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Mecánica clásica (2/2)

Autor: Tirso Seneca
Curso:  3,50/5 3,50/5 (2 opiniones) |437 alumnos|Fecha publicación: 16/03/2009

Capítulo 8:

 Notación simpléctica (3/3)

Nota: Continuamos con la notación simpléctica. Ejemplo 2.

Ejemplo 2:

a-) Encontrar las condiciones que han de satisfacer Notación simpléctica (3/3), Notación simpléctica (3/3), Notación simpléctica (3/3), y Notación simpléctica (3/3) para que la siguiente transformación:

Notación simpléctica (3/3)

Comprobar que para Notación simpléctica (3/3) la transformación es canónica.

c-.) Encontrar una función generatriz F1(q, Q) para esta transformación.

d-.)
Dado el hamiltoniano Notación simpléctica (3/3), encontrar q(t) y p(t) cuando q(0) = 3/2 y p(0) = 1

Aplicaremos la condición de canonicidad  Notación simpléctica (3/3)

Notación simpléctica (3/3)

Incidentalmente, en este punto ya es fácil (ch2x-sh2x=1) ver que se cumplen las condiciones del apartado b). Recordando con unas tablas (Spiegel y Abellanas) las fórmulas de adición de las funciones hiperbólicas, se puede hacer un poco más compacta y simétrica esta expresión:

Notación simpléctica (3/3)

Cuando Notación simpléctica (3/3) se obtiene:

Notación simpléctica (3/3) Por tanto, esta transformación es canónica.

Escribiendo ahora p y P en función de q y Q en esta transformación particular, e integrando, se obtiene la función generatriz F1:

Notación simpléctica (3/3)

Para encontrar unas expresiones de q(t) y p(t), se acude a las ecuaciones de Hamilton y a la hamiltoniana que se nos ofrece:

Notación simpléctica (3/3)

Resolviendo para q(t) y p(t):

Notación simpléctica (3/3) 

donde A y B son las constantes de integración. Se ha dejado para más tarde la tarea de eliminar la dependencia de p respecto de q. Imponiendo ahora las condiciones iniciales se obtienen dichas constantes, y posteriormente, las expresiones buscadas:

Notación simpléctica (3/3)

donde ya finalmente se ha eliminado la dependencia que nos faltaba, quedando p en función únicamente de t. Fijémonos ahora de nuevo en los subíndices. Sería una gran ventaja que los de los elementos de alguna matriz fueran a corresponder con los de los corchetes de Poisson respecto de las variables canónicas. Haciendo corresponder dichos índices, se define la matriz corchete de Poisson de dos funciones cualquiera (u, v), de las variables canónicas (q, p) de la manera que sigue:

Notación simpléctica (3/3)

Es decir, cada elemento Pjk estará conformado por el corchete de Poisson de dichas jk funciones. Como es bien sabido, las parejas de subíndices de los elementos de una matriz se crean a partir de los subíndices de dos vectores a los que se ha efectuado un producto diádico, y en este caso cada uno tiene 2N componentes. Se roza de esta manera el álgebra de tensores, y se abre una puerta para su exploración distinta de la puramente matemática, y que debemos hacer discurrir hacia la geometría subyacente en el álgebra de Riemann y en la Relatividad General. Recuérdese que desde este enfoque las matrices representan a operadores.

Con una nomenclatura similar a la anterior se define la matriz corchete de Lagrange, en la que los coeficientes de la matriz L están formados por los corchetes de Lagrange de dos funciones:

Notación simpléctica (3/3)

Veamos de una forma algo más detallada cómo se ve la relación existente entre estos dos corchetes bajo la notación simpléctica. Para cualquier pareja de funciones (uj, uk) de las variables canónicas (qi, pi), donde Notación simpléctica (3/3) los elementos de la matriz Notación simpléctica (3/3) serán:

Notación simpléctica (3/3) y en general

Notación simpléctica (3/3)

De la misma manera se escriben los coeficientes de la matriz L mediante los corchetes de Lagrange:

Notación simpléctica (3/3)Notación simpléctica (3/3)

Veamos ahora cómo es la matriz Notación simpléctica (3/3), utilizando las propiedades de los corchetes:

Notación simpléctica (3/3)

Es decir, Notación simpléctica (3/3) es una matriz antisimétrica, luego:

Notación simpléctica (3/3)

Esta matriz se puede "visualizar" también de la siguiente manera: Sea uk la matriz columna de orden 2N formada por todas las funciones uk. Despliéguese ahora para cada función una fila con 2N elementos, pertenecientes a cada coordenada qi y pi, con lo que obtenemos una matriz u cuadrada de orden 2N. Entonces el corchete de Poisson:

Notación simpléctica (3/3)

Lo mismo se aplica a la matriz L:

Notación simpléctica (3/3)

Aplicando entonces la relación existente entre estos dos corchetes de Lagrange y de Poisson:

Notación simpléctica (3/3)

Para intentar justificar este resultado, extendamos los elementos de la matriz Notación simpléctica (3/3)t L para ver que forma tienen:

Notación simpléctica (3/3) y en general:

Notación simpléctica (3/3)

Como se ve, hay que efectuar el producto de las dos series finitas sobre las coordenadas y posteriormente comprobar que se cumple:

Notación simpléctica (3/3) donde Notación simpléctica (3/3) es la delta de Kronecker. A pesar de la complejidad de la notación, las propiedades de los corchetes de Poisson hacen de su resolución una cuestión más de organización que de dificultad matemática.

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