Принципом действия в то же. В механике сплошных сред и классической теории поля

В мы кратко рассмотрели один из самых замечательных физических принципов - принцип наименьшего действия, и остановились на примере, который, казалось бы, ему противоречит. В данной статье мы разберемся с этим принципом немного подробнее и посмотрим, что происходит в данном примере.

На этот раз нам понадобится чуть больше математики. Однако основную часть статьи я опять постараюсь изложить на элементарном уровне. Чуть более строгие и сложные моменты я буду выделять цветом, их можно пропустить без ущерба для основного понимания статьи.

Граничные условия
Начнем мы с самого простого объекта – шара, свободно двигающегося в пространстве, на который не действуют никакие силы. Такой шар, как известно, двигается равномерно и прямолинейно. Для простоты, предположим, что он двигается вдоль оси

Чтобы точно описать его движение, как правило, задаются начальные условия. Например задается, что в начальный момент времени

шар находился в точке

с координатой

и имел скорость

Задав начальные условия в таком виде, мы однозначно определяем дальнейшее движение шара - он будет двигаться с постоянной скоростью, и его положение в момент времени

будет равно начальному положению плюс скорость, умноженная на прошедшее время:

Такой способ задания начальных условий очень естественен и интуитивно привычен. Мы задали всю необходимую информацию о движении шара в начальный момент времени, и дальше его движение определяется законами Ньютона.

Однако это не единственный способ задания движения шара. Другой альтернативный способ – это задать положение шара в два разных момента времени

Т.е. задать, что:
1) в момент времени

шар находился в точке

(с координатой

);
2) в момент времени

шар находился в точке

(с координатой

Выражение «находился в точке

» не означает, что шар покоился в точке

В момент времени

он мог пролетать через точку

Имеется ввиду, что его положение в момент времени

совпадало с точкой

То же самое относится и к точке

Эти два условия также однозначно определяют движение шара. Его движение легко вычислить. Чтобы удовлетворить обоим условиям, скорость шара, очевидно должна быть

Положение шара в момент времени

будет опять равно начальному положению плюс скорость, умноженная на прошедшее время:

Заметьте, что в условиях задачи нам не потребовалось задавать начальную скорость. Она однозначно определилась из условий 1) и 2).

Задание условий вторым способом выглядит непривычно. Возможно, непонятно зачем вообще может потребоваться задавать их в таком виде. Однако, в принципе наименьшего действия используются именно условия в виде 1) и 2), а не в виде задания начального положения и начальной скорости.

Траектория с наименьшим действием.
Теперь немного отвлечемся от реального свободного движения шара и рассмотрим следующую чисто математическую задачу. Допустим, у нас есть шар, который мы можем вручную перемещать каким угодно способом. При этом нам нужно выполнить условия 1) и 2). Т.е. в промежуток времени между

мы должны переместить его из точки

Это можно сделать совершенно разными способами. Каждый такой способ мы будем называть траекторией движения шара и он может быть описан функцией положения шара от времени

Отложим несколько таких траектории на графике зависимости положения шарика от времени:

Например, мы можем перемещать шарик с одной и той же скоростью, равной

(зеленая траектория). Или мы можем половину времени держать его в точке

А затем с двойной скоростью переместить в точку

(синяя траектория). Можно сперва двигать его в противоположную от

сторону, а затем уже переместить в

(коричневая траектория). Можно двигать его взад и вперед (красная траектория). В общем, можно передвигать его как угодно, лишь бы соблюдались условия 1) и 2).

Для каждой такой траектории мы можем сопоставить число. В нашем примере, т.е. в отсутствии каких-либо сил, действующих на шар, это число равняется общей накопленной кинетической энергии за все время его движения в промежуток времени между

и называется действием.

В данном случае слово «накопленная» кинетическая энергия не очень точно передает смысл. Реально кинетическая энергия нигде не накапливается, накопление используется лишь для вычисления действия для траектории. В математике для такого накопления имеется очень хорошее понятие - интеграл:

Действие обычно обозначается буквой

означает кинетическую энергию. Данный интеграл означает, что действие равно накопленной кинетической энергии шара за промежуток времени от

В качестве примера, давайте возьмем шар массой 1 кг., зададим какие-нибудь граничные условия и вычислим действие для двух разных траекторий. Пусть точка

находится на расстоянии 1 метр от точки

отстоит от времени

на 1 секунду. Т.е. мы должны переместить шар, который в начальный момент времени был в точке

За одну секунду на расстояние 1 м. вдоль оси

В первом примере (зеленая траектория) мы перемещали шар равномерно, т.е. с одинаковой скоростью, которая, очевидно, должна быть равна:

м/с. Кинетическая энергия шара в каждый момент времени равна:

1/2 Дж. За одну секунду накопится 1/2 Дж

с кинетической энергии. Т.е. действе для такой траектории равно:

Теперь давайте шар будем не сразу переносить из точки

А полсекунды придержим его в точке

А затем, за оставшееся время равномерно перенесем его в точку

В первые полсекунды шар покоится и его кинетическая энергия равна нулю. Поэтому вклад в действие этой части траектории также равен нулю. Вторые полсекунды мы переносим шар с двойной скоростью:

м/с. Кинетическая энергия при этом будет равна

2 Дж. Вклад этого промежутка времени в действие будет равен 2 Дж умножить на полсекунды, т.е. 1 Дж

с. Поэтому общее действие для такой траектории получается равно

Аналогично, любой другой траектории с заданными нами краевыми условиями 1) и 2) соответствует некоторое число, равное действию для данной траектории. Среди всех таких траекторий имеется траектория, у которой действие меньше всего. Можно доказать, что этой траекторией является зеленая траектория, т.е. равномерное движение шара. Для любой другой траектории, какой бы хитрой она не была, действие будет больше 1/2.

