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{{Dieser Artikel|behandelt die ''Hamilton-Funktion'' in der theoretischen Mechanik. Siehe [[Hamilton-Funktion (Kontrolltheorie)]] für die Bedeutung in der ''Theorie der optimalen Steuerung.''}} | {{Dieser Artikel|behandelt die ''Hamilton-Funktion'' in der theoretischen Mechanik. Siehe [[Hamilton-Funktion (Kontrolltheorie)]] für die Bedeutung in der ''Theorie der optimalen Steuerung.''}} | ||
Die '''Hamilton-Funktion''' <math>\mathcal H(\ | Die '''Hamilton-Funktion''' <math>\mathcal H(\vec q_1, \vec q_2, \ldots,\vec p_1, \vec p_2, \ldots, t)</math> (auch '''Hamiltonian,''' nach [[William Rowan Hamilton]]) eines Systems von [[Teilchen]] ist, wenn keine rheonomen (d. h. zeitabhängigen) [[Zwangsbedingung]]en vorliegen, die Gesamt[[energie]] als Funktion der Orte und Impulse der Teilchen und gegebenenfalls der Zeit. Sie ist eine [[Legendre-Transformation|Legendre-Transformierte]] der [[Lagrange-Funktion]] des Systems. Statt durch die Orts- und Impulskoordinaten kann der funktionale Zusammenhang auch durch die [[Generalisierte Koordinate|verallgemeinerten Ortskoordinaten]] <math>q=(q_1, q_2, \dotsc, q_n)</math> und [[Generalisierter Impuls|verallgemeinerten Impulskoordinaten]] <math>p=(p_1, p_2, \dotsc, p_n)</math> ausgedrückt werden. | ||
== Definition == | == Definition == | ||
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=== Massenpunkt === | === Massenpunkt === | ||
Bei einem Teilchen der Masse <math>m</math>, das sich nichtrelativistisch in einem Potential <math>V</math> bewegt, setzt sich die Hamilton-Funktion aus kinetischer und potentieller Energie zusammen: | Bei einem Teilchen der Masse <math>m</math>, das sich nichtrelativistisch in einem Potential <math>V</math> bewegt, setzt sich die Hamilton-Funktion aus kinetischer und potentieller Energie zusammen: | ||
:<math>\mathcal H(t, \ | :<math>\mathcal H(t, \vec q, \vec p)=\frac{\vec p^2}{2\,m}+V(\vec q)</math> | ||
Für ein relativistisches, freies Teilchen mit der [[Energie-Impuls-Relation|Energie-Impuls-Beziehung]] | Für ein relativistisches, freies Teilchen mit der [[Energie-Impuls-Relation|Energie-Impuls-Beziehung]] | ||
:<math>E^2-\ | :<math>E^2-\vec p^2\,c^2=m^2\,c^4</math> | ||
gilt für die Hamilton-Funktion | gilt für die Hamilton-Funktion | ||
:<math>\mathcal H(t, \ | :<math>\mathcal H(t, \vec q, \vec p)=\sqrt{m^2\,c^4+\vec p^2\,c^2}.</math> | ||
Beim freien relativistischen Teilchen mit der Lagrangefunktion | Beim freien relativistischen Teilchen mit der Lagrangefunktion | ||
:<math>\mathcal L= -m\,c^2 \sqrt{1-\dot{\ | :<math>\mathcal L= -m\,c^2 \sqrt{1-\dot{\vec q}^2/c^2}</math> | ||
hängt der generalisierte Impuls <math>p = \frac{\partial \mathcal L}{\partial \dot q}</math> gemäß | hängt der generalisierte Impuls <math>p = \frac{\partial \mathcal L}{\partial \dot q}</math> gemäß | ||
:<math>\ | :<math>\vec p=\frac{m \dot{\vec q}}{\sqrt{1-\dot{\vec q}^2/c^2}}</math> | ||
von der Geschwindigkeit ab. Umgekehrt ist die Geschwindigkeit daher die Funktion | von der Geschwindigkeit ab. Umgekehrt ist die Geschwindigkeit daher die Funktion | ||
:<math>\dot{\ | :<math>\dot{\vec q}=\frac{\vec p\,c^2}{\sqrt{m^2\,c^4+\vec p^2\,c^2}}</math> | ||
des Impulses. | des Impulses. | ||
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:<math>\mathcal H(x, p) = \dot{x} p - \mathcal L(x, \dot{x}) = \frac{p^2}{2m} + \frac m2 \omega_0^2 x^2 = T + V = E</math> | :<math>\mathcal H(x, p) = \dot{x} p - \mathcal L(x, \dot{x}) = \frac{p^2}{2m} + \frac m2 \omega_0^2 x^2 = T + V = E</math> | ||
=== Geladenes Teilchen im elektromagnetischen Feld === | |||
In kartesischen Koordinaten (<math>\vec q = \vec x</math>) lautet die [[Lagrange-Funktion]] eines Teilchens der Ladung <math>q</math>, das sich durch ein elektromagnetisches Feld bewegt, | |||
