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Apuntes de la práctica de Mecánica Clásica Alf 14 de noviembre de 2016 Sobre estos apuntes Estos apuntes no son oficiales de ninguna cátedra sino que fueron tomados por un alumno durante las clases (on the fly y sin ninguna post-edición). Es por ello que encontrará cosas mal anotadas y/o incompletas y pueden haber errores. Se comparten con la comunidad para su utilización como una simple guía. En caso de notar algún efecto adverso suspenda inmediatamente su uso y consulte a su profesor de cabecera. El alumno que tomó estos apuntes cursó la materia durante el segundo cuatrimestre de 2016, este es el link a la página de la materia. Índice 1. Guía 0 - Repaso de F1 3 1.1. Cuerpos rígidos ..................................................... 4 1.1.1. Momento de inercia .............................................. 4 1.2. Rodadura ........................................................ 6 2. Cálculo de variaciones 7 3. Lagrangiano 14 3.1. Multiplicadores de Lagrange .............................................. 20 4. Problema de impulso angular generalizado (electromagnetismo) 20 5. Guía 3: dos cuerpos 24 5.1. Cosas sobre elipses ................................................... 25 6. Sistemas no inerciales 30 6.1. Rotaciones ........................................................ 31 7. Cuerpo rígido 33 7.1. Ángulos de Euler .................................................... 33 8. Hamiltoniano 39 9. Transformaciones canónicas 41 9.1. Formalismo simpléctico ................................................ 43 9.2. Corchetes de Poisson .................................................. 44 9.3. Formas de ver si una transformación es canónica .................................. 45 10.Pequeñas oscilaciones 46 10.1. Parcial 27/6 - Problema 1 ............................................... 47 11.Scattering 49 1

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Apuntes de la práctica de Mecánica ClásicaAlf

14 de noviembre de 2016

Sobre estos apuntes Estos apuntes no son oficiales de ninguna cátedra sino que fueron tomados por un alumno durante lasclases (on the fly y sin ninguna post-edición). Es por ello que encontrará cosas mal anotadas y/o incompletas y pueden habererrores. Se comparten con la comunidad para su utilización como una simple guía. En caso de notar algún efecto adversosuspenda inmediatamente su uso y consulte a su profesor de cabecera.

El alumno que tomó estos apuntes cursó la materia durante el segundo cuatrimestre de 2016, este es el link a la páginade la materia.

Índice1. Guía 0 - Repaso de F1 3

1.1. Cuerpos rígidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.1. Momento de inercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2. Rodadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Cálculo de variaciones 7

3. Lagrangiano 143.1. Multiplicadores de Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4. Problema de impulso angular generalizado (electromagnetismo) 20

5. Guía 3: dos cuerpos 245.1. Cosas sobre elipses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6. Sistemas no inerciales 306.1. Rotaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7. Cuerpo rígido 337.1. Ángulos de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

8. Hamiltoniano 39

9. Transformaciones canónicas 419.1. Formalismo simpléctico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439.2. Corchetes de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449.3. Formas de ver si una transformación es canónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

10.Pequeñas oscilaciones 4610.1. Parcial 27/6 - Problema 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

11.Scattering 49

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Índice alfabéticocuerpo rígido, 4

Guía 0 ejercicio 10, 7Guía 0 ejercicio 5, 3Guía 0 ejercicio 6, 5Guía 0 ejercicio 8, 6Guía 1 ejercicio 1, 8Guía 1 ejercicio 10, 12Guía 1 ejercicio 3, 9Guía 1 ejercicio 5, 11Guía 1 ejercicio 7, 9Guía 1 ejercicio 8, 13Guía 1 ejercicio 9, 12Guía 2 ejercicio 1, 15Guía 2 ejercicio 10, 20Guía 2 ejercicio 11, 22Guía 2 ejercicio 2, 17Guía 2 ejercicio 3, 16Guía 2 ejercicio 4, 18Guía 2 ejercicio 5, 16Guía 2 ejercicio 6, 22Guía 2 ejercicio 7, 19Guía 2 ejercicio 8, 19Guía 3 ejercicio 1, 24Guía 3 ejercicio 2, 25, 26Guía 3 ejercicio 3 (parecido), 27Guía 3 ejercicio 4, 28Guía 3 ejercicio 5, 24Guía 3 ejercicio 6, 28Guía 3 ejercicio 7, 29Guía 4 ejercicio 1, 30Guía 4 ejercicio 2, 30Guía 4 ejercicio 9, 32Guía 5 ejercicio 4, 34Guía 5 ejercicio 5, 36Guía 5 ejercicio 6, 34Guía 5 parte 2 ejercicio 7, 38Guía 7 ejercicio 1, 40Guía 7 ejercicio 2, 40Guía 7 ejercicio 5, 41Guía 8 ejercicio 1, 42Guía 8 ejercicio 2, 45Guía 8 ejercicio 3, 46Guía 8 ejercicio 4, 43

Multiplicadores de Lagrange, 20

Teorema de Noether, 19

Vínculos holónomos, 15

2

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1 GUÍA 0 - REPASO DE F1

1. Guía 0 - Repaso de F1Guía 0 ejercicio 5

Escribimos las dos ecuaciones que vimos la clase pasada (yo falté). Estas son∑i

F i = dp

dt∑i

T i = dL

dt

dondep = Mv

con M la masa total del sistema y v la velocidad del centro de masa. La posición del centro de masa es

R = 1M

∑i

miri

Debido a que el sistema está quieto entonces

El centro de masa está quieto ⇒ p = 0

y entonces solo puede rotar. Calculamos entonces la ecuación para los torques. Usamos el esquema

Normal

peso

peso

L

El L tiene un movimiento como de precesión y es

L = r × p

= 2m`

2Ω `

2 sinα(

cos(π

2 − α)z − sin

(π2 − α

)r)

= m`2

2 Ω sinα (sinαz + cosαr)

y a su vez el r se puede escribir comor = cos (Ωt) x+ sin (Ωt) y

r ver

sor

theeta = Ωt

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1.1 Cuerpos rígidos 1 GUÍA 0 - REPASO DE F1

Ahora calculamosdL

dt= m

`2

2 Ω2 sinα cosα θ

recordar que˙r = θθ → en polares

Esto nos dice que hay un determinado torque externo aplicado y es el que aplican los rulemanes para que esto no se enderece.Si pensamos el problema como un cuerpo rígido entonces

L = IΩ

donde I es el tensor momento de inercia (ver más adelante). Esto queda

L =

2m(`2)2 0 0

0 0 00 0 2m

(`2)2 0

Ω cosαΩ sinα

donde esa expresión para I es usando los ejes principales (de simetría) del cuerpo y la expresión de Ω es en el mismo sistemade coordenadas.

1.1. Cuerpos rígidosEn el caso de un cuerpo rígido, las ecuaciones

Sistema de partículas→

∑i

F i = dp

dt∑i

T i = dL

dt

siguen valiendo pero se agrega la restricción de que la distancia entre dos masas cualesquiera del cuerpo es constante. Estoimplica que la velocidad de cualquier punto del cuerpo se puede escribir como

v = vCM + Ω× r → condición de cuerpo rígido

donde vCM es la velocidad del centro de masa y Ω la rotación respecto al centro de masa. Para verificar esto lo que hacemoses suponer dos puntos cualesquiera del cuerpo tales que

vi = v0 + Ω× ri i ∈ 1, 2

y entoncesv2 − v1 = Ω× (r2 − r1)

ahora no sé por qué mandó(v2 − v1) · (r2 − r1) = 0

yv2 · (r2 − r1) = v1 · (r2 − r1)→ Proyección de las velocidades

la proyección de las velocidades en la dirección que une a dos partículas tiene que ser la misma.

1.1.1. Momento de inercia

En el caso de un cuerpo rígido con una masa distribuida es

L =˚

V

(r × ρv) dV

donde v es la velocidad de cada punto, ρ es la densidad y V es el volumen del cuerpo. Dado que se trata de un cuerpo rígidoentonces podemos reemplazar v y se obtiene

L =˚

V

ρ (r × (vCM + Ω× r)) dV

=

: 0˚

V

ρr × vCM dV +˚

V

ρr × (Ω× r) dV

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1.1 Cuerpos rígidos 1 GUÍA 0 - REPASO DE F1

el primer término se cancela porque se integra en todo el cuerpo y r está definido desde el centro de masa y no sé qué más.El segundo término se puede mostrar (no ahora pero después sí) que es

L = IΩ

donde I es el tensor momento de inercia y Ω el vector velocidad angular. Los elementos de ese tensor (ver en el Goldstein)son

Iij =˚

V

ρ(r2δij − xixj

)dV

Se puede mostrar que siempre existen, para todo cuerpo, tres ejes de simetría principales tales que I se puede diagonalizar.En el caso de que existan ejes de simetría para el cuerpo, entonces coinciden.

Ejemplo: momento de inercia de un cilindro

Supongamos un cilindro cuyo eje está en el eje z. Es evidente que Ixx = Iyy, pero no Izz. Para calcularlo usamos laintegral esa del libro

Izz =˚

V

ρ(r2 − z2) dz

donde r es la distancia desde cualquier punto, en particular desde el centro del cilindro. Obsérvese en el siguiente dibujitoque lo que hay en la integral es la distancia d al cuadrado

x

y

z

rd²=r²+z²

y entonces

Izz =˚

V

ρd2 dV

cuerpo

ρr2 r dθ dr dz

...

= MR2

2

donde M es la masa total del coso (asumiéndolo homogéneo) y R su radio. Los otros momentos de inercia

Ixx =˚

V

ρ(r2 − x2) dV

...

= M

4

(`2

3 + R2

2

)Se puede probar que

Iij = 0 si i 6= j

Guía 0 ejercicio 6

El esquemita del ejercicio es

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1.2 Rodadura 1 GUÍA 0 - REPASO DE F1

R

h(theta)h(theta=0)

theta

La energía potencial gravitatoria esU = mgh(θ)

La altura del centro de masa del coso se puede escribir como

h(θ) = R+ h1(θ)= R+ (h0 −R) cos θ

donde h0 = h(θ = 0). Por lo tanto la energía es

U = mg (R+ (h0 −R) cos θ)

Para encontrar la posición donde esto es estable hay que hallar el mínimo de energía (estable) y máximo de energía(inestable). Para eso se deriva, etc etc. Y queda que, como es obvio, para que sea estable el CM tiene que estar abajo delcentro de rotación.

Guía 0 ejercicio 8 Hay dos caminos: uno es usar el teorema de Steiner o algo así, el del momento de inercia que esIO = ICM +ML2. El otro es usar Newton y plantear conservación del L.

1.2. RodaduraPara que haya rodadura hay que tener un movimiento de rototraslación que se compone de la suma de una rotación más

una traslación:

Rotación

v = rΩ

v = rΩTraslación

v

v

+ =

Rototraslación

v

v

eje instantáneo de rotación

Cuando hay rodadura entonces no hay deslizamiento entre la rueda y el piso, esto es lo que vamos a usar para el ejercicio10 a continuación

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2 CÁLCULO DE VARIACIONES

Guía 0 ejercicio 10

El esquema es el que sigue:

theta FrR

eje yalpha = theta

F rozamiento eje x →

punto Q

punto O

Como la fuerza se hace en forma tangencial entonces F ⊥ r. Las ecuaciones de Newton son

Traslación→x→ M × algo = F cos θ − Frozamiento

y → F sin θ −Mg +N = 0

donde “algo” no entiendo la letra. La ecuación de rotación

Rotación→ τO = r × F= rQ × F= (Ry + r sin θx− r cos θy)× (F sin θy + F cos θx)

no sé si se equivocó o no, pero usó el tau respecto de O y lo otro respecto de Q. Me limito a copiar

ω = F

I0(r −R cos θ) z

= ωz

y para I0 usamos steinerI0 = ICM +MR2

Ahora metemos la condición de rodadura

v′ = 0 = vCM +Rωx⇒ vCM = −Rωx⇒ aCM = −Rωx

es aCM es la aceleración del centro de masa. Ahora puso

aCM = −FRI0

(r −R cos θ) x

Otra cosa: rueda sin deslizar hasta

Frozamiento máxima = µN

ecuación de Newton y = µ (Mg − Fmáx sin θ)

Ahora usamos la ecuación de Newton x entonces

Frozamiento máxima = Fmax cos θ −MaCM max

De acá se despeja la fuerza máxima y si ejercemos más tensión entonces se desliza.