В математике такое сопоставление для каждой функции определенного числа называется функционалом. Достаточно часто в физике и математике возникают задачи подобные нашей, т.е. на отыскание такой функции, для которой значение определенного функционала минимально. Например, одна из задач, имевших большое историческое значение для развития математики – это задача о бахистохроне . Т.е. нахождение такой кривой, по которой шарик скатывается быстрее всего. Опять, каждую кривую можно представить функцией h(x), и каждой функции сопоставить число, в данном случае время скатывания шарика. Снова задача сводится к нахождению такой функции, для которой значение функционала минимально. Область математики, которая занимается такими задачами называется вариационным исчислением.

Принцип наименьшего действия.
В разобранных выше примерах у нас появились две особые траектории, полученные двумя разными способами.

Первая траектория получена из законов физики и соответствует реальной траектории свободного шара, на который не действуют никакие силы и для которого заданы граничные условия в виде 1) и 2).

Вторая траектория получена из математической задачи нахождения траектории с заданными граничными условиями 1) и 2), для которой действие минимально.

Принцип наименьшего действия утверждает, что эти две траектории должны совпадать. Другими словами, если известно, что шарик двигался так, что выполнялись граничные условия 1) и 2), то он обязательно двигался по траектории, для которой действие минимально по сравнению с любой другой траекторией с теми же самыми граничными условиями.

Можно было бы посчитать это простым совпадением. Мало ли задач, в которых появляются равномерные траектории и прямые линии. Однако принцип наименьшего действия оказывается очень общим принципом, справедливым и в других ситуациях, например, для движения шара в равномерном поле тяжести. Для этого только нужно заменить кинетическую энергию на разность кинетической и потенциальной энергии. Эту разность называют Лагранжианом или функцией Лагранжа и действие теперь становится равно общему накопленному Лагранжиану. Фактически, функция Лагранжа содержит всю необходимую информацию о динамических свойствах системы.

Если мы запустим шар в равномерном поле тяжести таким образом, чтобы он пролетел точку

в момент времени

и прилетел в точку

в момент времени

То он, согласно законам Ньютона полетит по параболе. Именно эта парабола совпадет с траекторий, для которой действие будет минимально.

Таким образом, для тела, двигающегося в потенциальном поле, например, в гравитационном поле Земли, функция Лагранжа равна:

Кинетическая энергия

зависит от скорости тела, а потенциальная - от его положения, т.е. координат

В аналитической механике всю совокупность координат, определяющих положение системы, обычно обозначают одной буквой

Для шара, свободно двигающегося в поле тяжести,

означает координаты

Для обозначения скорости изменения какой-либо величины, в физике очень часто просто ставят точку над этой величиной. Например,

обозначает скорость изменения координаты

Или, иными словами, скорость тела в направлении

Используя эти соглашения, скорость нашего шара в аналитической механике обозначается как

означает компоненты скорости

Поскольку функция Лагранжа зависит скорости и координат, а также может явно зависеть от времени (явно зависит от времени означает, что значение

в разные моменты времени разное, при одинаковых скоростях и положениях шара) то действие в общем виде записывается как

Не всегда минимальное
Однако в конце предыдущей части мы рассмотрели пример, когда принцип наименьшего действия явно не работает. Для этого мы опять взяли свободный шарик, на который не действуют никакие силы и поместили рядом с ним пружинящую стенку.

Граничные условия мы задали такими, что точки

совпадают. Т.е. и в момент времени

и в момент времени

шар должен оказаться в одной и той же точке

Одной из возможных траекторий будет являться стояние шара на месте. Т.е. весь промежуток времени между

он простоит в точке

Кинетическая и потенциальная энергия в этом случае будут равны нулю, поэтому действие для такой траектории также будет равно нулю.

Строго говоря, потенциальную энергию можно взять равной не нулю, а любому числу, поскольку важна разность потенциальной энергии в разных точках пространства. Однако изменение значения потенциальной энергии не влияет на отыскание траектории с минимальным действием. Просто для всех траекторий значение действия изменится на одно и то же число, и траектория с минимальным действием так и останется траекторией с минимальным действием. Для удобства, для нашего шара мы выберем потенциальную энергию равной нулю.

Другой возможной физической траекторией с теми же граничными условиями будет траектория при которой шарик сначала летит вправо, пролетая точку

в момент времени

Затем он сталкивается с пружиной, сжимает ее, пружина, распрямляясь, отталкивает шарик обратно, и он опять пролетает мимо точки

Можно подобрать скорость движения шара такой, чтобы он, отскочив от стенки, пролетел точку

точно в момент

Действие при такой траектории будет в основном равно накопленной кинетической энергии во время полета между точкой

и стенкой и обратно. Будет какой-то промежуток времени, когда шарик сожмет пружину и его потенциальная энергия увеличится, и в этот промежуток времени потенциальная энергия внесет отрицательный вклад в действие. Но такой промежуток времени будет не очень большим и сильно действие не уменьшит.

На рисунке нарисованы обе физически возможные траектории движения шара. Зеленая траектория соответствует покоящемуся шару, в то время как синяя соответствует шару, отскочившему от пружинящей стенки.

Однако минимальным действием обладает только одна из них, а именно первая! У второй траектории действие больше. Получается, что в данной задаче имеются две физически возможных траектории и всего одна с минимальным действием. Т.е. в данном случае принцип наименьшего действия не работает.

Стационарные точки.
Чтобы понять в чем тут дело, давайте отвлечемся пока от принципа наименьшего действия и займемся обычными функциями. Давайте возьмем какую-нибудь функцию

и нарисуем ее график:

На графике я отметил зеленым цветом четыре особенных точки. Что является общим для этих точек? Представим, что график функции – это реальная горка, по которой может катиться шарик. Четыре обозначенных точки особенны тем, что если установить шарик точно в данную точку, то он никуда не укатится. Во всех остальных точках, например, точке E он не сможет устоять на месте и начнет скатываться вниз. Такие точки называют стационарными. Нахождение таких точек является полезной задачей, поскольку любой максимум или минимум функции, если она не имеет резких изломов, обязательно должен являться стационарной точкой.

