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APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

SOBRE LA FORMULACION LAGRANGIANA DE LA<br />

MECÁNICA. APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS<br />

TRABAJOS VIRTUALES.<br />

1. COORDENADAS GENERALIZADAS Y ESPACIO DE CONFIGURACIÓN.<br />

2. DESPLAZAMIENTOS VIRTUALES.<br />

3. PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES.<br />

4. EL PRINCIPIO DE D’ALEMBERT.<br />

5. ENERGÍA CINÉTICA.<br />

6. ECUACIONES DE LAGRANGE.<br />

1. COORDENADAS GENERALIZADAS Y ESPACIO DE CONFIGURACIÓN:<br />

Si consideramos un sistema de N partículas, m j , j=1,...N, entendemos que al tener<br />

cada una de ellas un vector de posición de 3 componentes, todo el sistema tendrá,<br />

en ausencia de restricciones o ligaduras, un total de 3N componentes<br />

independientes o dimensiones.<br />

r<br />

j<br />

= r<br />

j<br />

( x1 , y1,<br />

z1,...,<br />

xN<br />

, yN<br />

, zN<br />

, t),<br />

j = 1,...,<br />

N<br />

Si el sistema tiene k ligaduras holónomas, esto es, expresables mediante<br />

ecuaciones, ya sean reónomas (dependientes del tiempo) o no, el total de grados<br />

de libertad viene definido por la diferencia entre el número total de dimensiones y<br />

ese número k de ligaduras:<br />

φ1(<br />

xi<br />

, yi,<br />

zi,<br />

t)<br />

= 0<br />

... ... ... ...<br />

...<br />

...<br />

...<br />

...<br />

φ ( x , y , z , t)<br />

= 0<br />

k<br />

i<br />

i<br />

i<br />

n = 3.N - k<br />

Si llamamos q<br />

1<br />

,...,qn<br />

a las n variables independientes, los N vectores de posición<br />

correspondientes a las N partículas del sistema se pueden expresar por<br />

r r<br />

r r<br />

1<br />

=<br />

1( q1,...,<br />

qn<br />

, t),<br />

... ,<br />

N<br />

=<br />

N<br />

( q1,...<br />

qn<br />

, t)<br />

En general, pues, siempre se pueden tomar n parámetros arbitrarios, q<br />

1<br />

,...,qn<br />

, ya<br />

sean longitudes, ángulos, etc., de modo que en función de estos parámetros<br />

puedan expresarse unívocamente los vectores de posición de las partículas del<br />

1


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

sistema. Estos parámetros independientes,<br />

generalizadas del sistema.<br />

q<br />

1<br />

,...,qn<br />

, se denominan coordenadas<br />

De forma abreviada, podemos escribir:<br />

r<br />

j<br />

r<br />

=<br />

( q , t)<br />

j<br />

i<br />

⎧ j = 1,... N ( N partículas)<br />

⎨<br />

⎩i<br />

= 1,..., n ( n gr.<br />

de libertad)<br />

(q i son las coordenadas generalizadas, tales como longitudes, momentos, ángulos,<br />

o cualquier otra magnitud)<br />

Espacio de configuración:<br />

El espacio de configuración es un hiperespacio curvilíneo de n dimensiones (tantas<br />

como grados de libertad del sistema). Cada uno de sus puntos<br />

( q ,...,q n<br />

)<br />

1<br />

corresponde a una posición del sistema, posición definida por<br />

r<br />

j<br />

= r<br />

j<br />

( q 1<br />

,..., qn<br />

, t)<br />

j = 1,...,<br />

N<br />

y la velocidad en este espacio viene definida por:<br />

r<br />

v<br />

j<br />

r<br />

drj<br />

=<br />

dt<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

=<br />

∂q<br />

1<br />

dq<br />

dt<br />

1<br />

r r r<br />

∂<br />

j dq ∂<br />

n j<br />

∂<br />

j<br />

+ ... + = q&<br />

1<br />

+ ... +<br />

∂q<br />

dt ∂q<br />

∂q<br />

n<br />

1<br />

n<br />

q&<br />

n<br />

.<br />

de lo que se deduce que<br />

r<br />

∂v<br />

j<br />

∂q&<br />

i<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

=<br />

∂q<br />

i<br />

r r<br />

d ⎛ ∂<br />

j ⎞ ∂v<br />

j<br />

, = i = 1,..., n,<br />

j = 1,..., N<br />

dt<br />

⎜<br />

q<br />

⎟<br />

⎝ ∂ &<br />

i ⎠ ∂qi<br />

2. DESPLAZAMIENTOS VIRTUALES:<br />

D’Alembert fue el primero en proponer la consideración de un desplazamiento<br />