2. Cálculo de variacionesSe acuerdo con el Goldstein, dada una f

(y, dydx , x

)y dado

J =x2ˆ

x1

f (y, y, x) dx

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2 CÁLCULO DE VARIACIONES

queremos encontrar cuál es la f que maximiza (o minimiza) J . Un ejemplo geométrico podría ser: cuál es la curva queencierra la mayor superficie contra el eje x.

Lo que se hace es planteary(x, α) = y(x, 0) + αη(x)

y entonces

J(α) =x2ˆ

x1

f(y(x, α), y(x, α), x) dx

Ahora como estamos buscando puntos estacionarios derivamos respecto a α e igualamos a cero

dJ

⌋α=0

= d

x2ˆ

x1

f(y(x, α), y(x, α), x) dx

=

x2ˆ

x1

df

dαdx

=x2ˆ

x1

(∂f

∂y

∂y

∂α+ ∂f

∂y

∂y

∂α

)dx

Evaluamos en α = 0 porque queremos que y(x, α) = y(x, 0) +:0

αη(x) sea la verdadera. Ahora hacemos un truco

∂f

∂y

∂y

∂α= ∂f

∂y

∂2y

∂x∂α

y no entiendo bien cómo, escribió esto:

*0

∂f

∂y

∂y

∂α

⌋x2

x1

−x2ˆ

x1

d

dx

(∂f

∂y

)∂y

∂αdx

pero llegamos adJ

dα=

x2ˆ

x1

(∂f

∂y− d

dx

(∂f

∂y

))dy

⌋α=0

dx = 0 ⇐⇒ ∂f

∂y= d

dx

(∂f

∂y

)

Guía 1 ejercicio 1

Supongamos una función como la que sigue

f(x)

x

y

dx

dydl

x1 x2

y que queremos conocer la longitud de la curva f(x). Entonces planteamos

d` =√dx2 + dy2

=

√1 +

(dy

dx

)2dx

=√

1 + (f ′(x))2dx

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2 CÁLCULO DE VARIACIONES

por lo tanto la longitud total será

` =x2ˆ

x1

√1 + (f ′(x))2

dx

Si ahora queremos hacer lo mismo pero para una curva definida sobre la superficie de una esfera entonces nos queda

d` =√R2 dθ2 +R2 sin2 θ dφ2

= R

√1 + sin2 θ

(dφ

)2dθ

Listo.

Guía 1 ejercicio 7

Lo que queremos hacer es probar que la curva que minimiza la distancia que une a dos puntos es un meridiano. Para elloconviene elegir como punto de partida el polo norte (o sur) así las geodésicas tienen la simple expresión φ = cte.

Usando todo lo del cálculo de variaciones f(y, y, x) en el caso del ejercicio 1 tenemos

f

(φ,dφ

dθ, θ

)= R

√1 + sin2 θ

(dφ

dx

)2

La ecuación de Euler-Lagrange es∂f

∂φ= d

(∂f

∂φ

)y como

∂f

∂φ= 0

entonces∂f

∂φ= cte

2 sin2 θφ√1 + sin2 θφ2

= cte

Notar que no puede ser cte = cte (φ) porque φ = φ(θ) y ya sabemos que no depende de θ. Dado que esta ecuación diferencialse debe satisfacer para todo θ, en particular para el punto inicial θ = 0, entonces necesariamente cte = 0 (si se rota el sistemade coordenadas entonces cte 6= 0, pero eligiéndolo tal que el punto inicial está en θ = 0 todo queda más lindo, y no se pierdegeneralidad debido a la simetría de la esfera). Considerando esto entonces

2 sin2 θφ√1 + sin2 θφ2

= 0

y esto se satisface para todo φ ⇐⇒ φ = 0 por lo tanto φ(θ) = cte como queríamos.

Guía 1 ejercicio 3

El esquemita es el que sigue:

theta 1

theta 2

P1

Q

P2

n1 n2

y

x

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2 CÁLCULO DE VARIACIONES

y lo que hay que extremar es el camino óptico, definido como

CO def=P2ˆ

P1

n(x) d`

donde n(x) es el índice de refracción y d` es el diferencial de distancia. Sabemos que (ver más arriba)

d` =

√1 +

(dy

dx

)2dx

por lo tanto

CO =x2ˆ

x1

n(x)

√1 +

(dy

dx

)2dx

donde y(x) es la trayectoria que sigue el rayo de luz. En este caso la función f del cálculo de variaciones es

f (y, y, x) = n(x)

√1 +

(dy

dx

)2

y se debe satisfacer la ecuación de Euler Lagrange

∂f

∂y= d

dx

(∂f

∂y

)Como ∂f

∂y = 0 entonces ∂f∂y = c 6= c(x). Por lo tanto

∂f

∂y= − n(x)y√

1 + y2= c

Sabemos que la función y(x) son dos rectas pegadas, como se ve en el dibujo más arriba, por lo tanto su derivada será

dy

dx=

tan θ1 En el medio 1tan θ2 En el medio 2

La ecuación anterior se tiene que cumplir para todo x, en particular para un par cualquiera de cada lado de la interfaz, esdecir

n(x)y√1 + y2

= c→

n1 tan θ1√1 + tan2 θ1

= c Del lado 1

n2 tan θ2√1 + tan2 θ2

= c Del lado 2

entonces, igualando estas dos expresiones, se obtiene

n1 tan θ1√1 + tan2 θ1

= n2 tan θ2√1 + tan2 θ2

n21

1tan2 θ1

+ 1= n2

21

tan2 θ2+ 1

n21

cos2 θ1sin2 θ1

+ 1= n2

2cos2 θ2sin2 θ2

+ 1n2

1 sin2 θ1

cos2 θ1 + sin2 θ1= n2

2 sin2 θ2

cos2 θ2 + sin2 θ2

y ahora, usando la milagrosa identidad sin2 + cos2 = 1, queda la Ley de Snell:

n1 sin θ1 = n2 sin θ2♥

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2 CÁLCULO DE VARIACIONES

Guía 1 ejercicio 5

Esquema:

theta

z

Lo que queremos es hallar la función θ = θ(z) tal que minimice la distancia entre dos puntos. Esta distancia está dadapor

` =2ˆ

1

d`

El diferencial de longitud sobre la superficie del cilindro es

d`2 = dz2 +Rdθ2

o bien, en forma más conveniente (considerando que tenemos θ = θ(z)),

d` =√

1 +Rθ2 dz

donde θ = dθdz . Entonces

` =z2ˆ

z1

√1 +Rθ2 dz

En términos de la función f del cálculo de variaciones tenemos que

f(θ, θ, z) =√

1 +Rθ2

y debe satisfacer, para minimizar, la ecuación de Euler Lagrange

∂f

∂θ= d

dz

(∂f

∂θ

)Como ∂f

∂θ = 0 entonces ∂f

∂θ= c 6= c(z) y esto es

Rθ√1 +Rθ2

= c

o bien, despejando,

θ =√

c2

R2 − c2R= k = cte

La constante c debe satisfacer c2 < R para que eso no dé imaginario. En tal caso

θ(z) = kz

y se obtienen las geodésicas del cilindro X.

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2 CÁLCULO DE VARIACIONES

Guía 1 ejercicio 9

La verdad no entiendo bien qué estamos haciendo... Escribió lo siguienteb) f = f(y, y) 6= f(x), y = y(x), dydx = dy

dx (x). Entonces lo que pasa es que

df

dx= ∂f

∂yy + ∂f

∂yy

df

dx= d

dx

(∂f

∂y

)y + ∂f

∂yy

= d

dx

(∂f

∂yy

)De aquí se obtiene

d

dx

(f − ∂f

∂yy

)= 0⇒ f − ∂f

∂yy = cte

Esto es lo que dice el ejercicio 9. El problema 10 plantea el uso de esa cosa.

Guía 1 ejercicio 10

El esquemita es el de la soga que queremos maximizar el área:

Longitud fija

quiro área máxima

El truco es escribir las cosas así

A =xˆ

0

y(x) dx

El diferencial de longitud es

d`2 = dx2 + dy2 ⇒ dx =√d`2 − dy2 =

√1−

(dy

d`

)2d`

entonces

A =`ˆ

0

y(`)

√1−

(dy

d`

)2d`

Acá tenemos que usar lo del ejercicio anterior. En este caso

f

(y,dy

d`

)= y(`)

√1−

(dy

d`

)2

No sé por qué pero mandó

f − ∂f

∂yy = c

y√

1− y2 − yy2√1− y2

= c

Despejando de ahí parece que se llega ay2

1− y2 = c2

y de ahí se obtiene

−y2

c2+ 1 = y2 =

(dy

d`

)2

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2 CÁLCULO DE VARIACIONES

Ahora metemos d`2 = dx2 + dy2 y entonces(c2 − y2) (dx2 + dy2) = c2 dy2(

c2 − y2) dx2 =(c2 −

(c2 − y2)) dy2

De acá despejamosdy

dx=

√c2 − y2

y2

A partir de acá es alta fiaca, hay que calcular una integralita que esˆ

dx =ˆ

y√c2 − y2

dy

que quedax = −

√c2 − y2 + k

Para hallar c y k hay que aplicar las condiciones de contorno que nos dan en la consigna como la longitud de la soga, etc.Termina quedando

(x− c)2 + y2 = c2

que es un círculo de radio c centrado en x = c.

Guía 1 ejercicio 8

Este va por mi cuenta (o sea, lo hice yo, no se hizo en clase). Sea y = y(x) la curva como se muestra en el grafiquito:

x1 x2

y=y(x)

Al hacer la revolución la superficie de la figura que se obtiene es

dA = d`R dθ

donde d` =√dx2 + dy2 y Rdθ es un diferencial en cilíndricas perpendicular al eje x. La distancia R al eje x es justamente

y, por lo tanto

dA =√dx2 + dy2y dθ

=√

1 + y2y dx dθ

El área de la figura que se genera al revolucionar la curva y = y(x) es

A =x2ˆ

x1

θˆ

0

√1 + y2y dθ dx

= θ

x2ˆ

x1

y√

1 + y2 dx

= θ

x2ˆ

x1

f(y, y, x) dx

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3 LAGRANGIANO

Dado que queremos minimizar la cantidad A entonces planteamos la ecuación de Euler-Lagrange:

∂f

∂y= ∂

∂x

(∂f

∂y

)√

1 + y2 = ∂

∂x

(yy√

1 + y2

)

= ∂ (yy)∂x

1√1 + y2

+ yy∂

∂x

(1√

1 + y2

)

= y2 + yy√1 + y2

+ yy

(−y

(1 + y2)3/2

)

= y2 + yy√1 + y2

− yyy

(1 + y2)3/2(√1 + y2

)2= y2 + yy − yyy

(1 + y2)3

1 = yy − yyy

(1 + y2)3

yy − 1 = yyy

(1 + y2)2

Acá, como esto es horrible, fui a preguntar a uno de los ayudantes y me recordó que en la consigna dan una ayuda que espensar a la función como x = x(y). De todos modos se podría meter la función de la consigna ahí y ver qué pasa. Considerandoesto de x = x(y) entonces el área de la figura de revolución es

A = θ

y2ˆ

y1

y√

1 + x2 dy

= θ

y2ˆ

y1

f(x, x, y) dy

Ahora sí aplicamos Euler-Lagrange∂f

∂x= d

dy

(∂f

∂x

)Como ∂f

∂x = 0 entonces ∂f∂x = cte, esto es

yx√1 + x2

= c

entoncesy2x2 = c2

(1 + x2)

y de acá tiene que salir. Alta fiaca. No quiero seguir.

3. LagrangianoAlgunos comentarios copados sobre el lagrangiano y todo esto.

Lo primero es que las ecuaciones de Euler-Lagrange no dependen del sistema de coordenadas elegido, es decir que

∂L

∂qi= d

dt

(∂L

∂qi

)no depende de si q1:n son cartesianas, polares, esféricas o lo que sean.

Newton ⇐⇒ Euler-Lagrange ⇐⇒ principio de mínima acción.

El lagrangiano siempre hay que escribirlo en un sistema inercial. Una vez que se lo tiene escrito en un sistema inercial,se pasa a la coordenadas del sistema no inercial.

