ランダウ力学 §23問題1 解説

投稿日: 

物理学 力学

B!
すしぱく様によるフリー素材ぱくたそ(https://www.pakutaso.com/)からの画像をShinoryoが加工した画像

ランダウ゠リフシッツ理論物理学教程の力学(増訂第3版)の§23の問題1の解説です.

問題

Lagrangianが
\begin{align} L &= \frac{1}{2} \left( \dot{x}^2 + \dot{y}^2 \right) - \frac{\omega_0^2}{2} \left( x^2 + y^2 \right) + \alpha xy \nonumber \end{align}
で与えられる自由度2の系の振動を決定せよ(固有振動数$\omega_0$をもつ2つの等しい1次元の系が, 相互作用$- \alpha xy$で結ばれている).

解答作成

本編中の表現で

\begin{align} m_{ij} &= \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} , \nonumber \\ k_{ij} &= \begin{pmatrix} \omega_0^2 & - \alpha \\ - \alpha & \omega_0^2 \end{pmatrix} \nonumber \end{align}

であるから, 特有方程式は(23.8)より

\begin{align} \begin{vmatrix} \omega_0^2 - \omega^2 & - \alpha \\ - \alpha & \omega_0^2 - \omega^2 \end{vmatrix} &= 0 \end{align}

となり, これを解くと

\begin{align} \omega &= \sqrt{\omega_0^2 \pm \alpha} \end{align}

となる. ゆえに, 基準振動を本編(23.10)と同様に

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} Q_1 &= \mathrm{Re} \left[ C_1 e^{i \sqrt{\omega_0^2 - \alpha} t} \right] , \\ Q_2 &= \mathrm{Re} \left[ C_2 e^{i \sqrt{\omega_0^2 + \alpha} t} \right] \end{aligned} \right. \end{align}

とおけば($C_1$, $C_2$は任意定数),(23.9)のように

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} x &= \alpha Q_1 + \alpha Q_2 \\ y &= \alpha Q_1 - \alpha Q_2 \end{aligned} \right. \end{align}

となる. さらに, 基準振動を

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} Q_1 &= \mathrm{Re} \left[ \sqrt{2} \alpha C_1 e^{i \sqrt{\omega_0^2 - \alpha} t} \right] , \\ Q_2 &= \mathrm{Re} \left[ \sqrt{2} \alpha C_2 e^{i \sqrt{\omega_0^2 + \alpha} t} \right] \end{aligned} \right. \end{align}

とすれば(任意定数を変更),

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} x &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left( Q_1 + Q_2 \right) \\ y &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left( Q_1 - Q_2 \right) \end{aligned} \right. \end{align}

となる.

参考文献

Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. 力学. 広重徹, 水戸巌訳, 増訂第3版, 東京図書, 1974, 214p.

関連記事

Search

About Me

自分の写真
理系大学生でした. Bloggerを利用して発信を行っています.

Labels

Blog Archives