infinitesimal del radio vector de cada partícula, compatible con las fuerzas aplicadas<br />

y con las fuerzas de ligadura, como un desplazamiento puramente geométrico para<br />

el cual el tiempo no transcurre, en torno a cada estado cinemático del sistema, sin<br />

romper en modo alguno las ligaduras, que podemos considerar esclerónomas ya<br />

que la variación del radio vector con respecto al tiempo es nula:<br />

∂r j<br />

∂t<br />

Representaremos el desplazamiento virtual del vector de posición r j<br />

por δ r j<br />

:<br />

= 0<br />

r r<br />

r ∂<br />

j<br />

∂<br />

j<br />

δ<br />

j<br />

= δq1<br />

+ ... + δqn<br />

∂q<br />

∂q<br />

1<br />

n<br />

2


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

Ejemplo de determinación de los desplazamientos virtuales:<br />

Sea una estructura en forma parabólica que gira alrededor de su eje de simetría<br />

con velocidad angular constante ω, y una anilla de masa m que se desplaza por<br />

ella. Se tiene:<br />

Las ligaduras que sufre la anilla son<br />

holónomas (se describen mediante<br />

ecuaciones) y esclerónomas (no<br />

dependen del tiempo). El radio<br />

vector de la anilla, a la vista de la<br />

figura es:<br />

r<br />

=<br />

2<br />

( ρ. cosωt,<br />

ρ.<br />

senωt,<br />

ρ )<br />

r<br />

dr = ( dρ.cosωt<br />

− ρωsenωt.<br />

dt,<br />

dρ.<br />

senωt<br />

+ ρω cosωt.<br />

dt,2ρ.<br />

dρ)<br />

Desplazamiento virtual (dt=0):<br />

r<br />

d = ( dρ.cosωt,<br />

dρ.<br />

senωt,<br />

2ρ.<br />

dρ)<br />

que representa un desplazamiento infinitesimal de la anilla a lo largo de la parábola<br />

supuesta ésta inmóvil.<br />

δx = dρ. cosωt,<br />

δy<br />

= dρ.<br />

senωt,<br />

δz<br />

= 2ρ.<br />

dρ<br />

3. PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES:<br />

El principio de los Trabajos Virtuales afirma la ortogonalidad del desplazamiento<br />

virtual con la dirección de la fuerza de ligadura actuante sobre cada partícula:<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

. r δ<br />

l<br />

F j<br />

rj<br />

= 0<br />

Teorema: Si un sistema está en equilibrio se verifica que el trabajo virtual realizado<br />

por las fuerzas aplicadas es nulo.<br />

En efecto:<br />

Si el sistema está en equilibrio, la fuerza total actuante sobre cada partícula (suma<br />