Если точнее классифицировать данные точки, то точка A является абсолютным минимумом функции, т.е. ее значение меньше, чем любое другое значение функции. Точка B – не является ни максимумом, ни минимумом и называется седловой точкой. Точка С называется локальным максимумом, т.е. значение в ней больше, чем в соседних точках функции. А точка D – локальным минимумом, т.е. значение в ней меньше, чем в соседних точках функции.

Поиском таких точек занимается раздел математики, называемый математическим анализом. По другому его еще иногда называют анализом бесконечно малых, поскольку он умеет работать с бесконечно малыми величинами. С точки зрения математического анализа стационарные точки обладают одним особенным свойством, благодаря которому их и находят. Чтобы понять, что это за свойство, нам нужно понять, как выглядит функция на очень малых расстояниях от этих точек. Для этого мы возьмем микроскоп и посмотрим в него на наши точки. На рисунке показано как выглядит функция в окрестности различных точек при различном увеличении.

Видно, что при очень большом увеличении (т.е. при очень малых отклонениях x) стационарные точки выглядят абсолютно одинаково и сильно отличаются от нестационарной точки. Легко понять в чем заключается это отличие – график функции в стационарной точке при увеличении становится строго горизонтальной линией, а в нестационарной – наклонной. Именно поэтому шарик, установленный в стационарной точке, не будет скатываться.

Горизонтальность функции в стационарной точке можно выразить по другому: функция в стационарной точке практически не меняется при очень малом изменении своего аргумента

Даже по сравнению с самим изменением аргумента. Функция же в нестационарной точке при малом изменении

меняется пропорционально изменению

И чем больше угол наклона функции, тем сильнее меняется функция при изменении

На самом деле, функция при увеличении становится все больше похожа на касательную к графику в рассматриваемой точке.

На строгом математическом языке выражение «функция практически не меняется в точке

при очень малом изменении

» означает, что отношение изменения функции и изменения ее аргумента

стремится к 0 при

стремящемся к 0:

$$display$$lim_{∆x to 0} frac {∆y(x_0)}{∆x} = lim_{x to 0} frac {y(x_0+∆x)-y(x_0)}{∆x} = 0$$display$$

Для нестационарной точки это отношение стремится к ненулевому числу, которое равно тангенсу угла наклона функции в этой точке. Это же число называют производной функции в данной точке. Производная функции показывает, насколько быстро меняется функция около данной точки при небольшом изменении ее аргумента

Таким образом, стационарные точки – это точки, в которых производная функции равна 0.

Стационарные траектории.
По аналогии со стационарными точками можно ввести понятие стационарных траекторий. Вспомним, что у нас каждой траектории соответствует определенное значение действия, т.е. какое-то число. Тогда может найтись такая траектория, что для близких к ней траекторий с теми же граничными условиями, соответствующие им значения действия практически не будут отличаться от действия для самой стационарной траектории. Такая траектория называется стационарной. Другими словами, любая траектория близкая к стационарной будет иметь значение действия, очень мало отличающееся от действия для этой стационарной траектории.

Опять, на математическом языке «мало отличающееся» имеет следующий точный смысл. Допустим, что у нас задан функционал

для функций с требуемыми граничными условиями 1) и 2), т.е.

Допустим, что траектория

– стационарна.

Мы можем взять любую другую функцию

Такую, что на концах она принимает нулевые значения, т.е.

0. Также возьмем переменную

Которую мы будем делать все меньше и меньше. Из этих двух функций и переменной

мы можем составить третью функцию

Которая также будет удовлетворять граничным условиям

При уменьшении

траектория, соответствующая функции

Будет все сильнее приближаться к траектории

При этом для стационарных траекторий при малых

значение функционала у траекторий

будет отличаться очень мало от значения функционала для

даже по сравнению с

$$display$$lim_{ε to 0} frac {S(x"(t))-S(x(t))}ε=lim_{ε to 0} frac {S(x(t)+εg(t))-S(x(t))}ε = 0$$display$$

При чем это должно быть справедливо для любой траектории

Удовлетворяющей граничным условиям

Изменение функционала при малом изменении функции (точнее, линейная часть изменения функционала, пропорциональная изменению функции) называется вариацией функционала и обозначается

От термина «вариация» и происходит название «вариационное исчисление».

Для стационарных траекторий вариация функционала

Метод нахождения стационарных функций (не только для принципа наименьшего действия, но и для многих других задач) нашли два математика - Эйлер и Лагранж. Оказывается, что стационарная функция, чей функционал выражается интегралом, подобным интегралу действия, должна удовлетворять определенному уравнению, которое теперь называется уравнением Эйлера-Лагранжа.

Принцип стационарного действия.
Ситуация с минимумом действия для траекторий аналогична ситуации с минимумом для функций. Чтобы траектория обладала наименьшим действием, она обязана быть стационарной траекторией. Однако не все стационарные траектории – это траектории с минимальным действием. Например, стационарная траектория может иметь минимальное действие локально. Т.е. у нее действие будет меньше, чем у любой другой соседней траектории. Однако где-то далеко могут находиться другие траектории, для которых действие будет еще меньше.

Оказывается, реальные тела могут двигаться не обязательно по траекториям с наименьшим действием. Они могут двигаться по более широкому набору особых траекторий, а именно -стационарным траекториям. Т.е. реальная траектория тела всегда будет стационарной. Поэтому принцип наименьшего действия правильнее назвать принципом стационарного действия. Однако по сложившейся традиции его часто называют принципом наименьшего действия, подразумевая по этим не только минимальность, но и стационарность траекторий.

Теперь мы можем записать принцип стационарного действия на математическом языке, как его обычно записывают в учебниках:

Это обобщенные координаты, т.е. набор чисел, однозначно задающий положение системы.

Скорости изменения обобщенных координат.

Функция Лагранжа, которая зависит от обобщенных координат, их скоростей и, возможно, времени.