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3 LAGRANGIANO

Vínculos holónomos

Para un sistema de N partículas los grados de libertad son 3N . Si agregamos k vínculos entonces los grados de libertadson

n = 3N − k

Los vínculos holónomos son los que satisfacen esto, que pueden expresarse como f (r1:N , t) = 0 o bien, recordando queri = (xi, yi, zi), f (r1:3N , t) = 0. Usando esto podemos reducir el número de variables. Pasamos de tener 3N variablesdependientes a tener n = 3N − k variables independientes q1:(3N−k).

Entonces los pasos que se pueden seguir son los siguientes

1. Escribir L en coordenadas “comunes” (cartesianas por ejemplo): L = L (r1:N , r1:N , t).

2. Pasar a las coordenadas (generalizadas creo): L (r1:N , r1:N , t)→ L (q1:n, q1:n, t) donde n = 3N − k.

3. Usamos Euler-Lagrange.

Guía 2 ejercicio 1

El esquemita es el siguiente

p

y se tienen las siguientes relacionesvp = vCM + Ω× r

por ser un cuerpo rígido. La velocidad de una partícula del cuerpo que se encuentra en el punto P es cero por la condiciónde rodadura. Entonces igualando lo anterior a cero se obtiene

vCM = ωR

o bienx = ωR

La energía cinética es entonces

T = Ttraslación + Trotación

= 12mx

2 + 12Izzω

2 Izz = mR2

2

= m

2 x2 + 1

2mR2

2

(x

2

)2

= 34mx

2

La energía potencial esU = −mgx

donde x es la posición del centro de masa. El lagrangiano es entonces

L = 34mx

2 +mgx

y la ecuación de Euler Lagrange queda

∂L

∂x= d

dt

(∂L

∂x

)...

23g = x

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3 LAGRANGIANO

Guía 2 ejercicio 3

El esquema es

Mk

Debido a que siempre hay que escribir el lagrangiano en un sistema inercial, entonces estaría mal poner

r = x→ mal! /

porque x está referido a un sistema no inercial como es el carrote grandote. Entonces nos paramos en el sistema inercial ydecimos que

r = X + x→ bien X

Entonces (no sé, supongo que consigna) se obtiene

X = A cos (ωt) + x

La energía potencial es U = 12kx

2. El lagrangiano es entonces

L = m

2 r2 − U

= m

2 (−Aω sin (ωt)− x)2 − k

2x2

= 12m

(x2 +A2ω2 sin2 (ωt)− 2Aωx sin (ωt)

)− k

2x2

La ecuación de Euler Lagrange queda entonces

d

dt

(∂L

∂x

)= ∂L

∂x

mx−mAω2 cos (ωt) = −kx

Listo.

Guía 2 ejercicio 5

El esquema es como sigue

m

phi

M

x

Los pasos son como anotamos más arriba: primero escribir el lagrangiano en un sistema inercial. En este caso no hayproblema porque x está referida a un sistema inercial ,. La posición de la pelotita es entonces

rM = (x+ ` sinφ) x− ` cosϕ y

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3 LAGRANGIANO

La energía potencial es

U = Uresorte + Ugravedad

= k

2x2 −mg` cosφ

El lagrangiano es entonces (todas las masas están mal, cambió todo)

L = T − U

= 12mr

2m + 1

2M r2M − U

= m

2

[(x+ `φ cosφ

)2 + `2φ2 sin2 φ]

+ M

2 x2 +mg` cosφ− k

2 x2

= M +m

2 x2 + +m`xφ cosφ+mg` cosφ− k

2x2 + m

2 `2φ2

Ahora sí planteamos Euler Lagrange ∂L

∂x= d

dt

(∂L

∂x

)∂L

∂φ= d

dt

(∂L

∂φ

)y lo que se obtiene es

(M +m) x+M`(φ cosφ− φ2 sinφ

)= −kx

M(`φ+ x cosφ

)= −Mg sinφ

El ítem b) del ejercicio es linealizar el sistema.

Guía 2 ejercicio 2

Este va por mi cuenta, no lo hicimos en clase. Por lo que entiendo el esquema es el siguiente:

x

El lagrangiano es L = T − U . La energía cinética en este caso es

T = 12mx

2 + 12Iω

2

donde I es el momento de inercia de la rueda. Las coordenadas x y ω se relacionan según

ωR = x

y entoncesT = 1

2(m+R2I

)x2

La energía potencial esU = −mgx

y entonces el lagrangiano del sistema esL = 1

2(m+R2I

)x2 +mgx

y la ec. de Euler Lagrange es

∂L

∂x= d

dt

(∂L

∂x

)mg =

(m+R2I

)x

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3 LAGRANGIANO

Guía 2 ejercicio 4

Este ejercicio va por mi cuenta, no lo hicimos en clase. Esquema:

theta

y

R+l

Para encontrar el lagrangiano primero hay que escribir la energía cinética y potencial, ambas referidas a un sistemainercial. La energía cinética del sistema es

T = Tdisco + Tpéndulo

La del disco es fácil de escribir, es simplementeTdisco = 1

2Iθ2

La del péndulo es más bardera. Vamo a verTpéndulo = 1

2mr2

donde r es la posición del péndulo con respecto al centro de la rueda (un sistema inercial). Esta posición es

r = rO→m = rO→P + rP→m= (R cos θ x+R sin θ y) + (` sinφ x+ ` cosφ (−y))= (R cos θ + ` sinφ) x+ (R sin θ − ` cosφ) y

Entoncesr =

(−Rθ sin θ + `φ cosφ

)x+

(Rθ cos θ + `φ sinφ

)y

La energía cinética queda

Tpéndulo = 12mr

2

= 12m

[R2θ2 sin2 θ + `2φ2 cos2 φ− 2R`θφ sin θ cosφ+ . . .

· · ·+R2θ2 cos2 θ + `2φ2 sin2 φ+ 2R`θφ cos θ sinφ]

= 12m

[R2θ2 + `2φ2 + 2R`θφ (− sin θ cosφ+ cos θ sinφ)

]La energía potencial es

U = Udisco + Upéndulo

= mdiscog (R+ `) +mgy

= mdiscog (R+ `) +mg (R+ `+R sin θ − ` cosφ)= mdiscog (R+ `) +mg [R (1 + sin θ) + ` (1− cosφ)]

El lagrangiano queda entonces

L = T − U

= 12m

R2θ2 + `2φ2 − 2R`θφ

sin(θ−φ)︷ ︸︸ ︷(− sin θ cosφ+ cos θ sinφ)

− . . .· · · −mdiscog (R+ `)−mg [R (1 + sin θ) + ` (1− cosφ)]

Lagrangiano chequeado en consulta en clase X.Los resueltos de

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3 LAGRANGIANO

Guía 2 ejercicio 7

Teorema de Noether. Relaciona las simetrías de un sistema con cantidades conservadas. Para poder aplicarlo hay quetener en cuenta tres consideraciones:

1. Trabajar en un espacio plano (euclídeo, con tensor de Riemman nulo Rδµνλ = 0).

2. Los lagrangianos tienen que ser invariantes frente a un cambio de coordenadas. Esto es L (qi, qi) = L (q′i, q′i) y esjustamente la simetría que queremos explotar. Esto es solo aplicable para mecánica clásica. En electromagnetismoparece que esta no es válida.

3. Que las acciones sean iguales ante la transformación de coordenadas, esto es S = S′. Esta dijo que no la vamos a usaren esta materia.

Ahora sí hacemos el ejercicio. Para ello nos piden demostrar que si hacemos el cambio de coordenadas (r0, θ0, φ0) →(r0, θ0, φ0 + ε) entonces el lagrangiano no se altera, es decir que L (r0, θ0, φ0) = L (r0, θ0, φ0 + ε). Necesitamos mostrarentonces que

N∑i=1

∂L

∂φi= 0

La notación del ejercicio es media chota, parece que (r0, θ0, φ0) en realidad es (r1:N , θ1:N , φ1:N ). Pero bueno, es lo que hay.Mandó entonces la definición de derivada para el lagrangiano

lımε→0

L (r0, θ0, φ0 + ε)−L (r0, θ0, φ0)ε

= 0

Bueno, no terminé de entender bien. La cosa es que es lo de la ecuación de Euler-Lagrange

7

0

∂L

∂qi= d

dt

(∂L

∂qi

)⇒ ∂L

∂qi= cte⇒ se conserva

Guía 2 ejercicio 8

El esquemita es como sigue

R

Los resortes siguen el potencial que se da en la consigna. La energía cinética de cada mas a es Ti = mi2 R

2θ2i . El lagrangiano

queda entonces

L =3∑i=1

mi

2 R2θ2i −

k

2R2 (θ1 − θ2)2 − k

2R2 (θ2 − θ3)2 − k

2R2 (θ3 − θ1)2

Es evidente que si se hace la transformación θi → θi + ε esto no se altera.Esto que sigue lo agregué yo. No sé si está bien, pero buen... Tiene buena pinta. Sea un lagrangiano L (q1:n, q1:n, t) =

T (q1:n, t) − U (q1:n, t). Entonces una transformación de la forma q1:n → q′1:n = q1:n + ε1:n (rígida creo que significa solo undesplazamiento o algo así) tendría el siguiente efecto

L (q′1:n, q1:n, t) = T (q1:n, t)− U (q1:n + ε1:n, t)

Si queremos ver cómo varía el lagrangiano según la transformación como la propuesta, podemos calcular ∂L∂εk

. Dado que Tno depende de ε entonces esto se reduce a analizar el potencial. Es decir

dL

dεk= d

dεk[T (q1:n, t)− U (q1:n + ε1:n, t)]

= − ∂U∂q′k

1︷︸︸︷∂q′k∂ε

= − ∂u

∂q′kLos resueltos de

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3.1 Multiplicadores de Lagrange4 PROBLEMA DE IMPULSO ANGULAR GENERALIZADO (ELECTROMAGNETISMO)

3.1. Multiplicadores de LagrangeLa idea es recuperar las fuerzas de vínculo. Para ello lo que hacemos es escribir las coordenadas del lagrangiano en forma

de coordenadas dependientes (o sea, no las independizamos como en el caso de las coord. generalizadas). De esta forma nometemos los vínculos en el lagrangiano y después usamos los multiplicadores de lagrange para recuperarlos.

Según el Taylor entonces (usando la notación de la teórica sección 6) entoncesλ∂f

∂x= x · F vínculo

λ∂f

∂y= y · F vínculo

Guía 2 ejercicio 10

Lo primero que hay que hacer (creo) es escribir el lagrangiano en función de las coordenadas no generalizadas x e y(debido a que tenemos vínculo en x e y). Entonces

L = T − U

= 12m1x

2 + 12m2y

2 +m2gy

La ecuación de vínculo esf(x, y) = x+ y = cte

Entonces planteamos las ecuaciones de Lagrange modificadas

∂L

∂x− d

dt

(∂L

∂x

)+ λ

∂f

∂x= 0

∂L

∂y− d

dt

(∂L

∂y

)+ λ

∂f

∂y= 0

f (x, y) = cte

y buscamos encontrar λ (t). Introduciendo el lagrangiano en cuestión se obtieneλ = m1x

m2g + λ = m2y

x+ y = cte

De ahí se puede obtener todo. Queda quex = − m2g

m1 +m2

y λ = m1x.

