分析力学

一般力学的一个分支,以广义坐标为描述质点系的变数,以牛顿运动定律为基础,运用数学分析的方法研究宏观现象中的力学问题。1788年出版的 J.-L.拉格朗日的《分析力学》一书,为这门学科奠定了基础。

分析力学的基本原理有虚功原理达朗伯原理。前者是分析静力学的基础;两者结合,可得到动力学普遍方程,从而导出分析力学各种系统的动力方程。

分析力学研究的对象是质点系。质点系可视为一切宏观物体组成的力学系统的理想模型。例如刚体、弹性体、流体等以及它们的综合体都可看作质点系,质点数可由 1到无穷。又如太阳系可看作自由质点系。研究太阳系中行星和卫星运动的天体力学同分析力学密切相关,在方法上互相促进。分析力学对于具有约束的质点系的求解更为优越,因为有了约束方程,系统的自由度就可减少,运动微分方程组的阶数随之降低,更易于求解。

分析力学研究的主要内容是:

(1)导出各种力学系统的动力方程,如完整系统的拉格朗日方程、正则方程,非完整系统的阿佩尔方程等;

(2)研究力学的变分原理,如哈密顿原理、最小作用量原理等;

(3)寻求各种力学定理和积分,如对应于可遗坐标的广义动量积分等;

(4)探讨各种动力方程的求解方法以及一切与这个目标靠近的理论,例如研究正则变换以求解正则方程;研究相空间代表点的轨迹,以判别系统的稳定性等。

在量子力学未建立以前,物理学家曾用分析力学研究微观现象的力学问题。从1923年起,量子力学开始建立并逐步完善,才在微观现象的研究领域中取代了分析力学。但是,掌握分析力学的一些基本知识有助于学好量子力学。例如用分析力学知识求出哈密顿函数,再化成哈密顿算符,又自哈密顿-雅可比方程化成波动力学的基本方程──薛定谔方程等。

A.爱因斯坦提出相对论时,也曾把分析力学的一些方法应用于研究速度接近光速的相对论力学。

参考书目
  1. 汪家訸编:《分析力学》,高等教育出版社,北京,1983。
  2. L.A. Pars, A Treatise on Analytical Dynamics,Heine-mann,Lindon,1965.
  3. L. Meirovitch, Methods of Analytical Dynamics,McGraw-Hill,New York,1970.