Действие, которое зависит от конкретной траектории движения системы (т.е. от

Реальные траектории системы стационарны, т.е. для них вариация действия

Если вернуться к примеру с шаром и упругой стенкой, то объяснение этой ситуации теперь становится очень простым. При заданных граничных условиях, что шар должен и во время

и во время

оказаться в точке

существуют две стационарные траектории. И по любой из этих траекторий может реально двигаться шар. Чтобы явно выбрать одну из траекторий, можно на движение шара наложить дополнительное условие. Например, сказать, что шар должен отскочить от стенки. Тогда траектория определится однозначно.

Из принципа наименьшего (точнее стационарного) действия следуют некоторые замечательные следствия, о которых мы поговорим в следующей части.

Принцип наименьшего действия, впервые точно сформулированный Якоби, аналогичен принципу Гамильтона, но менее общ и более труден для доказательства. Этот принцип применим только к тому случаю, когда связи и силовая функция не зависят от времени и когда, следовательно, существует интеграл живой силы.

Этот интеграл имеет вид:

Принцип Гамильтона, изложенный выше, утверждает, что вариация интеграла

равна нулю при переходе действительного движения ко всякому другому бесконечно близкому движению, которое переводит систему из того же начального положения в то же конечное положение за тот же промежуток времени.

Принцип Якоби, наоборот, выражает свойство, движения, не зависящее от времени. Якоби рассматривает интеграл

определяющий действие. Установленный им принцип утверждает, что вариация этого интеграла равна нулю, когда мы сравниваем действительное движение системы со всяким другим бесконечно близким движением, переводящим систему из того же начального положения в то же конечное положение. При этом мы не обращаем внимания на затрачиваемый промежуток времени, но соблюдаем уравнение (1), т. е. уравнение живой силы с тем же значением постоянной h, что и в действительном движении.

Это необходимое условие экстремума приводит, вообще говоря, к минимуму интеграла (2), откуда и происходит название принцип наименьшего действия. Условие минимума представляется наиболее естественным, так как величина Т существенно положительна, и потому интеграл (2) необходимо должен иметь минимум. Существование минимума может быть строго доказано, если только промежуток времени - достаточно мал. Доказательство этого положения можно найти в известном курсе Дарбу по теории поверхностей. Мы, однако, не будем приводить его здесь и ограничимся выводом условия

432. Доказательство принципа наименьшего действия.

При действительном вычислении мы встречаемся с одним затруднением, которого нет в доказательстве теоремы Гамильтона. Переменная t не остается более независимой от вариаций; поэтому вариации q i и q. связаны с вариацией t сложным соотношением, которое следует из уравнения (1). Самый простой способ обойти это затруднение заключается в том, чтобы изменить независимую переменную, выбрав такую, значения которой располагались бы между постоянными пределами, не зависящими от времени. Пусть к есть новая независимая переменная, пределы которой и предполагаются не зависящими от t. При перемещении системы параметры и t будут функциями от этой переменной

Пусть буквы со штрихами q будут обозначать производные от параметров q по времени.

Так как связи, по предположению, не зависят от времени, то декартовы координаты х, у, z являются функциями от q, не содержащими время. Поэтому их производные будут линейными однородными функциями от q и 7 будет однородной квадратичной формой от q, коэффициенты которой суть функции от q. Имеем

Чтобы отличать производные q по времени, обозначим при помощи скобок, (q), производные от q, взятые по и положим в соответствии с этим

тогда будем иметь

и интеграл (2), выраженный через новую независимую переменную А, примет вид;

Производную можно исключить при помощи теоремы живой силы. Действительно, интеграл живой силы будет

Подставив это выражение в формулу для приведем интеграл (2) к виду

Интеграл, определяющий действие, принял, таким образом, окончательный вид (3). Подинтегральная функция есть квадратный корень из квадратичной формы от величин

Покажем, что дифференциальные уравнения экстремалей интеграла (3) представляют собой в точности уравнения Лагранжа. Уравнения экстремалей, на основании общих формул вариационного исчисления, будут:

Умножим уравнения на 2 и выполним частные дифференцирования, принимая во внимание, что не содержит тогда получим, если не писать индекса ,

Это уравнения экстремалей, выраженные через независимую переменную Задача заключается теперь в том, чтобы возвратиться к независимой переменной

Так как Г есть однородная функция второй степени от и - однородная функция первой степени, то имеем

С другой стороны, к множителям при производных в уравнениях экстремалей можно применить теорему живой силы, которая приводит, как мы видели выше, к подстановке

В результате всех подстановок уравнения экстремалей приводятся к виду

Мы пришли, таким образом, к уравнениям Лагранжа.

433. Случай, когда нет движущих сил.

В случае, когда движущих сил нет, уравнение живой силы есть и мы имеем

Условие, что интеграл есть минимум, заключается в данном случае в том, что соответствующее значение -10 должно быть наименьшим. Таким образом, когда движущих сил нет, то среди всех движений, при которых живая сила сохраняет одно и то же данное значение, действительное движение есть то, которое переводит систему из ее начального положения в конечное положение в кратчайшее время.

Если система сводится к одной точке, движущейся по неподвижной поверхности, то действительное движение, среди всех движений по поверхности, совершающихся с той же скоростью, есть такое движение, при котором точка переходит из своего начального положения в конечное положение в кратчайший

промежуток времени. Иначе говоря, точка описывает на поверхности кратчайшую линию между двумя ее положениями, т. е. геодезическую линию.

434. Замечание.

Принцип наименьшего действия предполагает, что система имеет несколько степеней свободы, так как если бы имелась лишь одна степень свободы, то одного уравнения было бы достаточно для определения движения. Так как движение может быть в данном случае вполне определено уравнением живой силы, то действительное движение будет единственным, удовлетворяющим этому уравнению, и потому не может быть сравниваемо с каким-либо другим движением.

НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИП

Один из вариационных принципов механики, согласно к-рому для данного класса сравниваемых друг с другом движений механич. системы действительным является то, для которого физ. величина, наз. действием, имеет наименьшее (точнее, стационарное) значение. Обычно Н. д. п. применяется в одной из двух форм.