4. Problema de impulso angular generalizado (electromagnetismo)Recordamos el problema que había planteado el profesor en la teórica cuyo esquemita es como el siguiente.

inductor

Espira

Batería que se gasta

Ahora vamos a analizar otro problema (o uno parecido, no entiendo bien) en el que hay un campo magnético

B = V0z

Vamos a escribir el lagrangiano de una partícula de carga q restringida a la espira. Éste es:

L = 12mr

2 − q (V − r ·A)

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4 PROBLEMA DE IMPULSO ANGULAR GENERALIZADO (ELECTROMAGNETISMO)

y en este caso V = 0. Lo que vamos a hacer es restringir a r (cilíndricas) con ρ = cte. Tenemos las relaciones del electromag-netismo E = −~∇V − ∂A

∂t

B = ~∇×APara encontrar el lagrangiano L debemos encontrarA en función deB (que es dato). Desarrollando el rotor deA e igualandoa B = B0z termina quedando que

∂Ay∂x

= B0

2

− ∂Ax∂Ay

= B0

2

→ Esto es una de infinitas opciones

Entonces termina quedando que, una de las posibles infinitas posibilidades para el potencial es

A = B0

2

−yx0

Acá no sé bien cómo, si es una ley o simplemente coincidió mágicamente y nos queda cómodo, mandó que

B0

2

−yx0

= B × ρ

donde ρ = xx+ yy. De acá parece que terminó sacando que

A = B0ρ

2 φ

Ahora metemos esto en el lagrangiano L = 12mr

2 − q (V − r ·A) usando la restricción de radio constante y a una alturafija (porque la partícula está en la espira) entonces

r = ρρ+ zz

la derivada esr = ρρ+ ρφφ+ zz

y al hacerlo al cuadrado quedar2 = ρ2 + ρ2φ2 + z2

Metiendo esto y A en el lagrangiano se obtiene

L = 12m

(ρ2 + ρ2φ2 + z2)+ q

B0ρ2

2 φ

Ahora vamos a escribir las ecuaciones de movimiento (Euler Lagrange) para ρ y para φ y se obtienemφ2ρ+ qB0ρφ = mρ

0 = d

dt

(mρ2φ+ qB0ρ

2

2

)︸ ︷︷ ︸

Constante

Vemos que lo que se conserva es un L generalizado que contiene al L mecánico

|Lgeneralizado | = mρ2φ+ qB0ρ2

2nsakodnsaocnaosncakosncoaksncaksomckac

V = Ldi

dt⇒ i(t) = V

Linductanciat

i(t) def=¨

S

J · ds

J = nqv

⇒ i =¨

S

nqv · ds = nqvds

⇒ nqvds = V

Lt⇒ vd = V

Linductancianqst

entonces el momento angular queda

|L | =∑| r × p |

= nRmqvd

= RmqV

Linductqst

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4 PROBLEMA DE IMPULSO ANGULAR GENERALIZADO (ELECTROMAGNETISMO)

Guía 2 ejercicio 6

El lagrangiano es L = T − U . En este caso la energía cinética es

T = 12mv

2

v en cilíndricas→ = 12m

(ρρ+ ρθθ + zz

)2

= 12m

(ρ2 + ρ2θ2 + z2)

= m

2 ρ2 + mΩ2

2 ρ2 + m

2 z2

y la energía potencialU = mgz

por lo que el lagrangiano es

L (ρ, z) = m

2 ρ2 + mΩ2

2 ρ2 + m

2 z2 −mgz

Debido a la restricción de la parábola sabemos que

z = z(ρ) = kρ2 → Vínculo

y z = 2kρρ. Introduciendo esto en el lagrangiano se obtiene

L (ρ) = m

2 ρ2 + mΩ2

2 ρ2 + 2mk2ρ2ρ2 −mgkρ2

La ecuación de movimiento (Euler Lagrange) es entonces

∂L

L ρ= d

dt

(∂L

∂ρ

)mΩ2ρ+ 4mk2ρ2ρ− 2mgkρ = d

dt

(mρ+ 4mk2ρρ2)

mΩ2ρ+ 4mk2ρ2ρ− 2mgkρ = mρ+ 4mk2 (ρρ2 + 2ρ2ρ)

ρ(mΩ2 + 4mk2ρ2 − 2mgk

)= ρ

(m+ 4mk2ρ2)+ 8mk2ρ2ρ

ρ(mΩ2 + 4mk2ρ2 − 2mgk − 8mk2ρ2) = ρ

(m+ 4mk2ρ2)

y de aquí se obtiene

ρ =ρ(Ω2 − 2gk − 4k2ρ2)

1 + 4k2ρ2

= ρa+ bρ2

1 + cρ2

Guía 2 ejercicio 11

(Este va por mi cuenta. Lo consulté en clase y está bien). Empezamos por lo de siempre: L = T −U . La energía cinéticadel péndulo es

T = 12mv

2

v = xx+ yy → = 12m

(x2 + y2)

y la energía potencial del mismo esU = mgy

por lo tanto el lagrangiano esL = 1

2m(x2 + y2)−mgy

El vínculo es, como dice la consigna,f(x, y) = x2 + y2 − r2 = 0→ Vínculo

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4 PROBLEMA DE IMPULSO ANGULAR GENERALIZADO (ELECTROMAGNETISMO)

Las ecuaciones de Lagrange modificadas son

Ecs. de Lagrange modificadas→

∂L

∂x− d

dt

(∂L

∂x

)+ λ

∂f

∂x= 0

∂L

∂y− d

dt

(∂L

∂y

)+ λ

∂f

∂y= 0

por lo que esto queda

Ecs. de Lagrange modificadas→−mx+ 2λx = 0−mg −my + 2λy = 0

Del vínculo f(x, y) sale quedf

dt= 0⇒ df

dt= ∂f

∂xx+ ∂f

∂yy = 2xx+ 2yy = 0

Si vuelvo a derivar respecto al tiempo obtengo

d2f

dt2= 2

(x2 + xx+ y2 + yy

)= 0⇒ x2 + y2 = − (xx+ yy)

Ahora viene alto truco que jamás se me hubiera ocurido, le pregunté al profesor y me dijo que multiplique ambas ecs. deLagrange por x e y y las sume, es decir

−mxx+ 2λx2 = 0−mgy −myy + 2λy2 = 0

⇒ 1 + 2 ⇒ −mgy −m (xx+ yy) + 2λ(x2 + y2) = 0

Ahora juntamos esta cosa con la d2fdt2 y queda

−mgy +m(x2 + y2)+ 2λ

(x2 + y2) = 0⇒ λ =

mgy −m(x2 + y2)

2 (x2 + y2)

Para hacer evidente que esto es la tensión de la soga, calculamos la tensión mediante Newton. El dibujito es

thetaT

mg cos(theta)

r

x

y

(el sistema de coordenadas tiene el origen justo donde de agarra el péndulo). La cuenta es:

F = ma

Fradial = macentrípeta

T −mg cos θ = mv2

r

T = mgy

r+m

x2 + y2

r

T = mgy

x2 + y2 +mx2 + y2

x2 + y2

Se puede comparar la expresión obtenida para λ y la de T

Coinciden salvo una constante multiplicativa→

λ =

mgy −m(x2 + y2)

2 (x2 + y2)

T =myy +m

(x2 + y2)

x2 + y2

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5 GUÍA 3: DOS CUERPOS

5. Guía 3: dos cuerposGuía 3 ejercicio 5

Llegué tarde y ya lo tenían casi liquidado al problema. El lagrangiano parece que le quedó

L = 12m1r

21 + 1

2m2r22 −

12k (| r1 − r2 | − `)2

No logré sacar nada más del pizarrón. Copio algunas fórmulas más sueltas, por las dudas que me pueda servir en algúnmomento, aunque lo dudo:

Lµ = 12µr

2 − k

2 (r − `)2

Como el movimiento es en el plano entonces L = cte y etonces

Lµ = µ

2(r2 + r2φ2)− k

2 (r − `)2

y la ecuación de Euler Lagrange es

∂L

∂φ= 0

= d

dt

(∂L

∂φ

)⇒ µr2φ = `z

Acá dijo algo del potencial efectivo

X^2centrifugo

efctivo

La otra ecuación de Euler Lagrange termina quedando

µrφ2 − k (r − `) = µr

y combinando las dos o haciendo no sé qué mandó

r = R→ 0 = µRφ2 − k (R− `)

y mandó

φ =

√k (R− `)µR

` = 0→ φ =

√k

µ

Ahora no sé por qué mandó φ = 0 y entonces

µr = −k (r − `)→ Oscilador armónico

Al resolver esta ecuación diferencial se obtiene

r(t) = A cos(√

k

µt+ φ

)+ `

donde φ me parece que es otra fase nada que ver con el φ coordenada. Lo que se observa es que la

ωrotación = ωoscilación

Guía 3 ejercicio 1

Lo resolvió planteando el momento angular directamente como en física 1:

`1 = r1 × p1

Desde el CM→ =(m2

Mr)×m1

(m2

Mr)

= m2

Mµr × r︸ ︷︷ ︸

L

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5.1 Cosas sobre elipses 5 GUÍA 3: DOS CUERPOS

Guía 3 ejercicio 2

Esta es mi versión. Sean dos partículas con posiciones ri que interactúan mediante el potencial U = 12k (r1 − r2)2. El

lagrangiano es

L = T − U

= 12m1r

21 + 1

2m2r22 −

12k (r1 − r2)2

Ahora aplicamos el cambio de coordenadas que vimos en la teórica:r = r1 − r2

R = m1r1 +m2r2

m1 +m2

⇐⇒

r1 = R+ m2

Mr

r2 = R− m1

Mr

y entonces el lagrangiano se convierte en

L = 12m1

(R+ m2

Mr)2

+ 12m2

(R− m1

Mr)2− 1

2kr2

= 12MR

2 +(m1m

22

2M2 + m2m21

2M2

)r2 − 1

2kr2

Definiendo µ def= m1m2M se obtiene

L = 12MR

2︸ ︷︷ ︸LM

+ µ

2 r2 − 1

2kr2︸ ︷︷ ︸

Se observa que el problema queda dividido en dos tal como vimos en la teórica. El LM es la partícula libre, no es el que nosinteresa. Consideramos, tal como propone la ayuda del ejercicio, r = xx+ yy y entonces

Lµ = µ

2(x2 + y2)− k

2(x2 + y2)

Ahora planteamos las ecs. de Euler-Lagrange que dan origen a− kx = µx

− ky = µy

y cuyas soluciones son x = Ax cosωt+Bx sinωty = Ay cosωt+By sinωt

donde ω =√

kµ .

Ahora el problema es simplemente matemático: hay que mostrar que esas cosas son elipses. Para ello hay una serie detrucos. Lo primero es reemplazar ωt = θ. Lo segundo es simplificar la cosa y considerar Bx = Ay = 0 para que los ejes de laelipse queden alineados con los ejes y todo sea más simple. Entonces nos queda

x = A cos θy = B sin θ

Ahora usamos cos2 + sin2 = 1 y entonces

cos θ2 + sin θ2 = x2

A2 + y2

B2 = 1

Listo, esta es la ecuación de la elipse con semiejes A y B centrada en cero que nos enseñaron en análisis del CBC.

5.1. Cosas sobre elipsesLa definición de la elipse es esa de que la suma de la distancia que tiene cada punto hasta los focos es constante.

b

a c

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5.1 Cosas sobre elipses 5 GUÍA 3: DOS CUERPOS

Se define la excentricidad de la elipse como

ε = c

a→ Excentricidad de la elipse

donde c es la distancia desde el medio de la elipse hasta uno de los focos y a es el “radio mayor”. En términos del eje menorb se satisface

ε =√

1− b2

a2

La fórmula de la elipse es

Elipse→

(x− x0)2

a2 + (y − y0)2

b2= 1 Cartesianas

r (θ) = b√1− ε2 cos2 θ

= 1√cos2 θa2 + sin2 θ

b2

Polares

Guía 3 ejercicio 2

Esta es la versión de la clase. Lo primero que hacemos al plantear el problema es meter el cambio de coordenadas típicor = r1 − r2

R = m1r1 +m2r2

m1 +m2

⇐⇒

r1 = R+ m2

Mr

r2 = R− m1

Mr

y a continuación hizo exactamente lo que yo pero le quedó

L = 12MR

2︸ ︷︷ ︸LM

+ µ

2 r2 − 1

2kr2︸ ︷︷ ︸

Ahora pasamos esto a cartesianas y queda

Lµ = µ

2(x2 + y2)− k

2(x2 + y2)

Lo que hacemos a continuación es escribir las ecs. de Euler Lagrange que terminan quedando

Euler-Lagrange→µx+ kx = 0µy + ky = 0

La solución de esto es

Solución→x = Ax cos (ωt) +Bx sin (ωt)y = Ay cos (ωt) +By sin (ωt)

Ahora lo que falta simplemente es mostrar que eso es una elipse. Para eso usamos que

r1 = m2

MA cos (ωt)︸ ︷︷ ︸x1

x+ m2

MB sin (ωt)︸ ︷︷ ︸y1

y

No sé de dónde sacó eso (mandó algo de que las fases del cos y el sin las sacó porque asumió que son nulas o algo así, es paraque la elipse no quede rotada). De ahí se puede despejar

x1M

m2A= cos (ωt)

y1M

m1B= sin (ωt)