de la fuerza aplicada y la fuerza de ligadura) ha de ser cero:<br />

r<br />

F<br />

j<br />

r<br />

= F<br />

a<br />

j<br />

r<br />

+ F<br />

l<br />

j<br />

= 0<br />

3


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

en un desplazamiento virtual δ r j<br />

:<br />

δ W<br />

=<br />

N<br />

a l<br />

∑( F + F )<br />

j j<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

r<br />

. δ<br />

r<br />

j<br />

= 0<br />

y como, por hipótesis, es ∑<br />

j=<br />

r<br />

. r δ<br />

N<br />

l<br />

F j<br />

rj<br />

1<br />

= 0 , se tiene:<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

. r δ = 0<br />

a<br />

F j<br />

rj<br />

Expresión en coordenadas generalizadas q i :<br />

δW<br />

=<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

a r<br />

F . δ<br />

=<br />

j<br />

j<br />

N n<br />

a<br />

Fj<br />

∑<br />

j= 1 i=<br />

1<br />

∑<br />

r ⎛<br />

.<br />

⎜<br />

⎝<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

∂q<br />

i<br />

⎞<br />

δq<br />

⎟<br />

i<br />

=<br />

⎠<br />

N<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

n<br />

∑∑ ⎜<br />

j= 1 i=<br />

1<br />

r<br />

r ∂<br />

a j ⎞<br />

F .<br />

⎟<br />

j<br />

δqi<br />

=<br />

∂qi<br />

⎠<br />

n<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

N<br />

∑∑ ⎜<br />

i= 1 j=<br />

1<br />

r<br />

r ∂<br />

a j<br />

Fj<br />

.<br />

∂q<br />

i<br />

⎞<br />

⎟<br />

. δqi<br />

⎠<br />

=<br />

n<br />

∑<br />

i=<br />

1<br />

Q . δq<br />

i<br />

i<br />

= 0<br />

Habiendo llamado Fuerza Generalizada según la coordenada q i a la expresión:<br />

Q<br />

i<br />

=<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

r ∂<br />

a j<br />

Fj<br />

. =<br />

∂q<br />

i<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

⎛<br />

⎜ F<br />

⎝<br />

a<br />

jx<br />

las dimensiones de Q i pueden ser variadas, dependiendo de las dimensiones de las<br />

coordenadas generalizadas q i . Por ejemplo:<br />

∂x<br />

j<br />

∂q<br />

i<br />

+ F<br />

a<br />

jy<br />

∂y<br />

j<br />

∂q<br />

i<br />

+ F<br />

a<br />

jz<br />

∂z<br />

∂q<br />

- si q i es una longitud, entonces Q i es una fuerza.<br />

- Si q i es un ángulo, entonces Q i es un momento dinámico.<br />

- Si q i es una superficie, entonces Q i es una tensión.<br />

- Si q i es un volumen, entonces Q i es una presión.<br />

j<br />

i<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

Ejemplo de aplicación del Principio de los Trabajos Virtuales:<br />

Sea una bolita de masa m que se<br />

desplaza sobre una hélice circular de eje<br />

vertical y unida elásticamente al origen<br />

O en un campo gravitatorio g. El punto O<br />

está en el eje del cilindro y la fuerza<br />

elástica es − k.<br />

r<br />

Ecuación de la hélice:<br />

x = r.cosφ<br />

y = r.<br />

senφ<br />

H<br />

z = . φ<br />

2π<br />

r ⎛<br />

φ<br />

= ⎜ R.cosφ,<br />

R.<br />

senφ,<br />

H<br />

⎝<br />

2π<br />

El radio vector de posición:<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

4


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

r r r φ r r ⎛ r r H r⎞<br />

= R cosφ . i + R.<br />

senφ.<br />

j − H.<br />

k ⇒ δ<br />

= ⎜−<br />

R.<br />

senφ.<br />

i + R cosφ.<br />

j − k ⎟.<br />

δφ<br />

2π<br />

⎝<br />

2π<br />

⎠<br />

Y la fuerza aplicada:<br />

r r r<br />

r r kφH<br />

r<br />

F a<br />

= −k. − m.<br />

g = −kR<br />

cosφ<br />

. i − kRsenφ.<br />

j + − mg.<br />

k<br />

2π<br />

Por tanto:<br />

δW<br />

r<br />

2<br />

2<br />

⎛ kφH<br />

⎞ H<br />

= F a r<br />

. δ<br />

= k.<br />

R . senφ.cosφ.<br />

δφ − kR .cosφ.<br />

senφ.<br />

δφ − ⎜ − mg ⎟.<br />

. δφ = 0<br />

⎝ 2π<br />

⎠ 2π<br />

k φ H<br />

πmg<br />

− mg = 0 ⇒ φ =<br />

2<br />

2π<br />

kH<br />

4. EL PRINCIPIO DE D’ALEMBERT:<br />

D’Alembert generalizó el Principio de los Trabajos Virtuales a sistemas en<br />

movimiento fuera de las condiciones de equilibrio.<br />

La fuerza de inercia actuante sobre cada partícula es la suma de la fuerza aplicada<br />

y la fuerza de ligadura<br />

r<br />

F<br />

j<br />

r<br />

= F<br />

a<br />

j<br />

r<br />

+ F<br />

l<br />

j<br />

= m a<br />

r<br />

j<br />

j<br />

= p<br />

r &<br />

En cada instante el estado mecánico puede considerarse formalmente equivalente a<br />

un estado de equilibrio entre las fuerzas aplicadas, F r , las fuerzas de ligadura, F r ,<br />