а) Н. д. п. в форме Гамильтона - Остроградского устанавливает, что среди всех кинематически возможных перемещений системы из одной конфигурации в другую (близкую к первой), совершаемых за один и тот же промежуток времени, действительным является то, для к-рого действие по Гамильтону S будет наименьшим. Матем. выражение Н. д. п. имеет в этом случае вид: dS=0, где d - символ неполной (изохронной) вариации (т. е. в отличие от полной вариации в ней время не варьируется).

б) Н. д. п. в форме Мопертюи - Лагранжа устанавливает, что среди всех кинематически возможных перемещений системы из одной конфигурации в близкую к ней другую, совершаемых при сохранении одной и той же величины полной энергии системы, действительным является то, для к-рого действие по Лагранжу W будет наименьшим. Матем. выражение Н. д. п. в этом случае имеет вид DW=0, где D - символ полной вариации (в отличие от принципа Гамильтона - Остроградского, здесь варьируются не только координаты и скорости, но и время перемещения системы из одной конфигурации в другую). Н. д. п. в. этом случае справедлив только для консервативных и притом голономных систем, в то время как в первом случае Н. д. п. является более общим и, в частности, может быть распространён на неконсервативные системы. Н. д. п. пользуются для составления ур-ний движения механич. систем и для исследования общих св-в этих движений. При соответствующем обобщении понятий Н. д. п. находит приложения в механике непрерывной среды, в электродинамике, квант. механике и др.

  • - то же, что...

    Физическая энциклопедия

  • - m-оператор, оператор минимизаци и,- способ построения новых функций из других функций, состоящий в следующем...

    Математическая энциклопедия

  • - один из вариационных принципов механики, согласно к-рому для данного класса сравниваемых друг с другом движений механич. системы осуществляется то, для к-рого действие минимально...

    Естествознание. Энциклопедический словарь

  • - один из важнейших законов механики, установленный русским ученым М.В. Остроградским...

    Русская энциклопедия

  • Словарь юридических терминов

  • - в конституционном праве ряда государств принцип, согласно которому общепризнанные принципы и нормы международного права являются составной частью правовой системы соответствующей страны...

    Энциклопедия юриста

  • - в конституционном праве ряда государств принцип, согласно которому общепризнанные нормы международного права являются составной частью национальной правовой системы...

    Большой юридический словарь

  • - кратчайшее расстояние от центра заряда взрывчатого вещества до свободной поверхности - линия на най-малкото съпротивление - křivka nejmenšího odporu - Linie der geringsten Festigkeit - robbantás minimális ellenállási tengelyvonala - хамгийн бага...

    Строительный словарь

  • - при возможности перемещения точек деформируемого тела в разных направлениях каждая точка этого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления...

    Энциклопедический словарь по металлургии

  • - правило, по которому имеющиеся запасы принято оценивать либо по наименьшей себестоимости или по наименьшей цене продажи...

    Словарь бизнес терминов

  • - в конституционном праве ряда государств - принцип, согласно которому общепризнанные принципы и нормы международного права являются составной частью правовой системы соответствующего государства и действуют...

    Энциклопедический словарь экономики и права

  • - один из вариационных принципов механики, согласно которому для данного класса сравниваемых друг с другом движений механической системы действительным является то, для которого физическая величина,...
  • - то же, что Гаусса принцип...

    Большая Советская энциклопедия

  • - один из вариационных принципов механики; то же, что Наименьшего действия принцип...

    Большая Советская энциклопедия

  • - один из вариационных принципов механики, согласно которому для данного класса сравниваемых друг с другом движений механической системы осуществляется то, для которого действие минимально...

    Большой энциклопедический словарь

  • - Книжн. Выбирать наиболее лёгкий способ действия, избегая препятствий, уклоняясь от трудностей...

    Фразеологический словарь русского литературного языка

"НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИП" в книгах

2.5.1. Принцип действия устройства

Из книги Занимательная электроника [Нешаблонная энциклопедия полезных схем] автора Кашкаров Андрей Петрович

2.5.1. Принцип действия устройства Принцип действия устройства прост. Когда световой поток, излучаемый светодиодом HL1, отражается от объекта и попадает на фотоприемник, электронный узел, реализованный на 2 микросхемах – компараторе КР1401СА1 и таймере КР1006ВИ1, вырабатывает

Принцип действия терафима

Из книги Сокровенное знание. Теория и практика Агни Йоги автора Рерих Елена Ивановна

Принцип действия терафима 24.02.39 Вы знаете, что каждое осознание и представление какого-либо объекта тем самым приближает нас к нему. Как Вы знаете, психические наслоения объекта могут быть перенесены на его терафим. Особенно важны астральные терафимы дальних миров и

Три условия для действия Закона Наименьшего Усилия

Из книги Мудрость Дипака Чопры [Обрети желаемое, следуя 7 законам Вселенной] автора Гудмен Тим

Три условия для действия Закона Наименьшего Усилия Давайте посмотрим, какие условия требуются для привлечения в вашу жизнь этого созидательного потока энергии Вселенной - энергии любви, а значит, и для того, чтобы Закон Наименьшего Усилия начал работать в вашей

Глава 19 ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ

Из книги 6. Электродинамика автора Фейнман Ричард Филлипс

Глава 19 ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ Добавление, сделанное после лекцииКогда я учился в школе, наш учитель фи­зики, по фамилии Бадер, однажды зазвал меня к себе после урока и сказал: «У тебя вид такой, как будто тебе все страшно надоело; послу­шай-ка об одной интересной

5. Принцип наименьшего действия

Из книги Революция в физике автора де Бройль Луи

5. Принцип наименьшего действия Уравнения динамики материальной точки в поле сил, обладающих потенциалом, можно получить, исходя из принципа, который в общем виде носит название принципа Гамильтона, или принципа стационарного действия. Согласно этому принципу, из всех