Ahora usamos sin2 + cos2 = 1 y entonces

M2

m22A

x21 + M2

m21B

y21 = 1→ Es una elipse

Ahora vamos a resolver el problema usando otro camino, planteando conservación de energía y de momento angular. Estoes

E = T + U → Se conservaLos resueltos de

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5.1 Cosas sobre elipses 5 GUÍA 3: DOS CUERPOS

Si estamos en el centro de masa entoncesE = µ

2(r2 + r2φ2)+ k

2 r2

El momento angular esLz = µr2φ

Usando esas dos cosas se obtiene r =

√2µ

(E − U)− L2z

µ2r2

φ = Lzµr2

Integrando esas dos cosas (o algo así) mandó

∆φ =ˆ

Lz dr

r2√

2µ (E − U(r))− L2z

r2

Ahora reemplazó (creo) el potencial U(r) por la fórmula para el resorte y entonces

∆φ =ˆ

Lz dr

r√−kµr4 + 2µEr2 − L2

z

Ahora hacemos el cambio de variables (para resolver la integral)

z = r2

dz

z= 2dr

r

y queda todo en términos de z, se obtiene

∆φ = Lz2

ˆdz

z√−kµz2 + 2µEz − L2

z

Esa integral sale de tablas. Lo que resulta es

∆φ = 12 arcsin

(2µEz − 2L2

z

| z |√

4µ2E2 − 4kµL2z

)

De esa basura lo que hay que hacer es despejar z y luego r... Parece que queda (quizás falta alguna constante dijo)

r2 =L2z

µE

1−√

µ2E2−kµL2z

µE sin (2∆φ)

Esto ya tiene la forma de la ecuación de la elipse que vimos hace un rato (ver más arriba). Lo que hay que usar es unaidentidad trigonométrica. Primero pedimos que en ∆φ = φ−φ0 el φ0 = π

4 para poder simplificar un poco. Considerando esose obtiene que sin (2∆φ) = − cos (2φ). Ahora usamos la “fórmula del doble ángulo” que es

cos (2θ) = cos2 θ − sin2 θ → Fórmula del doble ángulo

y usando eso queda quesin (2∆φ) = 1− 2 cos2 φ

Al meter eso en la ecuación de r2 se obtiene algo de la forma r = b√1−ε2 cos2 θ

que es justamente una elipse.

Guía 3 ejercicio 3 (parecido)

Vamos a hacer el ejercicio 3 pero considerando el potencial efectivo del problema 2. En tal caso el potencial efectivo es

Uefectivo = L2

2µr2 + k

2 r2

Para hallar el radio de las órbitas circulares lo que hay que hacer es buscar el mínimo de Uefectivo. Para probar que la órbitaes estable lo que hay que hacer es probar que ∂U

∂r alcanza un mínimo. Se termina obteniendo que

r0 =(L2z

µk

)1/4

Para la estabilidad se puede verificar que ∂2U∂r2 > 0.

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5.1 Cosas sobre elipses 5 GUÍA 3: DOS CUERPOS

Guía 3 ejercicio 6

Debido a que mtierra ≫ msatélite entonces considero que el centro de la tierra se ubica justo en el foco de la elipse. Estoimplica que, considerando el siguiente esquema

b

a c tierra

perigeoapogeo

se satisface dperigeo = a− cdapogeo = a+ c

por lo tanto a = dapogeo + dperigeo

2

c = dapogeo − dperigeo2

La excentricidad se define como

εdef= c

a

= dapogeo − dperigeodaopgeo + dperigeo

Notar que las d son las distancias al foco de la elipse, es decir al centro de la tierra. O sea que hay que reemplazar a cada dpor di = R+ hi donde R es el radio de la tierra y hi la altura del satélite respecto a la superficie.

Ahora se pide encontrar b (ver dibujito más arriba). Para ello usamos la relación

ε =√

1− b2

a2

por lo tantob = a

√1− ε2

Nota Era más lindo plantear a ecuación de la elipse en polares, r = cte1+ε cosφ , y de ahí despejar todo.

Guía 3 ejercicio 4

Resolución mía en casa. La tercera ley de Keppler dice que

T 2

a3 = cte

donde T es el período orbital y a es el semieje mayor de la elipse que describe la órbita. Ésta constante de proporcionalidadcreo que es la que mencionan en la consigna. Sería

cte =

4π2

CMAproximando M m

4π2

G (M +m) Constante exacta

Para probar esto planteamos el problema de dos cuerpos que se orbitan y calculamos T 2

a3 . El lagrangiano queda, de acuerdoa lo que vimos en la teórica,

Lµ = µ

2 r2 − GmM

| r |

donde µ = mMM+m . Recordando que el movimiento está en un plano entonces escribimos a r en cartesianas y el lagrangiano se

convierte enLµ = µ

2(x2 + y2)− GmM√

x2 + y2

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5.1 Cosas sobre elipses 5 GUÍA 3: DOS CUERPOS

Las ecs. de Euler-Lagrange son GmM

(x2 + y2)3/2x = µx

GmM

(x2 + y2)3/2y = µy

No sé si fue buena idea plantearlo en cartesianas. Si lo vuelvo a pasar a polares quedaEl lagrangiano en polares queda

Lµ = µ

2(r2 + r2θ2)− GmM

ry entonces las ecs. de Euler-Lagrange son µrθ2 + GmM

r2 = µr

µr2θ = ` = cteIntroduciendo la segunda en la primera se obtiene

µ`2

µ2r3 + GmM

r2 = µr

La solución de esto implica varios trucos que no creo que sean de interés en este momento. En la teórica vimos que la soluciónde esa ecuación diferencial es

r = c

1 + ε cos θ

θ = `

µr2 t

cdef= `2

GmMµ

εdef= A`2

GmMµ

Preguntar cómo se resuelve.

Guía 3 ejercicio 7

El potencial que genera esta fuerza esU(r) = −k

r+ λ

2r2

por lo tanto el lagrangiano resulta

L = T − U

= m

2(r2 + r2θ2)+ k

r− λ

2r2

donde usé que r2 = r2 + r2θ2 en polares. Las ecuaciones de Euler-Lagrange sonmrθ2 − k

r2 + λ

r3 = mr

mr2θ = `

donde ` es el momento angular. Introduciendo la segunda en la primera se obtiene

`2 + λ

mr3 −k

r2 = mr

Ahora hago lo que hizo el profesor en la teórica, toda una seguidilla de trucos matemáticos, a ver si funciona. Como el ` seconserva entonces θ(t) es una función monótona. Esto nos permite hacer t = t(θ). De esta forma se puede hacer el truco

d

dt= θ

d

` es constante→ = `

mr2d

Entonces

r = `

mr2dr

Esto hicimos en la teórica→ = − `

m

d (1/r)dθ

(para ver que eso es válido se puede hacer simplemente la operación del final y ver que se recupera la primera).Los resueltos de

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6 SISTEMAS NO INERCIALES

6. Sistemas no inercialesGuía 4 ejercicio 1

Vamos a usar la notación de que δ0 Sistema inercialδ Sistema no inercial

Entonces tenemos que mr0 = F y que r0 = r +R por lo tato mr = F −mA = F − F ficticia. En el caso de un auto con unpéndulo tenemos

theta

L

m

A

g

Ag_efe

ctivo

y vemos que aparece una especie de gefectiva haciendo

mr = T +mg −mA= T +m(g −A)︸ ︷︷ ︸

gefectiva

Usando esto se puede plantear el 1.

Guía 4 ejercicio 2

El esquemita es el siguiente

d0

d r

m

O'O

y sobre la masa m tenemos ∑F = mg − GMLm

d2 d+ F no gravitatoria

donde hemos usado F gravedad terrestre ≈ mg porque se supone que estamos en la superficie terrestre. Respecto de la luna(sistema O′) el sistema O se mueve con

A = −GML

d20d0

No termino de entender qué estamos haciendo, pero mandó

mr = mg − GMLm

d2 d+ F no gravitatoria

=(−GMLm

d20

d0

)= mg −GMLm

(d

d2 −d0

d20

)︸ ︷︷ ︸

F tidal

+ F no gravitatoria

Con esto aparentemente se demuestra que hay dos mareas por día, porque la interacción con la luna hace que los marestengan esta pinta:

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6.1 Rotaciones 6 SISTEMAS NO INERCIALES

O'O

mareas

Ahora puso que el ejercicio pide que d = x = d0 por lo tanto

1. En el punto más cercano se obtiene

d = d0 −Rtierra

= d0

(1− Rtierra

d0

)ahora definimos ε def= RT

d0y entonces

d−2 = d−20 (1− ε)−2 ≈ d−2

0

(1 + 2RT

d0

)y entonces las fuerzas de marea (creo) son

F tid = −GMLm

[d−2

0

(1 + 2RT

d0

)− d−2

0

]x = −2GMLmRT

d30

x

Reemplazando todos los números por sus valores obtuvo que

FtidFgravitatoria

≈ 1− 2× 10−7

2. En el punto más alejado se obtiene que d = RT + d0 y entonces

F tid = 2GMLmRTd3

0x

Si se hace un modelo recontra simple de la tierra, como que es una pelota de agua, se termina obteniendo que la diferenciade alturas que existe entre la marea alta y la marea baja es de 54 cm. Si se tiene en cuenta además la interacción con el sol,entonces se producen mareas de 25 cm (solo por el sol). Si consideramos las dos interacciones a la vez, entonces cuando laluna y el sol se alinean ocurren las mareas extraordinarias y etc.

6.1. RotacionesSupongamos un vector e que gira alrededor de un eje respecto de un sistema inercial. Entonces se satisface

de

dt= Ω× e

Por ejemplo si e = r entonces se tiene el siguiente dibujito

rtheta

Omega

y en cuentitas se tiene que r = ρρ+ zz, Ω = Ωz, por lo tanto

v = dr

dt

= ρ ˙ρ= ρΩφ= Ω× r

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6.1 Rotaciones 6 SISTEMAS NO INERCIALES

Si Q es un vector entoncesQ =

∑Qiei

por lo tantodQ

dt

⌋no inercial

=∑ dQi

dtei

donde los ei son los fijos al sistema de referencia no inercial. Desde el sistema sí inercial, los ei varían en el tiempo (porqueestán en el no inercial) y entonces

dQ

dt

⌋sí inercial

=∑ dQ

dtei +

∑Qi

deidt

⌋sí inercial

=∑ dQi

dtei +

∑Qi (Ω× ei)

=∑ dQi

dtei + Ω×Q

y se termina obteniendo como conclusión que

dQ

dt

⌋sí inercial

= dQ

dt

⌋no inercial

+ Ω×Q

Toda la teoría del amigo Newton se convierte en

F = md2r

dt2

⌋sí inercial

= mdr

dt

⌋sí inercial

dr

dt

⌋sí inercial

y de aquí surgen las fuerzas ficticias.

Guía 4 ejercicio 9

Resuelto en clase. El esquema es el que sigue

z_versor

Omega

theta

y vamos a considerar unos ejes cartesianos igual que si estuvieramos parados en la tierra, tal como se muestra en la figura.La ecuación de Euler queda

mr = mg + 2mr ×Ω

donde la fuerza centrífuga la despreciamos frente a coriolis. La velocidad angular queda escrita en el sistema de coordenadas

como Ω =

0Ω sin θΩ cos θ

y entonces el producto vectorial con una velocidad genérica es

r ×Ω =

v0yΩ cos θ − V0zΩ sin θ−v0xΩ cos θv0xΩ sin θ

y entonces las ecs. de movimiento quedan

x = 2Ω (vy cos θ − vz sin θ)y = −2Ωvx cos θz = −g + 2Ωvx sin θ

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7 CUERPO RÍGIDO

(la verdad que no sé si están bien porque estaba muy desprolijo en el pizarrón). La idea ahora es ir aproximando Ω a distintosordenes. A orden cero queda

Ω a orden cero→

x = 0y = 0z = −g

por lo tanto queda x = v0xt

y = v0yt

z = −g2 t2 + v0zt

Ahora no sé qué estamos haciendo pero mandóx = 2Ω (v0y cos θ − (gy + v0z) sin θ)y = −2Ωv0x cos θz = −g + 2Ωv0x sin θ

y ahora parece que las soluciones que dan en la consigna son las soluciones de eso... No entendí.