y las fuerzas de inercia, p &r<br />

j<br />

y se le puede aplicar el Principio de los Trabajos<br />

Virtuales. Si suponemos un desplazamiento virtual, δ r j<br />

, se tiene:<br />

N r r<br />

a l<br />

F + F − p&r<br />

. r = 0<br />

y siendo:<br />

será:<br />

o bien:<br />

∑(<br />

j<br />

)<br />

j j<br />

j=<br />

1<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

l<br />

F j<br />

rj<br />

δ<br />

r<br />

. r δ = 0<br />

N<br />

a<br />

∑( F − p&r<br />

j<br />

)<br />

j<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

. δ<br />

r<br />

j<br />

j<br />

= 0<br />

r<br />

N<br />

⎛ r dv<br />

a<br />

j ⎞ r<br />

∑<br />

⎜ Fj<br />

− m<br />

j.<br />

⎟.<br />

δ<br />

j<br />

= 0<br />

j=<br />

1 ⎝ dt ⎠<br />

(Principio de D’Alembert)<br />

a<br />

j<br />

j<br />

l<br />

j<br />

5


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

Al aplicar el Principio de D’Alembert, que no contiene en su expresión a las<br />

restrictivas fuerzas de ligadura, es necesario entender que los δ r j<br />

no son<br />

arbitrarios, por lo que la suma nula anterior no implica que todos los sumandos han<br />

de ser nulos. En general, es:<br />

r<br />

F<br />

a<br />

j<br />

r<br />

dv<br />

− m<br />

j<br />

.<br />

dt<br />

j<br />

r<br />

= −F<br />

l<br />

j<br />

5. ENERGÍA CINÉTICA:<br />

La energía cinética del sistema es la suma de la energía cinética de todas las<br />

partículas del sistema:<br />

N<br />

1<br />

Γ = ∑ m v r 2<br />

j j<br />

2<br />

j=<br />

1<br />

Teorema: La energía cinética Γ del sistema de partículas se puede expresar en<br />

