Кіріспе
Тұрақты әрекет принципі физикада Гамильтон принципі - Уильям Роуэн Гамильтонның тұрақты әрекет принципі туралы тұжырымдамасы. Ол физикалық жүйенің динамикасы бір функция, Лагранж функциясы негізінде функционал үшін вариациялық проблемамен анықталады, онда жүйе мен оған әсер ететін күштер туралы барлық физикалық ақпарат болуы мүмкін. Вариациялық проблема физикалық жүйенің дифференциалдық теңдеулерін шығаруға тең және мүмкіндік береді. Бастапқыда классикалық механика үшін жасалса да, Гамильтон принципі электромагниттік және гравитациялық өрістер сияқты классикалық өрістерге де қолданылады және кванттық механикада, кванттық өріс теориясында және сынилық теорияларында маңызды рөл атқарады.
In physics, Hamilton's principle is William Rowan Hamilton's formulation of the principle of stationary action. It states that the dynamics of a physical system are determined by a variational problem for a functional based on a single function, the Lagrangian, which may contain all physical information concerning the system and the forces acting on it. The variational problem is equivalent to and allows for the derivation of the differential equations of motion of the physical system. Although formulated originally for classical mechanics, Hamilton's principle also applies to classical fields such as the electromagnetic and gravitational fields, and plays an important role in quantum mechanics, quantum field theory and criticality theories.
Математикалық тұжырымдамасы
Гамильтон принципі бойынша, N жалпыланған координаттары 1='q' = (q1, q2, , qN) арқылы сипатталған жүйенің екі нақтыланған күйі 1='q'1 = 'q'(t1) және 1='q'2 = 'q'(t2) арасындағы екі нақтыланған уақыттағы t1 және t2 - бұл әрекет функционалының стационарлық нүктесі (вариациясы нөл болатын нүкте), онда жүйе үшін Лагранж функциясы. Басқаша айтқанда, шынайы эволюцияның кез келген бірінші реттік бұзылуы (ең көп дегенде) екінші реттік өзгерістерге әкеледі. Әрекеті функционал, яғни, оның кірісі ретінде функцияны алатын және бір санды, скалярды қайтаратын нәрсе. Функционалдық талдау тұрғысынан алғанда, Гамильтон принципі физикалық жүйенің шынайы эволюциясы функционалдық теңдеудің шешімі болып табылады. Яғни жүйе конфигурациялық кеңістіктегі жолды алады, ол үшін іс-әрекет тұрақты, жолдың басында және соңында белгіленген шекті шарттармен.
where is the Lagrangian function for the system. In other words, any first order perturbation of the true evolution results in (at most) second order changes in The action is a functional, i. e., something that takes as its input a function and returns a single number, a scalar. In terms of functional analysis, Hamilton's principle states that the true evolution of a physical system is a solution of the functional equation
That is, the system takes a path in configuration space for which the action is stationary, with fixed boundary conditions at the beginning and the end of the path.
Деформацияланатын денелерге қолданылады
Гамильтон принципі - эластодинамикадағы маңызды вариациялық принцип. Қатты денелерден тұратын жүйеге қарама-қарсы, деформацияланатын денелердің еркіндік дәрежесі шексіз және кеңістіктің үздіксіз аймақтарын алып жатыр; нәтижесінде, жүйенің жай-күйі кеңістіктің және уақыттың үздіксіз функцияларын пайдалану арқылы сипатталады. Мұндай денелер үшін Гамильтонның кеңейтілген принципі T - кинетикалық энергия, U - эластикалық энергия, We - денеге сыртқы жүктемелердің жұмысы, ал t1, t2 - бастапқы және соңғы уақыт. Егер жүйе консервативті болса, сыртқы күштердің жұмысы скалярлық потенциал V-ден алынуы мүмкін. Бұл жағдайда, Гамильтон принципі деп аталады және ол координаттық түрлендірулер кезінде инвариант болып табылады.
where T is the kinetic energy, U is the elastic energy, We is the work done by external loads on the body, and t1, t2 the initial and final times. If the system is conservative, the work done by external forces may be derived from a scalar potential V. In this case,
This is called Hamilton's principle and it is invariant under coordinate transformations.