Принцип действия

Из книги Руководство слесаря по замкам автора Филипс Билл

Принцип действия Возможность поворота цилиндра зависит от положения пинов, которое в свою очередь определяется силой тяжести, действием пружин и усилием ключа (или отмычки; информацию об отмычках см. в главе 9). При отсутствии ключа сила тяжести и пружины вдавливают

Стационарного действия принцип

Из книги Большая Советская Энциклопедия (СТ) автора БСЭ

Наименьшего действия принцип

БСЭ

Наименьшего принуждения принцип

Из книги Большая Советская Энциклопедия (НА) автора БСЭ

2.5.1. Принцип действия

Из книги Релейная защита в распределительных электрических Б90 сетях автора Булычев Александр Витальевич

2.5.1. Принцип действия В электрических сетях с двухсторонним питанием и в кольцевых сетях обычные токовые защиты не могут действовать селективно. Например, в электрической сети с двумя источниками питания (рис. 2.15), где выключатели и защиты установлены с обеих сторон

Принцип действия

Из книги Турбо-Суслик. Как прекратить трахать себе мозг и начать жить автора Леушкин Дмитрий

Принцип действия «Обработай это» - это, фактически, своеобразный «макрос», запускающий одной фразой целую кучу процессов в подсознании, целью которых является обработка выбранного ментального материала. В сам этот обработчик входит 7 разных модулей, часть из которых

Как начать следовать Закону Наименьшего Усилия: три необходимых действия

Из книги Руководство по выращиванию капитала от Джозефа Мэрфи, Дейла Карнеги, Экхарта Толле, Дипака Чопры, Барбары Шер, Нила Уолша автора Штерн Валентин

Как начать следовать Закону Наименьшего Усилия: три необходимых действия Чтобы Закон Наименьшего Усилия начал работать, нужно не только соблюдать названные выше три условия, но еще и выполнить три действия.Первое действие: начните принимать мир таким как естьПринимать

11. Физика и айкидо наименьшего действия

автора Минделл Арнольд

11. Физика и айкидо наименьшего действия Когда дует, то есть только ветер. Когда идет дождь, есть только дождь. Когда идут облака, сквозь них светит солнце. Если ты открываешься прозрению, то ты заодно с прозрением. И можешь использовать его полностью. Если ты открываешься

Принцип наименьшего действия Лейбница «Vis Viva»

Из книги Геопсихология в шаманизме, физике и даосизме автора Минделл Арнольд

Принцип наименьшего действия Лейбница «Vis Viva» За принцип наименьшего действия мы все должны быть благодарны Вильгельму Готфриду Лейбницу (1646–1716). Один из первых «современных» физиков и математиков, Лейбниц жил во временя Ньютона - в эпоху, когда ученые более открыто

Айкидо - воплощение принципа наименьшего действия

Из книги Геопсихология в шаманизме, физике и даосизме автора Минделл Арнольд

Айкидо - воплощение принципа наименьшего действия Наши психология и технология в значительной степени движимы концепцией, весьма близкой к идее наименьшего действия. Мы постоянно стараемся облегчить себе жизнь. Сегодняшние компьютеры недостаточно быстрые; они должны

Наиболее общая формулировка закона движения механических систем дается так называемым принципом наименьшего действия (или принципом Гамильтона). Согласно этому принципу каждая механическая система характеризуется определенной функцией

или, в краткой записи, причем движение системы удовлетворяет следующему условию.

Пусть в моменты времени система занимает определенные положения, характеризуемые двумя наборами значений координат (1) и Тогда между этими положениями система движется таким образом, чтобы интеграл

имел наименьшее возможное значение. Функция L называется функцией Лагранжа данной системы, а интеграл (2.1) - действием.

Тот факт, что функция Лагранжа содержит только q и q, но не более высокие производные является выражением указанного выше утверждения, что механическое состояние полностью определяется заданием координат и скоростей.

Перейдем к выводу дифференциальных уравнений, решающих задачу об определении минимума интеграла (2,1). Для упрощения записи формул предположим сначала, что система обладает всего одной степенью свободы, так что должна быть определена всего одна функция

Пусть есть как раз та функция, для которой S имеет минимум. Это значит, что S возрастает при замене на любую функцию вида

где - функция, малая во всем интервале времени от до (ее называют вариацией функции поскольку при все сравниваемые функции (2,2) должны принимать одни и те же значения то должно быть:

Изменение 5 при замене q на дается разностью

Разложение этой разности по степеням (в подынтегральном выражении) начинается с членов первого порядка. Необходимым условием минимальности S) является обращение в нуль совокупности этих членов; ее называют первой вариацией (или обычно просто вариацией) интеграла. Таким образом, принцип наименьшего действия можно записать в виде

или, произведя варьирование:

Замечая, что проинтегрируем второй член по частям и получим:

Но в силу условий (2,3) первый член в этом выражении исчезает. Остается интеграл, который должен быть равен нулю при произвольных значениях . Это возможно только в том случае, если подынтегральное выражение тождественно обращается в нуль. Таким образом, мы получаем уравнение

При наличии нескольких степеней свободы в принципе наименьшего действия должны независимо варьироваться s различных функций Очевидно, что мы получим тогда s уравнений вида

Это - искомые дифференциальные уравнения; они называются в механике уравнениями Лагранжа. Если функция Лагранжа данной механической системы известна, то уравнения (2,6) устанавливают связь между ускорениями, скоростями и координатами, т. е. представляют собой уравнения движения системы.

С математической точки зрения уравнения (2,6) составляют систему s уравнений второго порядка для s неизвестных функций . Общее решение такой системы содержит произвольных постоянных. Для их определения и тем самым полного определения движения механической системы необходимо знание начальных условий, характеризующих состояние системы в некоторый заданный момент времени, например знание начальных значений всех координат и скоростей.