función de las coordenadas y velocidades generalizadas por<br />

siendo:<br />

α =<br />

∑<br />

i=<br />

1<br />

∑∑<br />

Γ = Γ0 + Γ1<br />

+ Γ2<br />

= α<br />

0<br />

+ α . q&<br />

+ α q&<br />

q&<br />

⎝<br />

r<br />

⎠<br />

n<br />

i<br />

i<br />

n<br />

n<br />

i= 1 k = 1<br />

2<br />

N<br />

⎛ ∂<br />

N<br />

∂ ∂<br />

N<br />

1 rj<br />

⎞ 1 rj<br />

rj<br />

1 ∂rj<br />

∂rj<br />

∑ m<br />

j<br />

⎜<br />

⎟ , αi<br />

= ∑ m<br />

j<br />

, αik<br />

= ∑ m<br />

j<br />

j= 1 2 ∂t<br />

j=<br />

1 2 ∂qi<br />

∂t<br />

j=<br />

1 2 ∂qi<br />

∂qk<br />

r<br />

r<br />

ik<br />

i<br />

k<br />

r<br />

r<br />

en efecto:<br />

siendo<br />

r<br />

v<br />

j<br />

=<br />

r<br />

dr<br />

dt<br />

j<br />

=<br />

r<br />

∂<br />

r<br />

∂<br />

n<br />

j<br />

j<br />

∑ . q&<br />

i<br />

+<br />

i= 1 ∂qi<br />

∂t<br />

, se tiene:<br />

Γ =<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

1 r<br />

m<br />

jv<br />

2<br />

2<br />

j<br />

=<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

1 ⎛ drj<br />

m<br />

j<br />

2<br />

⎜<br />

⎝ dt<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

2<br />

=<br />

N<br />

∑<br />

1 ⎡<br />

m ⎢<br />

⎣<br />

n<br />

∑<br />

j<br />

j= 1 2 i=<br />

1<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

∂q<br />

i<br />

. q&<br />

i<br />

r 2<br />

∂<br />

j ⎤<br />

+ ⎥<br />

∂t<br />

⎦<br />

o sea:<br />

Γ =<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r 2<br />

1 ⎛ ∂<br />

j ⎞<br />

m<br />

j<br />

+<br />

2<br />

⎜<br />

t<br />

⎟<br />

⎝ ∂ ⎠<br />

n<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

N<br />

∑∑ ⎜<br />

i= 1 j=<br />

1<br />

1<br />

2<br />

m<br />

j<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

∂q<br />

i<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

⎞<br />

⎟.<br />

q&<br />

i<br />

+<br />

∂t<br />

⎠<br />

n<br />

n<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

N<br />

∑∑⎜∑<br />

i= 1 k = 1 j=<br />

1<br />

1<br />

2<br />

m<br />

j<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

∂q<br />

i<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

∂q<br />

k<br />

⎞<br />

⎟<br />

. q&<br />

i.<br />

q&<br />

⎠<br />

k<br />

6


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

Teorema: Se verifica, para la energía cinética Γ de un sistema de partículas, que,<br />

para cada coordenada generalizada q i , es:<br />

En efecto:<br />

∂Γ<br />

∂<br />

∂<br />

⎛<br />

d<br />

dt<br />

⎞<br />

∂Γ<br />

∂q&<br />

i<br />

∂Γ<br />

− =<br />

∂q<br />

i<br />

r<br />