Маупертуис қағидатымен салыстыру
Гамильтон принципі мен Мопертуи принципі кейде шатастырылады және екеуі де ең аз әрекет принципі деп аталады. Олар үш маңызды жағынан ерекшеленеді: олардың әрекеттің Маупертуистің принципі туралы анықтамасы қысқаша әрекеті немесе қысқартылған әрекеті деп аталатын жалпыланған координаттар бойынша интегралды қолданады, мұнда p = (p1, p2, , pN) жоғарыда анықталған конугат моменттер. Керісінше, Гамильтон принципі , уақыт бойынша Лагранж интегралын пайдаланады. олар анықтаған шешімге Гамильтон принципі траекторияны q ((t) уақыт функциясы ретінде анықтайды, ал Мопертуис принципі траекторияның жалпыланған координаттардағы пішінін ғана анықтайды. Мысалы, Мопертуис принципі гравитация сияқты кері квадраттық орталық күшінің әсерінен бөлшектің қозғалатын эллипстің пішінін анықтайды, бірақ бөлшектің сол траекторияда қалай қозғалатынын сипаттамайды. (Бірақ бұл уақыт параметрлеуін траекторияның өзінен энергияны сақтауды пайдалана отырып, кейінгі есептеулерде анықтауға болады). Ал Гамильтон принципі эллипстің бойымен қозғалыс уақыттың функциясы ретінде тікелей анықтайды. және өзгеріске шектеулер. Мопертуис принципі екі соңғы нүктелік q1 және q2 күйлерін беруді және әр траекторияда энергия сақталуын (әр траектория үшін бірдей энергия) талап етеді. Бұл соңғы нүкте уақытын да әртүрлі етуге мәжбүр етеді. Керісінше, Гамильтон принципі энергияны сақтауды талап етпейді, бірақ t1 және t2 соңғы нүктелер уақытын, сондай-ақ q1 және q2 соңғы нүктелер жағдайын көрсетуді талап етеді.
their definition of the action Maupertuis' principle uses an integral over the generalized coordinates known as the abbreviated action or reduced action where p = (p1, p2, , pN) are the conjugate momenta defined above. By contrast, Hamilton's principle uses , the integral of the Lagrangian over time. the solution that they determine Hamilton's principle determines the trajectory q(t) as a function of time, whereas Maupertuis' principle determines only the shape of the trajectory in the generalized coordinates. For example, Maupertuis' principle determines the shape of the ellipse on which a particle moves under the influence of an inverse square central force such as gravity, but does not describe per se how the particle moves along that trajectory. (However, this time parameterization may be determined from the trajectory itself in subsequent calculations using the conservation of energy). By contrast, Hamilton's principle directly specifies the motion along the ellipse as a function of time. and the constraints on the variation. Maupertuis' principle requires that the two endpoint states q1 and q2 be given and that energy be conserved along every trajectory (same energy for each trajectory). This forces the endpoint times to be varied as well. By contrast, Hamilton's principle does not require the conservation of energy, but does require that the endpoint times t1 and t2 be specified as well as the endpoint states q1 and q2.
Классикалық өріс теориясы
Әрекеттің принципі электромагниттік өріс немесе ауырлық сияқты өрістердің қозғалыс теңдеулерін алу үшін кеңейтілуі мүмкін. Эйнштейн теңдеуі Эйнштейн-Хилберт әрекетімен ауытқу принципімен шектеледі. Гравитациялық өрістегі дененің жолын (яғни кеңістіктегі уақытқа еркін түсу, геодезиялық деп аталады) әрекет принципі арқылы табуға болады.
Кванттық механика және кванттық өріс теориясы
Кванттық механикада жүйе бір жолмен жүрмейді, оның әрекеті тұрақты, бірақ жүйенің мінез-құлқы барлық елестетілетін жолдарға және олардың әрекеті мәніне байланысты. Әр түрлі жолдарға сәйкес келетін әрекет жол интегралын есептеу үшін қолданылады, ол әр түрлі нәтижелердің ықтималдық амплитудасын береді. Классикалық механикада Ньютон заңдарымен теңестірілсе де, әрекет принципі жалпыландыруға жақсырақ сәйкес келеді және қазіргі физикада маңызды рөл атқарады. Шын мәнінде, бұл принцип физикалық ғылымдағы үлкен жалпылаулардың бірі болып табылады. Әсіресе, ол кванттық механикада толық бағаланады және жақсы түсініледі. Ричард Фейнманның кванттық механиканың жол интегралы формуласы жол интегралдарын пайдалана отырып, стационарлық әрекет принципіне негізделген. Максвелл теңдеулерін стационарлық әрекеттің шарттары ретінде алуға болады.