Пусть механическая система состоит из двух частей А и В, каждая из которых, будучи замкнутой, имела бы в качестве функции Лагранжа соответственно функции ? Тогда в пределе, при разведении частей настолько далеко, чтобы взаимодействием между ними можно было пренебречь, лагранжева функция всей системы стремится к пределу

Это свойство аддитивности функции Лагранжа выражает собой тот факт, что уравнения движения каждой из невзаимодействующих частей не могут содержать величины, относящиеся к другим частям системы.

Очевидно, что умножение функции Лагранжа механической системы на произвольную постоянную само по себе не отражается на уравнениях движения.

Отсюда, казалось бы, могла вытекать существенная неопределенность: функции Лагранжа различных изолированных механических систем могли бы умножаться на любые различные постоянные. Свойство аддитивности устраняет эту неопределенность, - оно допускает лишь одновременное умножение лагранжевых функций всех систем на одинаковую постоянную, что сводится просто к естественному произволу в выборе единиц измерения этой физической вели чины; мы вернемся еще к этому вопросу в § 4.

Необходимо сделать еще следующее общее замечание. Рассмотрим две функции отличающиеся друг от друга на полную производную по времени от какой-либо функции координат и времени

Вычисленные с помощью этих двух функций интегралы (2,1) связаны соотношением

т. e. отличаются друг от друга дополнительным членом, исчезающим при варьировании действия, так что условие совпадает с условием и вид уравнений движения остается неизменным.

Таким образом, функция Лагранжа определена лишь с точностью до прибавления к ней полной производной от любой функции координат и времени.

Когда я впервые узнал об этом принципе, у меня возникло ощущение какой-то мистики. Такое впечатление, что природа таинственным образом перебирает все возможные пути движения системы и выбирает из них самый лучший.

Сегодня я хочу немного рассказать об одном из самых замечательных физических принципов – принципе наименьшего действия.

Предыстория

Со времен Галилея было известно, что тела, на которые не действуют никакие силы, двигаются по прямым линиям, то есть по кратчайшему пути. По прямым линиям распространяются и световые лучи.

При отражении свет также двигается таким образом, чтобы добраться из одной точки в другую кратчайшим путем. На картинке кратчайшим будет зеленый путь, при котором угол падения равен углу отражения. Любой другой путь, например, красный, окажется длиннее.


Это несложно доказать, просто отразив пути лучей на противоположную сторону от зеркала. На картинке они показаны пунктиром.


Видно, что зеленый путь ACB превращается в прямую ACB’. А красный путь превращается в изломанную линию ADB’, которая, конечно длиннее зеленой.

В 1662 Пьер Ферма предположил, что скорость света в плотном веществе, например, в стекле, меньше, чем в воздухе. До этого общепринятой была версия Декарта, согласно которой скорость света в веществе должна быть больше, чем в воздухе, чтобы получался правильный закон преломления. Для Ферма предположение, что свет может двигаться в более плотной среде быстрее, чем в разреженной казалось противоестественным. Поэтому он предположил, что все в точности наоборот и доказал удивительную вещь – при таком предположении свет преломляется так, чтобы достичь место назначения за минимальное время.


На рисунке опять, зеленым цветом показан путь, по которому в действительности двигается световой луч. Путь, отмеченный красным цветом, является кратчайшим, но не самым быстрым, потому что свету приходится больший путь проходить в стекле, а в нем его скорость меньше. Самым быстрым является именно реальный путь прохождения светового луча.

Все эти факты наводили на мысль, что природа действует каким-то рациональным образом, свет и тела двигаются наиболее оптимально, затрачивая как можно меньше усилий. Но что это за усилия, и как их посчитать оставалось загадкой.

В 1744 Мопертюи вводит понятие «действия» и формулирует принцип, согласно которому истинная траектория частицы отличается от любой другой тем, что действие для неё является минимальным. Однако сам Мопертюи, так и не смог дать четкого определения чему равно это действие. Строгая математическая формулировка принципа наименьшего действия была разработана уже другими математиками – Эйлером, Лагранжем, и окончательно была дана Уильямом Гамильтоном:


На математическом языке принцип наименьшего действия формулируется достаточно кратко, однако не для всех читателей может быть понятен смысл используемых обозначений. Я хочу попытаться объяснить этот принцип более наглядно и простыми словами.

Свободное тело

Итак, представьте, что вы сидите в машине в точке и в момент времени вам дана простая задача: к моменту времени вам нужно доехать на машине до точки .


Топливо для машины дорого стоит и, конечно, вам хочется потратить его как можно меньше. Машина у вас сделана по новейшим супер-технологиям и может разгоняться или тормозить как угодно быстро. Однако, устроена она так, что чем быстрее она едет, тем больше потребляет топлива. Причем потребление топлива пропорционально квадрату скорости. Если вы едете в два раза быстрее, то за тот же промежуток времени потребляете в 4 раза больше топлива. Кроме скорости, на потребление топлива, конечно же влияет и масса автомобиля. Чем тяжелее наш автомобиль, тем больше топлива он потребляет. У нашего автомобиля потребление топлива в каждый момент времени равно , т.е. в точности равно кинетической энергии автомобиля.

Так как же нужно ехать, чтобы добраться к пункту к точно назначенному времени и израсходовать топлива как можно меньше? Ясно, что ехать нужно по прямой. При увеличении проезжаемого расстояния топлива израсходуется точно не меньше. А дальше можно избрать разные тактики. Например, можно быстро приехать в пункт заранее и просто посидеть, подождать, когда наступит время . Скорость езды, а значит и потребление топлива в каждый момент времени при этом получится большой, но ведь и время езды сократится. Возможно, общий расход топлива при этом будет не так уж и велик. Или можно ехать равномерно, с одной и той же скоростью, такой, чтобы, не торопясь, точно приехать в момент времени . Или часть пути проехать быстро, а часть медленнее. Как же лучше ехать?