∂v<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r r<br />

dv<br />

j<br />

∂<br />

j<br />

m<br />

j<br />

. .<br />

dt ∂q<br />

N<br />

N<br />

N<br />

2<br />

j<br />

= ⎜∑<br />

⎟<br />

m<br />

j.<br />

v<br />

j<br />

= ∑m<br />

j.<br />

. v<br />

j<br />

= ∑m<br />

j<br />

q&<br />

i<br />

∂q&<br />

i j= 1 2<br />

j= 1 ∂q&<br />

i j=<br />

1 ∂<br />

⎝<br />

1<br />

derivando con respecto al tiempo:<br />

d<br />

dt<br />

⎛ ∂Γ ⎞<br />

⎜<br />

⎟ =<br />

⎝ ∂q&<br />

i ⎠<br />

r<br />

dv<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r<br />

∂<br />

r<br />

⎛<br />

⎜<br />

m<br />

⎝<br />

j<br />

⎠<br />

d<br />

dt<br />

1<br />

⎛ drj<br />

⎜<br />

⎝ dt<br />

∂<br />

r<br />

⎞ ∂<br />

j<br />

⎟.<br />

⎠ ∂qi<br />

r<br />

r<br />

+ m<br />

j<br />

r<br />

drj<br />

.<br />

dt<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

q<br />

d<br />

dt<br />

j<br />

i<br />

r<br />

drj<br />

.<br />

dt<br />

r<br />

⎛ ∂<br />

j<br />

⎜<br />

⎝ ∂qi<br />

i = 1,..., n<br />

⎞⎞<br />

⎟<br />

⎟<br />

=<br />

⎠⎠<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

⎛<br />

⎜m<br />

⎝<br />

j<br />

r r<br />

dv<br />

j<br />

∂<br />

j<br />

.<br />

dt ∂q<br />

N<br />

N<br />

N<br />

N<br />

N<br />

=<br />

j j<br />

2<br />

j j<br />

2<br />

∑ m<br />

j<br />

. + ∑ m<br />

j<br />

v<br />

j<br />

= ∑ m<br />

j<br />

. + ∑ ⎜ m<br />

jv<br />

j ⎟ = ∑<br />

j=<br />

1 dt ∂qi<br />

j=<br />

1 2 ∂qi<br />

j=<br />

1 dt ∂qi<br />

j=<br />

1 ∂qi<br />

⎝ 2 ⎠ j=<br />

1<br />

r<br />

dv<br />

r<br />

∂<br />

∂<br />

⎛ 1<br />

r<br />

⎞<br />

m<br />

i<br />

j<br />

r<br />

+ m v<br />

j<br />

j<br />

r r<br />

dv<br />

j<br />

∂<br />

j<br />

.<br />

dt ∂q<br />

r<br />

∂v<br />

.<br />

∂q<br />

i<br />

j<br />

i<br />

∂Γ<br />

+<br />

∂q<br />

⎞<br />

⎟ =<br />

⎠<br />

i<br />

por consiguiente:<br />

d<br />

dt<br />

∂Γ<br />

∂q&<br />

i<br />

∂Γ<br />

−<br />

∂q<br />

i<br />

=<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

r r<br />

dv<br />

j<br />

∂<br />

j<br />

m<br />

j<br />

. .<br />

dt ∂q<br />

i<br />

i = 1,..., n<br />

6. ECUACIONES DE LAGRANGE:<br />

Utilizando las anteriores relaciones entre las derivadas de la energía cinética se<br />

obtienen fácilmente desde el Principio de D’Alembert un conjunto fundamental de<br />

ecuaciones que describen el movimiento del sistema y que se conoce como<br />

Ecuaciones de Lagrange, que pueden simplificarse para el caso de que las fuerzas<br />

aplicadas sean conservativas, esto es, dependientes de una función potencial.<br />

