background image

Dynamika układów hamiltonowskich 

 

UKŁAD DYNAMICZNY 

Z punktu widzenia fizyki N-wymiarowym układem dynamicznym jest każdy układ fizyczny, 

którego: 

1.  stan opisany jest  N zmiennymi 

− oznaczmy je x

1

x

2

, ..., x

N

 (UWAGA! W tym momencie 

nie mówimy nic o fizycznym sensie zmiennych x

1

x

2

, ..., x

N

. Jak pokażemy dalej rozważając 

na przykład dynamikę cząstki w wielowymiarowej jamie potencjału, jedne z tych zmiennych 

będą składowymi położenia, a inne składowymi pędu tej cząstki. W innych układach mogą to 

być zupełnie inne wielkości fizyczne np. temperatura, ciśnienie, ładunek itp.)  

2.  ewolucja, w więc czasowe zmiany zmiennych determinujących stan, opisana jest układem 

N równań różniczkowych zwyczajnych rzędu pierwszego: 

 

dx

1

/dt = f

1

(x

1

x

2

, ..., x

N

),  

(1.) 

 

dx

2

/dt = f

2

(x

1

x

2

, ..., x

N

), 

... 

dx

N

/dt = f

N

(x

1

x

2

, ..., x

N

), 

 

UKŁAD HAMILTONOWSKI 

Wśród układów dynamicznych jednymi z najstarszych i najlepiej zbadanych są  układy 

hamiltonowskie.  

Dla układów tych N jest parzyste: N=2n; gdzie n jest dowolną liczbą naturalną.  

n zmiennych, oznaczanych zazwyczaj jako q

1

,  q

2

, ..., q

n

, określanych jest jako położenia. 

uogólnione

n pozostałych zmiennych, oznaczanych jako p1,  p2, ..., pn, określanych jest jako pędy 

uogólnione

Ewolucja układu hamiltonowskiego opisana jest N równaniami, mającymi postać: 

 

dq

1

/dt = 

H(q

1

q

2

, ...q

n

p

1

p

2

, ..., p

n

)/

p

1

  

(2.) 

dq

2

/dt = 

H(q

1

q

2

, ...q

n

p

1

p

2

, ..., p

n

)/

p

2

  

... 

dq

n

/dt = 

H(q

1

q

2

, ...q

n

p

1

p

2

, ..., p

n

)/

p

n

  

 

background image

dp

1

/dt = 

− ∂H(q

1

q

2

, ...q

n

p

1

p

2

, ..., p

n

)/

q

1

  

dp

2

/dt = 

− ∂H(q

1

q

2

, ...q

n

p

1

p

2

, ..., p

n

)/

q

2

 

... 

dp

n

/dt = 

− ∂H(q

1

q

2

, ...q

n

p

1

p

2

, ..., p

n

)/

q

n

 

 

Mamy tu więc  n równań opisujących ewolucję położeń i n równań opisujących ewolucję 

pędów. 

 

Funkcja  H(q

1

,  q

2

, ..., q

n

,  p

1

,  p

2

, ...,p

n

), której znajomość pozwala na sformułowanie równań 

ruchu układu, nazywana jest jego hamiltonianem

 

Zmienne q

k

  i p

k

 nazywane są w skrócie zmiennymi sprzężonymi

 

CZĄSTKA W TRÓJWYMIAROWEJ JAMIE POTENCJAŁU 

Rozważmy najprostszy przykład hamiltonowskiego układu dynamicznego. Jest nim cząstka o 

masie m poruszająca się bez tarcia w 3-wymiarowej jamie potencjału: 

(.3.) 

U(q

1

q

2

q

3

),  

 

gdzie q

1

q

2

q

3

 oznaczają współrzędne kartezjańskie (x, y, z) położenia cząstki, a U oznacza 

jej energię potencjalną. Sprawdźmy,  że istotnie równania ruchu można w tym przypadku 

sprowadzić do podanej wyżej postaci. 

Siła  F

r

działająca na cząstkę związana jest z funkcją energii potencjalnej U równaniem: 

(.4.) 

U

grad

F

=

r

 

Napiszmy równanie to nieco dokładniej: 

k-ta składowa siły działającej na cząstkę równa jest: 

(5.) 

F

k

 = 

− ∂U/∂q

k

Tak więc 

k-tą składową newtonowskiego równania ruchu: 

(6.) 

m a

k

 = 

F

k

 

gdzie 

a

k

 = d

v

k

/d

t oznacza k-tą składową przyspieszenia, można zapisać jako: 

(7.) 

m dv

k

/d

t = 

− ∂U/∂q

k. 

Jeśli przypomnimy sobie, że związek między pędem a prędkością dany jest wzorem: 

(8.) m

v

k

 = 

p

k

 

background image

to równanie to przechodzi w  

(9.) d

p

k

/d

t = 

− ∂U/∂q

Energia kinetyczna cząstki wynosi: 

(10.) 

K = mv

1

2

/2 + 

mv

2

2

/2 + 

mv

3

2

/2 

co można zapisać jako: 

(11.) 

K(p

1

p

2

p

3

) = 

p

1

2

/2

m + p

2

2

/2

m + p

3

2

/2

m

skąd 

k-tą składową prędkości cząstki można określić jako: 

(12.) d

q

k

/d

t = p

k

/

m

K/dp

k

Podsumowując powyższe fakty łatwo zauważyć,  że jeśli zdefiniujemy funkcję Hamiltona 

H(q

1

q

2

q

3

p

1

p

2

p

3

) jako: 

(13.) 

H(q

1

q

2

q

3

p

1

p

2

p

3

) =  

K(p

1

p

2

p

3

) +

 U(q

1

q

2

q

3

), 

a więc jako sumę energii kinetycznej i potencjalnej cząstki, to równania (9) i (12) można 

zapisać jako: 

(14.) d

q

k

/d

t =    

H/∂p

k

 

d

p

k

/d

t = 

− ∂H/∂q

k

,  

k = 1, 2, 3, 

a więc mają one żądaną postać charakterystyczną dla układów hamiltonowskich. 

 

CAŁKI RUCHU UKŁADÓW HAMILTONOWSKICH 

Cechą układów hamiltonowskich jest to, iż podczas ich ewolucji określonej równaniami 

ruchu wartość funkcji Hamiltona 

H(q

1

q

2

, ...

q

n

p

1

p

2

, ..., 

p

n

) pozostaje stała. Aby przekonać 

się o tym, sprawdźmy wartość jej pochodnej po czasie: 

 

(15.) d

H/dt =    

∑(∂H/∂q

k

)(d

q

k

/d

t)  +  

∑(∂H/∂p

k

)(d

p

k

/d

t) = 

 

 

 

∑(∂H/∂q

k

)(

H/∂p

k

) + 

∑ (∂H/∂p

k

)(-

H/∂q

k

) = 0. 

 

Jeśli więc, tak jak jest to w przypadku cząstki w jamie potencjału, funkcja Hamiltona oznacza 

całkowitą energię układu, to podczas ewolucji określonej równaniami ruchu energia ta 

pozostaje stała 

− jest całką ruchu. Z fizycznego punktu widzenia, jeśli funkcja Hamiltona 

background image

układu jest jego całkowitą energią, to układ podczas swej ewolucji zachowuje jej wartość, jest 

więc, jak mówimy, układem zachowawczym