7. Cuerpo rígidoEl tensor de inercia se define según (Goldstein)

Iαβ =˚

V

ρ (r)(δαβr

2 − rαrβ)dr3

donde α, β ∈ x, y, z son las distintas componentes de cada cosa y ρ es la densidad del cuerpo. En este ejercicio la densidades

ρ (r) = mδ (x− a) δ (y) δ (z) + 2mδ (x) δ (y − a) δ (z − a) + 3mδ (x) δ (y − a) δ (z + a)donde δ (x) son deltas de Dirac. Entonces

Ixx = m(a2 − a2)+ 2m

(2a2)+ 3m

(2a2)

= 12ma2

Iyy = m(a2)+ 2m

(2a2 − a2)+ 3m (. . . )

Ya me cansé, son solo cuentas.Según lo que hicieron en la clase las respuestas son

I =

10 0 00 6 10 1 6

ma2

expresado en los ejes xyz. Para encontrar los ejes principales (o algo así) lo que hacemos es diagonalizar esta matriz planteando

I Ω = λΩ

Al hacer eso se obtienen unos autovectores en Ω y éstos son los ejes principales del cuerpo.

7.1. Ángulos de EulerLo vamos a introducir para el ejercicio 4. Supongamos un trompo, entonces los ángulos de Euler son

x

y

z

x3

x1

x2

theta

N

phi

psi

Ejes principales

phi psi

theta

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7.1 Ángulos de Euler 7 CUERPO RÍGIDO

donde la línea N es la intersección del plano xy con el plano x1x2. Los ejes x1, x2 y x3 son los ejes principales del cuerpo.Parece que la velocidad angular Ω se puede escribir en los ejes principales como

Ω =

x1) φ sin θ sinψ + θ cosψx2) φ sinφ cosψ − φ sinψx3) φ cos θ + ψ

→ Creo que está mal...

Ω =

x1 φ sin θ sinψ + θ cosψx2 φ sin θ cosψ − θ sinψx3 φ cos θ + ψ

→ Goldstein.

donde esas componentes de Ω se obtienen planteando algo así como

En eje x1 →

θ1 = θ cosψφ1 = φ sin θ sinψψ1 = 0

y así se hacen uno para cada uno de los ejes y se obtiene el Ω.

Guía 5 ejercicio 4

Recordamos el lagrangiano para un cuerpo que rota (sin contar el centro de masa) que es

L = 12I1Ω2

1 + 12I2Ω2

2 + 12I3Ω2

3 − U

Ahora tenemos que reemplazar los Ωi por lo de antes y U = MgR cos θ. Introducimos además que I1 = I2 6= I3 (por lasimetría del trompo) y haciendo toda la cuentita se obtiene

L = 12(I1 +MR2) (φ2 sin2 θ + θ2)+ 1

2I3(φ cos θ + ψ

)−MgR cos θ

(ver los ángulos en el esquemita de más arriba). Vemos que φ y ψ son coordenadas cíclicas ya que solo aparecen sus velocidades,por lo que habrá cantidades que se conservarán, una asociada a cada coordenada. Si imponemos ahí θ = 0 entonces se obtieneque L3 = Lz donde Lz es el momento asociado a φ y L3 el asociado a ψ, es decir

∂L

∂φ= Lz

∂L

∂ψ= L3

Haciendo cada cuentita se obtiene Lz =

(I1 +MR2) φ sin2 θ + I3

(φ cos θ + ψ

)cos θ

L3 = I3(φ cos θ + ψ

)El potencial efectivo que figura en la consigna se obtiene escribiendo la energía total E = T +U y reemplazando los distintosángulos (o velocidades) que aparecen despejando de las ecuaciones anteriores (o sea usando Lz y L3). Haciendo esa cuentase obtiene el potencial efectivo.

Guía 5 ejercicio 6

Tenemos un cuerpo con I1 6= I2 6= I3. Lo que vamos a ver ahora es el “teorema de la raqueta de tenis” (en Google). Siestamos en el centro de masa entonces la gravedad no hace torque .

Hacemos un paréntesis: Vamos a usar las ecuaciones de Euler (ver teórica). Si nos paramos en un sistema inercial δ0 enun punto fijo del cuerpo rígido o bien en el centro de masa, entonces tenemos que

dL

dt

⌋δ0

= Ncδ0

Si ahora nos pasamos a un sistema no inercial δ que rota junto con el cuerpo entonces

dL

dt

⌋δ0

= dL

dt

⌋δ

+ ω ×L = N

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7.1 Ángulos de Euler 7 CUERPO RÍGIDO

Ahora hacemosL+ ω ×L = N

y tambiénL = Iω

Usando esas dos ecuaciones se llega a (las ecs. de Euler creo)I1ω1 − ω2ω3 (I2 − I3) = N1

I2ω2 − ω3ω1 (I3 − I1) = N2

I3ω3 − ω1ω2 (I1 − I2) = N3

Ahora salimos del paréntesis que habíamos hecho. Dijimos que como en el sistema CM la gravedad no hace torque entoncesN = 0 y por lo tanto metemos eso en las ecs. de Euler. Lo que se obtiene es que

ωi = 0⇒ ω3 = cte

“si un cuerpo sujeto a torque nulo está rotando inicialmente alrededor de uno de los ejes principales entonces lo seguiráhaciendo con ω = cte. Si no estoy alrededor de un eje principal, entonces al menos dos de los ωi 6= 0 por lo que sobreviveuna de las ecs. de Euler y entonces ω = cte.

Ahora lo que hacemos es poner al cuerpo a rotar alrededor de un eje principal y le “pego una patadita”, o sea que le doyω1 y ω2. En este caso, ¿seguirá rotando cerca de donde empezó? ¿Será estable?. Empezamos en t = 0 con

t = 0→

ω3 6= 0ω1 = ε1

ω2 = ε2

En la ec. de Euler (no sé cuál) tenemos que

I3ω3 = ε1ε2 (I1 − I2) ∼ O(ε2)→ Lo desprecio⇒ ω3 = cte

A continuación usamos otra ecuación (no sé cuál) y entonces

ω1 = ω2ω3I2 − I3I1

→ ω1 = ω2ω3I2 − I3I1

=(ω3ω1

I3 − I1I2

)ω3I2 − I3I1

Si lo reescribimos un poco nos queda

ω1 = (I2 − I3) (I3 − I1)I1I2

ω23︸ ︷︷ ︸

α

ω1

= αω1

Para ω2 se obtiene lo mismo, es decir queω2 = αω2

Entonces el movimiento será estable ⇐⇒ α < 0 así oscila. Entonces tenemos que pedir que

α < 0 ⇐⇒ (I2 − I3) (I3 − I1) < 0 ⇐⇒ I3 > I2 y I3 > I1 o I3 < I2 y I3 < I1

Esto nos dice que I3 debe ser el mayor o el menor de los momentos de inercia. En tal caso ω1 es oscilatorio.Vamos a ver un ejemplo con una paleta de ping pong (porque ya que es el teorema de la raqueta de tenis...). Consideremos

la siguiente paletaI1

I2

I3

Tenemos que I1 < I2 < I3. Acá hizo unas demostraciones copadas sobre cómo gira la paleta de ping pong.Los resueltos de

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7.1 Ángulos de Euler 7 CUERPO RÍGIDO

Guía 5 ejercicio 5

El esquemita es

alpha

Ω

AB

La energía cinética es

T = TA + TB

= Trotación A + Trotación B + Ttraslación B

= ΩIAΩ2 + ΩIBΩ

2 + 12Mv2

CM

Debido a que TA es una constante, nos podemos olvidar porque no va a influir en absolutamente nada en las ecuaciones demovimiento. La energía potencial es

U = MgyCM

Lo complicado ahora es ver cómo escribir el Ω en términos de los ejes principales del cuerpo para que nos Trotación 2 nosquede bonito. Empezamos calculando el tensor de inercia en los ejes principales. Para eso usamos la definición

Iij =˚

V

ρ (r)(δijr

2 − rirj)d3r

Entonces haciendo las cuentitas

I33 =

b/2ˆ

−b/2

a/2ˆ−a/2

M

ab

(x2 + y2) dx dy

= M

12(a2 + b2

)

I11 = M

ab

b/2ˆ

−b/2

a/2ˆ

−a/2

y2 dx dy

= Ma2

12

I22 = M

ab

a/2ˆ

−a/2

b/2ˆ

−b/2

x2 dx dy

= Mb2

12

Entonces el tensor de inercia es

I = M

12

a2

b2

a2 + b2

Ahora usamos la expresión general de los ángulos de Euler para expresar el Ω:

Ω =(φ sinψ sin θ + θ cosψ

)e1 +

(φ cosψ sin θ − θ sinψ

)e2 +

(φ cos θ + ψ

)e2

En éste ejercicio tenemos que α = θ. Además φ = Ωt. Y además ψ = 0 porque la placa está fija con una bisagra a la placaA. Entonces

Ω = αe1 + Ω sinαe2 + Ω cosαe3

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7.1 Ángulos de Euler 7 CUERPO RÍGIDO

Ahora escribimos la energía cinética de rotación según

Trotación B = ΩIBΩ2

= 12

αΩ sinαΩ cosα

M12

a2

b2

a2 + b2

αΩ sinαΩ cosα

= M

24

αΩ sinαΩ cosα

a2αb2Ω sinα(

a2 + b2)

Ω cosα

= M

24(a2α2 + b2Ω2 sin2 α+

(a2 + b2

)Ω2 cos2 α

)= M

24(a2 (α2 + Ω2 cos2 α

)+ b2Ω2)

La posición del centro de masa (para la energía cinética de traslación) es

RCM =(a

2 + a

2 cosα)ρ+ a

2 sinαz

y entonces la velocidad esRCM = −a2 α sinαρ+ a

2 (1 + cosα) Ωθ + a

2 α cosαz

Entonces la energía del centro de masa queda

U = 12MR

2CM

= M

2a2

4

[α2 + (1 + cosα)2 Ω2

]El lagrangiano entonces es

L = T − U

= Ma2

8

[α2 + (1 + cosα)2 Ω2

]+ M

24[α2 (α2 + Ω2 cos2 α

)+ b2Ω2]−Mg

a

2 sinα

Se pueden cancelar algunas cosas que no aportan, todo lo que no depende de α ni de α.

Problema 10 de la guía vieja

Sea lo del siguiente esquema:

a

A

B

theta

phi

longitud ele minúscula

e1

e2e3

La barra roja gira, la esfera no, siempre apoyada sobre la esfera. Los puntos A y B pueden deslizarse: A siempre sobre eleje y B siempre apoyado en la esfera. La barra tiene una masa m y no hay rozamiento. El objetivo es simplemente escribirel lagrangiano.

Entonces

L = T − U= Trotación + Tdesplazamiento − Ucentro de masa

= ΩI Ω2 + m

2 r2

donde I es el tensor de inercia de la barrita, y r la posición de su centro de masas. Me parece que la barra solo tiene dosgrados de libertad: uno de rotación y el otro la altura del punto A. Se pueden usar entonces los ángulos θ y φ para describirla configuración del problema.

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7.1 Ángulos de Euler 7 CUERPO RÍGIDO

El tensor de inercia descripto en los ejes principales de la barrita es

I = m`2

12

1 0 00 1 00 0 0

donde los ejes I1 e I2 son perpendiculares a la barra y el eje I3 es colineal a la misma (que tiene un espesor nulo). Ahoraescribimos Ω en forma general y luego la pasamos a los ángulos de Euler. La velocidad angular es

Ω = φz + θe1

y ahora lo que hacemos es pasarla a una expresión en términos de los ejes principales del cuerpo para poder multiplicarlacon el tensor de inercia que encontramos. Creo que para esto usamos las ecs. de Euler. Usó que

z = − sin θe2 + cos θe3

y entoncesΩ = θe1 − φ sin θe2 + φ cos θe3

Ahora simplemente hay que hacer la cuentita ΩI Ω para obtener la energía cinética.Ahora vamos a escribir el centro de masa r. Les quedó, en cilíndricas,

r =(

a

sin θ −`

2 cos θ)z + `

2 sin θρ

(no estoy seguro de que hayan usado las mismas variables que yo puse en el esquemita).