Sea un sistema de N partículas de masas m j , j=1, ..., N, con k ligaduras<br />

holónomas y, por consiguiente, con n=3N-k grados de libertad.<br />

Del Principio de D’Alembert:<br />

r<br />

r r r<br />

N<br />

⎛ r dv<br />

N n<br />

⎛ ∂<br />

n<br />

∂<br />

a<br />

j ⎞ r r<br />

j<br />

dv<br />

j<br />

a<br />

j ⎞<br />

0 = ∑<br />

⎜ F −<br />

⎟ = ∑∑ ⎜ −∑<br />

⎟<br />

j<br />

m<br />

j<br />

. δ<br />

j<br />

Fj<br />

m<br />

j<br />

. δqi<br />

j=<br />

1 ⎝ dt ⎠ j= 1⎝<br />

i= 1 ∂qi<br />

i=<br />

1 dt ∂qi<br />

⎠<br />

r<br />

r r<br />

n<br />

⎛<br />

N r ∂<br />

⎞<br />

n<br />

⎛<br />

N<br />

j<br />

dv<br />

j<br />

∂<br />

⎞<br />

a<br />

j<br />

= ∑⎜∑<br />

⎟ −∑⎜∑<br />

⎟<br />

Fj<br />

. δqi<br />

m<br />

j<br />

. δqi<br />

i= 1⎝<br />

j=<br />

1 ∂qi<br />

⎠ i= 1⎝<br />

j=<br />

1 dt ∂qi<br />

⎠<br />

=<br />

7


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

y siendo:<br />

Q<br />

i<br />

d<br />

dt<br />

=<br />

r<br />

r<br />

∂<br />

N<br />

a j<br />

∑ Fj<br />

j= 1 ∂qi<br />

∂Γ<br />

∂Γ<br />

−<br />

∂q&<br />

∂q<br />

i<br />

i<br />

=<br />

(Fuerza generalizada)<br />

r<br />

dv<br />

r<br />

∂<br />

N<br />

j j<br />

∑ m<br />

j<br />

j= 1 dt ∂qi<br />

(Teorema anterior)<br />

se tiene, al sustituir:<br />

0 =<br />

n<br />

∑<br />

i=<br />

1<br />

⎛<br />

⎜Qi<br />

⎝<br />

−<br />

d<br />

dt<br />

∂Γ<br />

∂q&<br />

i<br />

∂Γ ⎞<br />

+ . δqi<br />

q<br />

⎟<br />

∂<br />

i ⎠<br />

obteniéndose n ecuaciones de Lagrange (tantas como grados de libertad):<br />

d ∂Γ ∂Γ<br />

Q − + = 0 i = 1 n<br />

i<br />

dt ∂q&<br />

∂q<br />

,...,<br />

i<br />

i<br />

Ecuaciones de Lagrange para sistemas sometidos a fuerzas conservativas:<br />

Cuando las partículas del sistema están sometidas exclusivamente a fuerzas<br />

a<br />

conservativas, es decir, a fuerzas F r j<br />

que dependen de un potencial V j , o sea de<br />

una función de las coordenadas generalizadas exclusivamente, se tiene:<br />

y la fuerza generalizada:<br />

Q<br />

c<br />

i<br />

=<br />

r<br />

F<br />

a<br />

j<br />

r<br />

r<br />

= −∇V<br />

r<br />

∂<br />

j<br />

,<br />

∂V<br />

∂q&<br />

i<br />

j<br />

= 0 ,<br />

r<br />

∂<br />

a j<br />

j<br />

∑F<br />

j<br />

. = ∑( − ∇V<br />

j<br />

) = −∑<br />

r<br />

V<br />

=<br />

N<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

V<br />

∂V<br />

j<br />

∂V<br />

q<br />

N<br />

N<br />

N<br />

j<br />

= −<br />

j= 1 ∂qi<br />

j= 1 ∂qi<br />

j=<br />

1 ∂qi<br />

∂<br />

i<br />

Por lo cual, sustituyendo en las Ecuaciones de Lagrange anteriores:<br />

o bien:<br />

Llamando<br />

c ∂V<br />

d ∂Γ ∂Γ<br />

Qi = − = − = 0 i = 1,...,<br />

n<br />

∂q<br />

dt ∂q&<br />

∂q<br />

d<br />

dt<br />

i<br />

∂(<br />

Γ −V<br />

) ∂(<br />

Γ −V<br />

)<br />

− = 0<br />

∂q&<br />

∂q<br />

L = Γ −V<br />

(Función de Lagrange):<br />

i<br />

i<br />

i<br />

i<br />

i = 1,..., n<br />

d ∂L<br />

∂L<br />

− = 0 i = 1,..., n<br />

dt ∂q&<br />

i<br />

∂qi<br />

(Ecuaciones de Lagrange para campos conservativos)<br />

8


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

Ecuaciones generales de Lagrange:<br />

En el caso de un sistema de particulas sometido tanto a fuerzas conservativas<br />

F r<br />

como no conservativas F r<br />

, se tendría, para la fuerza generalizada:<br />

ac<br />

j<br />

a'<br />

j<br />

r<br />

r r<br />

∂<br />

Q = r r<br />

r<br />

r<br />

∑<br />

i ∑<br />

+<br />

∂r<br />

n<br />

N<br />

j<br />

∂r<br />

a'<br />

j<br />

∂V<br />

j ' ∂V<br />

'<br />

( − ∇V<br />

) + F = − + Q = − Q<br />

N<br />

' N<br />

ac a j<br />

( F<br />

j<br />

+ F<br />

j<br />

). = ∑ j ∑ j<br />

i<br />

i<br />

j= 1 ∂qi<br />

j=<br />

1 ∂qi<br />

J = 1 ∂qi<br />

j=<br />

1 ∂qi<br />

∂qi<br />

por tanto:<br />

∂V<br />

−<br />

∂q<br />

i<br />

+ Q'<br />

=<br />

i<br />

d<br />

dt<br />

∂Γ<br />

∂q&<br />

i<br />

∂Γ<br />

−<br />

∂q<br />

i<br />

y, en definitiva:<br />

d ∂L<br />

∂L<br />

'<br />

− = Qi<br />

i = 1,..., n<br />

dt ∂q&<br />

i<br />

∂qi<br />

(Ecuaciones generales de Lagrange)<br />

Ejemplo de obtención de las ecuaciones del movimiento:<br />

Consideremos el ejemplo mostrado ya antes de la anilla m que se desplaza<br />

ensartada en una estructura parabólica rígida que a su vez rota entorno a su eje de<br />

