  
s

k 1

L
dt
t

s

=  ( p k dqk  d ( pk q k )  q k dpk ) 
k 1

s

s

k 1

k 1

L
dt
t

d ( pk q k  L)   q k dpk  p k dqk 
s

.

L
dt
t

Hàm H   pk q k  L biểu diễn thông qua các biến số q k pk và t gọi là
k 1

hàm Haminton H.
s

H (qk , pk , t )   pk qk  L
k 1

14


s

Và dH   q k dp k  p k dq k 
k 1

L
dt
t

(2.5)

Như vậy, khác với hàm Lagrange mô tả hệ cơ học bằng tọa độ suy rộng
và vận tốc suy rộng, hàm Haminton mô tả cơ hệ bằng tọa độ suy rộng và xung
lượng suy rộng.
Chia phương trình (2.5) cho dt và chú ý rằng

dp k
dq
 p k và k  q k
dt
dt

Ta có:
dH
dL

dt
dt

Nếu liên kết đặt lên cơ hệ là dừng thì

dri
 0 và do đó lúc này hàm
dt

Lagrange không phụ thuộc tường minh vào thời gian nên

dL
 0 ta thu được
dt

định luật bảo toàn đại lượng H:
Ta có:
dH
dL
=0

dt
dt

2.2.3. Phƣơng trình Haminton.
Biểu thức vi phân toàn phần của H có thể viết:
s 
H
H  H
dH   
dp k 
dt

q k  t
k 1  p k

Mà ta có:

15

(2.6)


s

.

.

dH   qk dpk  p k dqk 
k 1

L
dt
t

Ta thấy được:
q k 

H
H
và p k  
p k
q k

Đây là các phương trình Haminton và hệ thức

( k  1, s )

(2.7)

dH
dL

dt
dt

Chia 2 vế của phương trình (2.6) cho dt và chú ý các hệ thức (2.7) ta thu
được:
dH L

dt
t

Nếu H không phụ thuộc tường minh vào thời gian có nghĩa là

H
 0 thì
t

H là một đại lượng bảo toàn.
Như vậy, để mô tả những định luật chuyển động của cơ hệ, ngoài việc sử
dụng phương trình Lagrange loại II ta còn có thể sử dụng 2s phương trình
Haminton (2.7)
Nếu định luật chuyển động của cơ hệ được mô tả bằng những phương
trình Lagrange thì trạng thái của cơ hệ được xác lập bởi những tọa độ suy
rộng qk (k  1, s , vận tốc suy rộng q k (k  1, s ). Những biến số q k ( k  1, s ),
q k (k  1, s ) và t gọi là biến số Lagrange.

Nếu chuyển động của cơ hệ được mô tả bằng 2s phương trình Haminton
thì trạng thái của cơ hệ được xác định bởi những tọa độ suy rộng
qk (k  1, s) và xung lượng suy rộng pk (k  1, s) và gọi là biên số Haminton

trong trường lực thế. Hệ phương trình (2.7) được áp dụng trong trường lực thế
vì nó được xây dựng cho phương trình Lagrange loại II trong trường lực thế.

16


CHƢƠNG 3
GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP BẰNG HỆ PHƢƠNG TRÌNH
HAMINTON
Áp dụng hệ phương trình Haminton để giải bài tập đối với cơ hệ là cơ
hệ Hôlônôm, cơ hệ chịu liên kết lí tưởng.
3.1. Các bƣớc áp dụng hệ phƣơng trình Hamintin để giải bài tập.
B1: Xác định số bậc tự do của cơ hệ (bằng số tọa độ suy rộng) và chọn tọa
độ suy rộng thích hợp.
B2: Xác định biểu thức tính động năng T, thế năng U.
B3: Xác định hàm Lagrange L và xung lượng suy rộng P.
B4: Xác định hàm Haminton.
B5: Viết hệ phương trình Haminton và giải để tìm ra quy luật chuyển động
của chất điểm, cơ hệ.
3.2. Áp dụng hệ phƣơng trình Haminton để giải một số bài tập.
Bài tập 1:
Một chất điểm có khối lượng m chuyển động dưới tác dụng của lực thế
F= -kx, trong đó k là hằng số. Tìm định luật chuyển động của chất điểm.
Giải:
Động năng của chất điểm:

mx 2
T
2
Thế năng của chất điểm:

kx2
U    Fxdx 
2
Hàm Lagrage L và xung lượng suy rộng pk của chất điểm có
dạng:

17


mx 2 kx2
L  T U 

2
2
px 

L
 mx
x

Hàm Haminton của chất điểm:
p x2 kx2
L
H  x
 L  T U 


E
x
2m
2

Những phương trình chính tắc Haminton:
x 

H p x

p x m

p x  

H
 kx
x

Từ hai phương trình trên ta suy ra:
mx  kx hay mx  w2 x  0

Với w 2 

k
m

Giải phương trình vi phân này ta thu được:
x  A cos(wt   )

Đây là phương trình dao động điều hòa với A và  là biên độ và pha
ban đầu.
Bài tập 2:
Tìm phương trình chuyển động của con lắc toán học có độ dài l , khối
lượng m, góc lệch  khỏi phương thẳng đứng bé.
Giải:
O



l

h

Hình 3.1
3.1
18


Chọn tọa độ suy rộng 
Động năng của chất điểm:

T

mv 2 ml 2 2

2
2

Thế năng của chất điểm:

U  mgh  mg (l  l cos )
Hàm Lagrage L và xung lượng suy rộng p k của chất điểm có dạng:
ml 2 2
L  T U 
 mg (l  l cos )
2

p 

L
 ml 2


Hàm Haminton của chất điểm:
p2
L
H  
 L  T U 
 mg (l  l cos )

2ml 2

Những phương trình Haminton:

 
Và p   

p
H

 2
p ml

H
 mgl sin 


Từ hai phương trình này ta suy ra:

g
l

  sin   0
Nếu góc  bé thì ta có sin   
Hay   w2  0 với w 2 

g
l

19