Оказывается, что самый оптимальный, самый экономный способ езды – это ехать с постоянной скоростью, такой, чтобы оказаться в пункте в точно назначенное время . При любом другом варианте топлива израсходуется больше. Можете сами проверить на нескольких примерах. Причина в том, что потребление топлива возрастает пропорционально квадрату скорости. Поэтому при увеличении скорости потребление топлива возрастает быстрее, чем сокращается время езды, и общий расход топлива также возрастает.

Итак, мы выяснили, что если автомобиль в каждый момент времени потребляет топливо пропорционально своей кинетической энергии, то самый экономный способ добраться из точки в точку к точно назначенному времени – это ехать равномерно и прямолинейно, точно так, как двигается тело в отсутствие действующих на него сил. Любой другой способ движения приведет к большему общему расходу топлива.

В поле тяжести

Теперь давайте немного усовершенствуем наш автомобиль. Давайте приделаем к нему реактивные двигатели, чтобы он мог свободно летать в любом направлении. В целом конструкция осталась той же, поэтому расход топлива опять остался строго пропорционален кинетической энергии автомобиля. Если теперь дано задание вылететь из точки в момент времени и прилететь в точку к моменту времени , то наиболее экономичный способ, как и прежде, конечно, будет лететь равномерно и прямолинейно, чтобы оказаться в точке в точно назначенное время . Это опять соответствует свободному движению тела в трехмерном пространстве.


Однако, в последнюю модель автомобиля установили необычный аппарат. Данный аппарат умеет вырабатывать топливо буквально из ничего. Но конструкция такова, что чем выше находится автомобиль, тем больше топлива в каждый момент времени вырабатывает аппарат. Выработка топлива прямо пропорциональна высоте , на которой в данный момент находится автомобиль. Также, чем тяжелее автомобиль, тем более мощный аппарат на нем установлен и тем больше топлива он вырабатывает, и выработка прямо пропорциональна массе автомобиля . Аппарат получился таким, что выработка топлива точно равна (где – ускорение свободного падения), т.е. потенциальной энергии автомобиля.

Потребление топлива в каждый момент времени получается равным кинетической энергии минус потенциальной энергии автомобиля (минус потенциальной энергии, потому что установленный аппарат вырабатывает топливо, а не тратит). Теперь наша задача наиболее экономного движения автомобиля между пунктами и становится сложнее. Прямолинейное равномерное движение оказывается в данном случае не самым эффективным. Оказывается, более оптимально - немного набрать высоты, какое-то время там задержаться, выработав побольше топлива, а затем уже спуститься в точку . При правильной траектории полета общая выработка топлива за счет набора высоты перекроет дополнительные расходы топлива на увеличение длины пути и увеличения скорости. Если аккуратно посчитать, то самым экономным способом для автомобиля будет лететь по параболе, точно по такой траектории и с точно такой скоростью, с какой летел бы камень в поле тяжести Земли.


Здесь стоит сделать разъяснение. Конечно, можно из точки кинуть камень многими разными способами так, чтобы он попал в точку . Но кидать его нужно так, чтобы он, вылетев из точки в момент времени , попал в точку точно в момент времени . Именно это движение будет самым экономным для нашего автомобиля.

Функция Лагранжа и принцип наименьшего действия

Теперь мы можем перенести эту аналогию на реальные физические тела. Аналог интенсивности потребления топлива для тел называют функцией Лагранжа или Лагранжианом (в честь Лагранжа) и обозначают буквой . Лагранжиан показывает насколько много «топлива» потребляет тело в данный момент времени. Для тела, движущегося в потенциальном поле, Лагранжиан равен его кинетической энергии минус потенциальной энергии.

Аналог общего количества израсходованного топлива за все время движения, т.е. значение Лагранжиана, накопленное за все время движения, называется «действием».

Принцип наименьшего действия состоит в том, что тело двигается таким образом, чтобы действие (которое зависит от траектории движения) было минимальным. При этом не нужно забывать, что заданы начальное и конечное условия, т.е. где тело находится в момент времени и в момент времени .

При этом тело не обязательно должно двигаться в однородном поле тяготения, которое мы рассматривали для нашего автомобиля. Можно рассматривать совершенно другие ситуации. Тело может колебаться на резинке, качаться на маятнике или летать вокруг Солнца, во всех этих случаях оно движется так, чтобы минимизировать «общий расход топлива» т.е. действие.

Если система состоит из нескольких тел, то Лагранжиан такой системы будет равен суммарной кинетической энергии всех тел минус суммарной потенциальной энергии всех тел. И опять, все тела будут согласованно двигаться так, чтобы действие всей системы при таком движении было минимальным.

Не все так просто

На самом деле я немного обманул, сказав, что тела всегда двигаются так, чтобы минимизировать действие. Хотя в очень многих случаях это действительно так, можно придумать ситуации, в которых действие явно не минимально.

Например, возьмем шарик и поместим его в пустое пространство. На некотором отдалении от него поставим упругую стенку. Допустим, мы хотим, чтобы через некоторое время шарик оказался в том же самом месте. При таких заданных условиях шарик может двигаться двумя разными способами. Во-первых, он может просто оставаться на месте. Во-вторых, можно его толкнуть по направлению к стенке. Шарик долетит до стенки, отскочит от нее и вернется обратно. Понятно, что можно толкнуть его с такой скоростью, чтобы он вернулся в точно нужное время.



Последние материалы раздела:

Онлайн обучение профессии Программист 1С
Онлайн обучение профессии Программист 1С

В современном мире цифровых технологий профессия программиста остается одной из самых востребованных и перспективных. Особенно высок спрос на...

Пробный ЕГЭ по русскому языку
Пробный ЕГЭ по русскому языку

Здравствуйте! Уточните, пожалуйста, как верно оформлять подобные предложения с оборотом «Как пишет...» (двоеточие/запятая, кавычки/без,...

Математические, статистические и инструментальные методы в экономике: Ключ к анализу и прогнозированию
Математические, статистические и инструментальные методы в экономике: Ключ к анализу и прогнозированию

В современном мире, где экономика становится все более сложной и взаимосвязанной, невозможно переоценить роль аналитических инструментов в...