simetría con un momento dinámico M r .<br />

Las coordenadas generalizadas,<br />

esto es, los grados de libertad de<br />

la anilla son dos: una, la dirección<br />

ρ r perpendicular al eje z de<br />

rotación de la parábola, y la otra,<br />

es el ángulo φ r de variación en la<br />

rotación de la parábola.<br />

Determinaremos el vector de<br />

posición, la velocidad, el cuadrado<br />

de la velocidad, la variación<br />

parcial del radio vector con<br />

respecto a cada una de las dos<br />

coordenadas generalizadas, la<br />

fuerza aplicada, las fuerzas<br />

generalizadas, la energía cinética<br />

y sus derivadas parciales, a fin de<br />

poder escribir las ecuaciones de<br />

Lagrange.<br />

Vector de posición y velocidad:<br />

r<br />

2 r dr<br />

r = ( ρ cosφ,<br />

ρsenφ,<br />

ρ ) v = =<br />

sen<br />

dt<br />

Cuadrado de la velocidad:<br />

r<br />

v<br />

2<br />

⎛ dr<br />

⎞<br />

= ⎜ ⎟<br />

⎝ dt ⎠<br />

2<br />

=<br />

( cosφ.<br />

& ρ − ρsenφ.<br />

& φ,<br />

& ρ φ + ρ cosφ.<br />

& φ,<br />

2ρ.<br />

& ρ )<br />

2 2 2 2 2<br />

(&<br />

ρ + ρ & φ + 4ρ<br />

& ρ )<br />

9


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

Fuerza aplicada y momento dinámico:<br />

r r r<br />

Fuerza sobre la estructura parabólica: F = ( − F . senφ,<br />

F .cosφ,<br />

0)<br />

r r r r<br />

Momento de la fuerza sobre la estructura parabólica: M = M. k = ρ. F . k<br />

F r a = F<br />

r<br />

− mg. k<br />

r<br />

= − F r<br />

senφ,<br />

F<br />

r<br />

cosφ,<br />

− mg<br />

Fuerza aplicada sobre la anilla: ( )<br />

Derivadas parciales del radio vector con respecto a las dos coordenadas<br />

generalizadas:<br />

r<br />

∂<br />

=<br />

∂ρ<br />

Fuerzas generalizadas:<br />

Q<br />

Q<br />

ρ<br />

r<br />

= F<br />

r<br />

= F<br />

a<br />

r<br />

∂<br />

∂φ<br />

( cosφ,<br />

senφ,<br />

2ρ) = ( − ρsenφ,<br />

ρ cosφ,<br />

0)<br />

r<br />

∂<br />

r<br />

r<br />

. = − F senφ.cosφ<br />

+ F cosφ.<br />

senφ<br />

− mg.2ρ<br />

= −2mgρ<br />

∂ρ<br />

r<br />

∂<br />

r r<br />

2<br />

. = ρ F . sen φ + ρ F .cos<br />

∂φ<br />

a<br />

2<br />

φ<br />

φ + 0<br />

Energía Cinética y sus derivadas parciales:<br />

∂Γ<br />

= m<br />

∂ & ρ<br />

∂Γ<br />

= m<br />

∂ & φ<br />

1 r 2<br />

Γ = m . v =<br />

2<br />

1<br />

2<br />

m<br />

r<br />

= ρ F = M<br />

2 2 2 2 2<br />

( & ρ + ρ & φ + 4ρ<br />

& ρ )<br />

2 d ∂Γ<br />

2 2 ∂Γ<br />

2 2<br />

(&<br />

ρ + 4ρ<br />

& ρ ) = m( && ρ + 8ρρ&<br />

+ 4ρ<br />

&& ρ) = m( ρφ&<br />

+ 4ρ<br />

& ρ )<br />

dt ∂ & ρ<br />

∂ρ<br />

2<br />

∂Γ 2<br />

∂Γ<br />

( ρ &<br />

d<br />

φ) = m( ρ && φ + 2ρρφ<br />

& &) = 0<br />

dt ∂ & φ<br />

∂φ<br />

Las ecuaciones del movimiento:<br />

Q<br />

Q<br />

ρ<br />

φ<br />

2 2<br />

2 2<br />

(&&<br />

ρ + 8ρρ&<br />

+ 4ρ<br />

&& ρ) − ( ρφ&<br />

+ 4ρ<br />

& )<br />

d ∂Γ ∂Γ<br />

= + ⇒ −2mgρ<br />

= m<br />

m ρ<br />

dt ∂ & ρ ∂ρ<br />

2<br />

( ρ && φ + 2ρρ&<br />

&) − 0<br />

d ∂Γ ∂Γ<br />

= + ⇒ M = m φ<br />

dt ∂ & φ ∂φ<br />

Resultan:<br />

2<br />

2 2<br />

⎧(1<br />

+ 4ρ<br />

).&&<br />

ρ + 4ρ<br />

& ρ + 2gρ<br />

= 0<br />

⎨ 2<br />

⎩ mρ<br />

&& φ + 2mρρ&<br />

. & φ − M = 0<br />

10


APLICANDO EL PRINCIPIO DE LOS TRABAJOS VIRTUALES<br />

Carlos S. Chinea<br />

REFERENCIAS:<br />

Rychlik, Marek: “Mecánica Lagrangiana y Hamiltoniana. Una breve introducción”:<br />

http://alamos.math.arizona.edu/~rychlik/557-dir/mechanics/<br />

MecFunNet: Apuntes Universidad Politécnica de Madrid, “Mecánica Lagrangiana”,<br />

http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/Xitami/webpages/teoria/lag1.pdf<br />

Goldstein, H.: "Mecánica clásica", Ed. Reverté, 1994.<br />

Landau, L; Lifchitz, E.: “Mecánica”, Tomo 1 del Curso de Física Teórica, Ed. Reverté,<br />

1980.<br />

11

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