Guía 5 parte 2 ejercicio 7

Hecho por mi cuenta. Lo primero que hago es buscar el lagrangiano del sistema

L = T − U= Trotación cilindro

= ωIω

2

donde Ω es la velocidad angular del cilindro y I su tensor de inercia. Para poder efectuar esta operación represento todoen los ejes principales del cilindro en los cuales

En los ejes principales→

I =

I1 I2I3

ω =

x1 φ sin θ sinψ + θ cosψx2 φ sin θ cosψ − θ sinψx3 φ cos θ + ψ

donde esos son los ángulos de Euler según el siguiente esquema

x

y

z

phi

x3

x2x1

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8 HAMILTONIANO

Debido a la restricción que existe sobre el cilindro se tiene que

Restricciones sobre el cilindro→ψ = 0φ = Ω

por lo tanto

ω =

x1 θ

x2 Ω sin θx3 Ω cos θ

y entonces el lagrangiano termina siendo

L = I1θ2

2 + I2Ω2 sin2 θ

2 + I3Ω2 cos2 θ

2La ecuación de movimiento, para la coordenada θ, es

∂L

∂θ= d

dt

(∂L

∂θ

)I2Ω2 sin θ cos θ − I3Ω2 cos θ sin θ = I1θ

por lo tantoθ = I2 − I3

I1Ω2 cos θ sin θ

Debido a que I2 > I3 entonces θ = 0 no es un punto de equilibrio estable. Sí debería serlo θ = π2 . Entonces

en θ = π

2 →

cos θ ≈ π

2 − θ

sin θ ≈ 1

por lo tanto reemplazando θ = π2 + δθ

θ ≈ I2 − I3I1

Ω2 (−δθ)

= I3 − I2I1

Ω2δθ

Ahora sí, cunado I2 > I3 (como en este caso) se obtienen oscilaciones de frecuencia

ωoscilación =√I3 − I2I1

Ω

Solo faltaría calcular los momentos de inercia.

8. HamiltonianoVamos a buscar resolver las cosas de una forma nueva usando otro enfoque. Antes teníamos con Lagrange lo siguiente

L = L (qi, qi, t)⇒ n ecs. de 2do orden → d

dt

(∂L

∂qi

)= ∂L

∂qi

Ahora lo que hacemos es aplicar una transformación (de Legendre o algo así) para llegar a la formulación hamiltoniana endonde

H = H (qi, pi, t)⇒ 2n ecs. de 1er orden →

∂H

∂qi= −pi

∂H

∂pi= qi

En el fondo son exactamente lo mismo, nada más que las segundas son más cómodas. La relación entre H y L viene dadapor la transformación

H = piqi −L

Lo que se usaba para hacer esta transformación es la definición de los pi que era

∂L

∂qi

def= pi

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8 HAMILTONIANO

Guía 7 ejercicio 1

Por ser la primera vez entonces vamos a

1. Calcular el lagrangiano.

2. Calculamos pi = ∂L∂qi

.

3. Obtener el hamiltoniano haciendo H = piqi −L .

Entonces el lagrangiano es

L = T − U= T1 + T2 + Trotación − U

= x2

2

(m1 +m2 + M

2

)− (m2 −m1) gx

donde M es la masa de la rueda. Bien, ahora queremos pasarlo a un hamiltoniano. Para ello usamos

∂L

∂x= p⇒ x

(m1 +m2 + M

2

)= p

por lo tantox = p

m1 +m2 + M2

Ahora reemplazamos ese x en el lagrangiano para que nos quede expresado en la forma L = L (x, p, t) y hacemos la cuenta

H = px−L (x, p, t)

= p

(p

m1 +m2 + M2

)− p2

2(m1 +m2 + M

2)2 (m1 +m2 + M

2

)− (m1 −m2) gx

= p2

2(m1 +m2 + M

2) − (m1 −m2) gx

Observamos que en este caso se obtiene que H = E porque usamos coordenadas naturales (creo que es por eso).Ahora podemos obtener las ecuaciones de movimiento usando las ecuaciones de Hamilton y listo.

Guía 7 ejercicio 2

Si mal no entendí el enunciado el esquema es así:

z

o sea que la pelota está cayendo con una restricción de vínculo que la obliga a seguir una helicoide. La posición de lapelotita es

r = Rρ+ cφz

por lo tanto la velocidad es

r = R ˙ρ+ cφz

= −Rφ+ cφz

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9 TRANSFORMACIONES CANÓNICAS

La energía cinética es

T = m

2 r2

= m

2(R2 + c2φ2)

Guía 7 ejercicio 5

El esquema es

Omega

Solo hay una coordenada generalizada por el hecho de que Ω es constante. Esta coordenada es r. Entonces la energíacinética es

T = m

2(r2 + r2Ω2)

y además, como no hay energía potencial, también es el lagrangiano

L = T − U= m

2(r2 + r2Ω2)

Para resolver el ejercicio lo único que hacemos es calcular H = pq −L y observar que H 6= E. La cuenta es

H = pq −L

= ∂L

∂qq −L

= ∂

∂r

(m2(r2 + r2Ω2)) r − m

2(r2 + r2Ω2)

9. Transformaciones canónicasEn la guía anterior vimos todo lo de hamiltoniano y teníamos las ecs. de Hamilton. Acá vamos a buscar algo que nos diga

cómo hacer para obtener variables que sean cíclicas. No entiendo mucho, pero es algo así como que queremos algo que nosdiga si luego de aplicar una transformación eso que se obtiene aún cumple las ecs. de Hamilton. Anotó esto:

Transformaciones canónicas. “Como H puede ser descripto por varios sets de coordenadas generalizadas⇒ queremos unatransformación que nos lleve a coordenadas cíclicas ⇒ ¿cómo debe ser esta transformación tal que las nuevas coordenadassigan respetando Hamilton?”.

Lo que estamos buscando es algo asíqi

pi

H (q, p, t)→

Qi (q, p, t)Pi (q, p, t)K (Q,P, t)

tal que aún valgan las ecs. de Hamilton

∂K

∂Pk= Qk

∂K

∂Qk= −Pk

Entonces si encontramos una transformación tal que ocurre lo anterior, dicha transformación es canónica con (Q,P ) lasvariables canónicas.

Para ello usamos

δ

t2ˆ

t1

[piqi −H (q, p, t)] dt = 0 = δ

t2ˆ

t1

[QiPi −K (Q,P, t)

]dt

Ahora recordamos que sumar una derivada respecto al tiempo en los integrandos no modificaba nada porque en los extremosse anulaba (o algo así, ver al principio de la materia). La cuestión es que hacemos

λ [piqi −H (q, p, t)] = QiPi −K (Q,P, t) + dF

dt

F Función generatrizλ Transformación de escala

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9 TRANSFORMACIONES CANÓNICAS

El λ no nos importa por lo siguiente: Supongamos que tenemos la transformación dada porQ′k = µQk

P ′k = νPk. Entonces K =

µνH . Si F = 0⇒ λ = µν entonces cumple lo de arriba. Además estaba explicado el por qué no nos importa el λ en el libro.Es algo así como que se puede transformar en forma separada, así

(q, p) λ=1−→ (Q,P ) λ 6=1−→ (Q′, P ′)

entonces logramos lo mismo. En esta materia solo usamos con λ = 1!.Ahora usamos lo siguiente

dF

dt= ∂F

∂xx+ ∂F

∂yy + ∂F

∂zz

λ = 1

y lo metemos en λ [piqi −H (q, p, t)] = QiPi−K (Q,P, t)+ dFdt . Si hacemos esto, como bien nos dice Goldstein, se encuentra

que existen cuatro tipos de transformaciones canónicas que son

1. F = F1 (q,Q, t). En este caso pk = ∂F1∂qk

, Pk = ∂F1∂Qk

y K (q,Q, t) = H + ∂F1∂t .

2. F = F2 (q, P, t)−QkPk. En esta situación se obtiene que pk = ∂F2∂qk

, Qk = ∂F2∂pk

y K = H + ∂F2∂t .

3. F = F3 (p,Q, t) + qkpk y entonces qk = −∂F3∂pk

, Qk = − ∂F3∂Qk

, K = H + ∂F3∂t .

4. F = F4 (p, P, t) + qkPk −QkPk y qk = −∂F4∂pk

, Qk = ∂F4∂Pk

, K = H + ∂F4∂t .

A su vez se pueden encontrar las relaciones entre las Fi entre sí que sonF2 = F1 +QkPk

F3 = F1 − qkpkF4 = F3 −QkPk

En todo esto hubo mucha ambigüedad entre las p minúsculas y las P mayúsculas. Parece que todo esto es exactamente lomismo que lo de los potenciales termodinámicos de F4.

Guía 8 ejercicio 1

Vamos a hacer el ítem segundo. Para probar que es canónica vamos a usar que si existe la F entonces ya está. Vamos atrabajar con F = F1. Como nada depende del tiempo entonces ya lo tiramos y ponemos F1 = F1 (q,Q). Entonces necesitamos

encontrarp (q,Q)P (q,Q)

para luego integrar usando

∂F1

∂qk= pk

− ∂F1

∂Qk

= Pk

. Entonces ahora solo vamos despejando para obtener la p

y la P : Q = ln

(sin pq

)P = q

cos psin p

De la primera sale quep = sin−1 (qeQ)

Ahora la segunda la escribimos como

P = q

√1− sin2 p

sin py reemplazamos sin p = qeQ entonces termina quedando

P =√e−2Q − q2

Ahora que ya tenemos las p y P como función de q y Q lo que hacemos es integrar

p = ∂F1

∂q= sin−1 (qeQ)⇒ F1 (q,Q) =

ˆsin−1 (qeQ) dq + h (Q)

Esa integral parece que daF1 =

√e−2Q − q2 + q sin−1 (qeQ)+ h (Q)

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9.1 Formalismo simpléctico 9 TRANSFORMACIONES CANÓNICAS

Ahora usamos la otra, es decir

P = −∂F1

∂Q√e−2Q − q2 = −

(−e−2Q

2√e−2Q − q2

+ qqeQ√

1− q2e2Q+ h′ (Q)

)o bien, despejando h′ sorprendentemente se obtiene h′ = 0. Listo, ejercicio terminado. Queda que

F1 =√e−2Q − q2 + q sin−1 (qeQ)

Debido a que pudimos encontrar la F1 eso significa que existe F por lo tanto está demostrado que la transformación escanónica.

Ahora, teniendo F1, buscamos F2. Para ello usamos la relación entre las F ’s que en este caso es

F2 (q, P ) = F1 (q,Q (q, P )) +Q (q, P )P

Entonces lo único que necesitamos hacer es hallarQ (q, P ). Para ello volvemos a las ecs. que nos da la consigna

Q = ln(

sin pq

)P = q cot (p)

.

De ahí despejamos p = tan−1(QP

)y entonces se obtiene

Q = ln(

sin pq

)

= ln

sin(

tan−1(qp

))q

jaja, ni chances... = −1

2 ln(q2 + P 2)

Ahora ya está, es reemplazar eso en la formulita de más arriba y hacer la cuentita. Le queda

F2 =√p2 +q

2 −q2 + q sin−1

(q√

q2 + P 2

)− P

2 ln(p2 + q2)

Guía 8 ejercicio 4

El hamiltoniano del oscilador armónico es H = p2+mω2q2

2m . Entonces usamos la transformaciónp = F (P ) cosQ

q = F (P )√mω

sinQ

y de este modo se obtiene

H = F 2 (P )2m

(cos2Q+ sin2Q

)= F 2 (P )

2m

por lo tanto Q es una coordenada cíclica y entonces P = 0 X.

9.1. Formalismo simplécticoParece que condensa la información que hay en el ítem a) del ejercicio 1 de la guía 8, todo ese choclo de derivadas. La

idea de esto es empezar a dejar de lado el análisis matemático y usar álgebra. Entonces vamos a escribir las ecuaciones deHamilton en forma matricial: [

qp

]=[

0 1−1 0

] [∂H∂q∂H∂p

]Ahora definimos

ηdef=[qp

]⇒ η = J · ∂H

∂ηLos resueltos de

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9.2 Corchetes de Poisson 9 TRANSFORMACIONES CANÓNICAS

donde η es algo así como una matriz de transformación, o J , la verdad que no le entendí. Mandó lo siguiente[QP

]=

[∂Q∂q q + ∂Q

∂p p∂P∂q q + ∂P

∂p p

]

=[∂Q∂q

∂Q∂p

∂P∂q

∂P∂p

] [qp

]ahora mandó

η′ = M η

= MJ · ∂H

∂η

“pero”, dijo, y anotó lo siguiente: [∂H∂q∂H∂p

]=

[∂H∂Q

∂Q∂q + ∂H

∂p∂P∂q

∂H∂Q

∂Q∂p + ∂H

∂p∂P∂p

]

=[∂Q∂q

∂P∂q

∂Q∂p

∂P∂p

] [∂H∂Q∂H∂P

]por ende

∂H

∂η= M T · ∂H

∂η′

por lo tantoη = MJ M T ∂H

∂η′

Finalmente si la transformación es canónica entonces

η = J∂H

∂η′

Pedimos queMJ M T = J → Condición de que M sea simpléctica

9.2. Corchetes de PoissonSean F y G dos funciones. Entonces definimos el corchete de Poisson como

[F,G]q,pdef=∑k

∂F

∂qk

∂G

∂pk− ∂F

∂pk

∂G

∂qk

Es trivial ver lo siguiente [qi, qj ]q,p = 0[pi, pj ]q,p = 0[qi, pk]q,p = δi,k

No sé qué relación tiene esto con la cosa simpléctica pero mandó lo siguiente:

MJ M T =[

0 [Q,P ]q,p[P,Q]q,p 0

]= J

=[

0 1−1 0

]Entonces si la transformación es simpléctica se tiene que

[U, V ]q,p = [U, V ]Q,P

lo cual significa que el corchete de Poisson es un invariante canónico.

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9.3 Formas de ver si una transformación es canónica 9 TRANSFORMACIONES CANÓNICAS

Ahora parece que estamos haciendo el pasaje a varias dimensiones cuando n ≥ 1 entonces

η =

q1q2...qn

J =[−

]Mij = ∂η′i

∂ηj

y entonces se termina cumpliendo en forma mágica que

Transformación canónica ⇐⇒

[Qi, Qk] = 0[Pi, Pk] = 0[qi, qk] = 0[pi, pk] = 0[Qi, Pk] = δi,k

[Qi, pk] = δi,k

9.3. Formas de ver si una transformación es canónicaAhora vamos a hacer un resumen de las distintas pruebas que existen para ver si una transformación es canónica.

1. Dada la transformación de coordenadasQ = Q (coordenadas viejas)P = P (coordenadas viejas)

entonces una forma es buscar la función gene-

ratriz o como se llame, es decir encontrar en forma explícita la F tal que K = H + ∂F∂t y que satisfaga las ecs. de

hamilton:

∂K

∂Pk= Qk

∂K

∂Qk= −Pk

.

2. Ver que se satisface todo eso de los corchetes de Poisson

[Qi, Qk] = 0[Pi, Pk] = 0[Qi, Pk] = δi,k

[Qi, pk] = δi,k

.

3. Usar lo de MJ M T = J .

4. Usar las derivadas de la consigna del ejercicio 1, guía 8, ítem a).

5. Hay otra forma que no vemos en este curso.

Parece que la forma más copada es la primera y como que siempre apuntamos a eso en esta materia. También la segunda delos corchetes de Poisson.

Ejemplo Vamos a resolver el ítem b) del ejercicio 1 de la guía 8 usando el método segundo de los corchetes de Poisson. Estoes

[Q,P ]q,p = ∂Q

∂q

∂P

∂p− ∂Q

∂p

∂P

∂q

= −1qq

[− sin p

sin p −cos2 p

sin2 p

]− cos p

sin pcos psin p

= 1sin2 p

− cos2 p

sin2 p= 1

y entones con esa cuenta probamos que la transformación es canónica.

Guía 8 ejercicio 2

Queremos averiguar si lo que nos dan es una transformación canónica, es decirx = X cosλ+ Py

mωsinλ

y = Y cosλ+ Pxmω

sinλ

px = −mωY sinλ+ Px cosλpy = −mωX sinλ+ Py cosλ

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10 PEQUEÑAS OSCILACIONES

Una forma es probando no sé qué igualdades (creo que las del ítem a del ejercicio 1). La otra es usando los corchetes dePoisson y probando que

[x, y]X,Y = 0[px, py]X,P = 0

acá no entiendo bien qué escribió en el pizarrón. No sé si lo que sigue es parte de lo anterior o es otra cosa, copio textual:[px, x] = −1[px, y] = 0[py, x] = 0[py, y] = −1

Lo malo del primer método (el que usa las igualdades del ejercicio 1) es que tenemos que calcular cosas como ∂Pj∂pi

, esdecir que tenemos que invertir la transformación y es más cuenta.

Los corchetes de Poisson se calculan según

[f, g] = −∑k

∂f

∂pk

∂f

∂xk− ∂f

∂xk

∂f

∂pk

(acá hubo bardo con el tema de que Landau lo define al revés o algo así, y empezaron a agregar signos negativos y no séqué. Por las dudas chequear. Nosotros usamos la notación del libro de siempre cuyo nombre ahora se me fue de la mente, yel profesor de hoy usó el Landau.). Vamos a desarrollar uno como ejemplo:

[x, y]X,P = ∂x

∂X

∂y

∂Px− ∂x

∂Px

∂y

∂X+ ∂x

∂Y

∂y

∂Py− ∂x

∂Py

∂y

∂Y

Ahora simplemente es reemplazar las formulitas de la consigna y ver qué da.Por otro lado, luego de aplicar las transformaciones canónicas al hamiltoniano éste se convierte en

H ′ =P 2x + P 2

y

2m + mω2

2(X2 + Y 2)

Las ecuaciones de movimiento quedan X = −ω2X

Y = −ω2Y

que es lo mismo que en las variables x e y. Lo que sí cambia son las condiciones iniciales.

AlgoEjercicio 11 mandó, pero no hay... Creo que es el Guía 8 ejercicio 3. Nos estamos preguntando qué significa que

[H , f ] = 0→ Qué significa?

Parece que se puede mostrar quedf

dt= [H , f ] + ∂f

∂t

por lo tanto si [H , f ] = 0 entonces dfdt = ∂f

∂t . Además se tiene que si[H , f ] = 0∂f

∂t= 0

⇒ df

dt= 0⇒ f es una cantidad conservada

10. Pequeñas oscilacionesHay que aproximar las energías a orden 2.

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10.1 Parcial 27/6 - Problema 1 10 PEQUEÑAS OSCILACIONES

10.1. Parcial 27/6 - Problema 1El aro grande de masa M mayúscula tiene una energía cinética que se compone de una traslación y una rotación. La

expresión sería

TM = ICMw

θ2 + r2CM

2 M

con elrCM = (`+ a) rM

Si lo planteáramos usando Steiner respecto del punto A se obtiene

TM = ICM +Mb2

2 θ2 → Usando Steiner

El momento de inercia esICM = Ma2

La energía potencial del aro esUM = −Mgb cos θ

Para el de la masa chica esUm = −mg (b cos θ + a cosφ)

Ahora escribimos la energía cinética para la masa m. Para ello primero escribimos la posición de esta masa que será

rm = rCM + arm

= brM + arm

de modo tal querm = bθθM + aφφm

Cada uno de estos versores son (salen de polares)θM =

[− sin θ cos θ

]φm =

[− sinφ cosφ

]Ahora, usando eso, elevamos la velocidad al cuadrado

r2m = b2θ2 + a2φ22abθφθM · φm

y tenemos que θM · φm = · · · = cos (θ − φ). Metiendo todo eso en la energía cinética se obtiene y armando el lagrangiano seobtiene

L = M +m

2 b2θ2 + Ma2

2 θ2 + ma2

2 φ2 + m

2 2abθφ cos (θ − φ) + (M +m) gb cos θ +mga cosφ

Ahora empezamos a hacer trucos. Lo primero que tenemos que ver es cómo aproximamos el cos (θ − φ). Para ello usamoslo siguiente:

Teoría Si qi = qequilibrio + ηi entonces el potencial se aproxima por

V (q) ≈ V (qequilibrio) +

∂V

∂qi

⌋qequilibrio

ηi + 12

∂V

∂qi∂qj

⌋qequilibrio︸ ︷︷ ︸

Vij

ηiηj

entonces V ≈ cte + 12Vijηiηj .

Nosotros, recordemos, que buscamos aproximaciones (en L ) de segundo orden. Entonces la energía la vamos a tener quedesarrollar como

T = 12mij (q) ηiηj

≈ mij (qequilibrio)2 ηiηj

= 12Tij ηiηj

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10.1 Parcial 27/6 - Problema 1 10 PEQUEÑAS OSCILACIONES

Entonces el potencial se aproxima como

V = − (M +m) cos θgb−ma cosφ A orden 1→ cos ε ∼ 1− ε2

2

≈ − (m+M) gb(

1− θ2

2

)−mag

(1− φ2

2

)= cte + (M +m) gbθ

2

2 +magφ2

2

Acá tenemos que los η1 = θ y el η2 = φ . Entonces la matriz de los Vij de antes sería V =[(M +m) gb 0

0 mga

].

Ahora aproximamos la energía cinética. Habíamos encontrado que era

T = M +m

2 b2θ2 + Ma2

2 θ2 + ma2

2 φ2 + m

2[abθφ cos (θ − φ) + abθφ cos (θ − φ)

]Desarrollándola en la forma T = 1

2mij (q) ηiηj ≈ 12Tij ηiηj entonces la matriz mij sería

mij =[(M +m) b2 +Ma2 ab cos (θ − φ)mab cos (θ − φ)m ma2

]donde usó el truco ηiηj = 1

2 (ηiηj + ηjηi). Ahora anotó lo siguiente que es importante:

Importante Para mantener el orden 2, como ya tengo ηiηj (en la fórmula de T ), tenemos que aproximar la matriz a ordencero.

Entonces

mij (θ, φ) ≈ Tij = matriz constante

=[(M +m) b2 +ma2 mab

mab ma2

]Obsérvese que se aproximó cos ε ∼ 1 a orden cero.

Con todo esto ahora podemos escribir el lagrangiano como

L = 12Tij ηiηj −

12Vijηiηj

Si ahora hacemos Euler-Lagrange obtenemos

d

dt

(∂L

∂ηi

)= ∂L

∂ηi12Tij ηj = −1

2Vijηj

Entonces proponemos como solución ηj = Ajeiωt por lo tanto

−ω2

2 Tijηj = −12Vijηi

y de aquí se obtiene que (Vij − ω2Tij

)ηj = 0

Si todo esto se trabaja con notación matricial la cosa hubiera sido plantear que lo que tiene que pasar es que(V − ω2T

)M = 0⇒ det

(V − ω2T

)= 0→ Autovalores y autovectores

En el último ítem pide que hagamos a = l y ω20 = g

a y M = m. En este caso las matrices son

T = ma2[9 22 1

]V = m

g

aa2[4 00 1

]En este caso se obtiene

ω2± = 13±

√89

10 ω20

y se aquí se obtiene (no sé qué es esto) que.Los resueltos de

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11 SCATTERING

11. ScatteringParece que no entra en el parcial, pero igual lo vamos a ver. Está en el Taylor. El esquema es el que sigue:

anillo de radio b

d sigma=2 pi b db

dΩ=2pi*sin(theta) d theta → ángulo sólido

z

theta

Las partículas que pasan por el primero de los dos anillos luego sufren una desviación tal que pasan por el segundo delos anillos. El ángulo θ es medido respecto del eje z y el ángulo φ mide a lo largo de los anillos (como si fuesen esféricas conel eje z acostado). No sé por qué, pero parece que es claro que,

dΩ = 2πb db2π sin θ dθ

= b

sin θ

∣∣∣∣ dbdθ∣∣∣∣→ Sección eficáz diferencial

A eso se lo llama sección eficaz. Es importante porque nos sirve para saber cuántas partículas se desviarán según

dNdesviadas = NincidenteNtargetdσ

dΩ dΩ

Esta ecuación dice “la cantidad de Ndesviadas que habrá en el ángulo sólido dΩ es proporcional al Nincidente, a la cantidad departículas Ntarget que tiene el objetivo y proporcional a la sección eficaz”.

Ahora está copiando textual del Taylor, así que dejé de anotar.

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