:<math>\mathcal L = \frac 12 m \dot{\vec{x}}^2 + q \left( \dot{\vec{x}} \cdot \vec{A} \right) - q \phi</math> | |||
Dabei ist <math>\phi</math> das [[Elektrisches Potential|elektrische Potential]] und <math>\vec A</math> das [[Vektorpotential]] des magnetischen Feldes. Der [[Generalisierter Impuls|kanonische Impuls]] ist | |||
:<math>\vec p = \frac{\partial \mathcal L}{\partial \dot \vec x} = m\dot \vec x + q \vec A </math> | |||
Diese Gleichung kann so umgestellt werden, dass die Geschwindigkeit durch den Impuls ausgedrückt wird: | |||
:<math>\dot \vec x = \frac 1m \left( \vec p - q \vec A \right) </math> | |||
Wird der Ausdruck für <math>\dot \vec x </math> und <math>\vec p</math> in die Definition der Hamilton-Funktion eingesetzt, ergibt sich diese zu: | |||
:<math>\mathcal H = \dot \vec x \cdot \vec p - \mathcal L = \frac{1}{2m} \left( \vec p - q \vec A \right)^2 + q \phi</math> | |||
== Literatur == | == Literatur == | ||
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| ISBN=3-527-40589-5 | | ISBN=3-527-40589-5 | ||
}} | }} | ||
*{{Literatur | *{{Literatur | ||
| Autor=Wolfgang Nolting | | Autor=Wolfgang Nolting | ||
Die Hamilton-Funktion $ {\mathcal {H}}({\vec {q}}_{1},{\vec {q}}_{2},\ldots ,{\vec {p}}_{1},{\vec {p}}_{2},\ldots ,t) $ (auch Hamiltonian, nach William Rowan Hamilton) eines Systems von Teilchen ist, wenn keine rheonomen (d. h. zeitabhängigen) Zwangsbedingungen vorliegen, die Gesamtenergie als Funktion der Orte und Impulse der Teilchen und gegebenenfalls der Zeit. Sie ist eine Legendre-Transformierte der Lagrange-Funktion des Systems. Statt durch die Orts- und Impulskoordinaten kann der funktionale Zusammenhang auch durch die verallgemeinerten Ortskoordinaten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): q=(q_1, q_2, \dotsc, q_n) und verallgemeinerten Impulskoordinaten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): p=(p_1, p_2, \dotsc, p_n) ausgedrückt werden.
Die Hamilton-Funktion ist definiert durch
und hängt ab von
Sie geht hervor aus einer Legendre-Transformation der Lagrange-Funktion Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mathcal L(t, q, \dot q) bezüglich der generalisierten Geschwindigkeiten, die von den generalisierten Koordinaten und ihren Geschwindigkeiten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \dot q=(\dot q_1, \dot q_2, \dotsc, \dot q_n) abhängt:
Dabei sind auf der rechten Seite mit den Geschwindigkeiten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \dot q diejenigen Funktionen
gemeint, die man erhält, wenn man die Definition der generalisierten Impulse
nach den Geschwindigkeiten auflöst.
Das totale Differential der Hamilton-Funktion lautet:
Aufgrund der Produktregel erhält man
wobei wegen der Definition des verallgemeinerten Impulses Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \frac{\partial \mathcal L}{\partial \dot{q}_i} = p_i die ersten und letzten Terme in den Klammern die Summe 0 haben, sodass gilt:
Mit der obigen Schreibweise des totalen Differentials folgen hieraus die partiellen Ableitungen der Hamilton-Funktion:
Die totale Ableitung der Hamilton-Funktion nach der Zeit ist identisch mit der partiellen:
Wenn die Hamilton-Funktion also nicht explizit von der Zeit Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): t abhängt, ist ihr Wert eine Erhaltungsgröße:
Die Hamilton-Funktion bestimmt die zeitliche Entwicklung der Teilchenorte und -impulse durch die Hamiltonschen Bewegungsgleichungen:
Ebenso bestimmt der Hamiltonoperator die Zeitentwicklung in der Quantenmechanik. Man erhält ihn in vielen Fällen aus der Hamiltonfunktion durch kanonische Quantisierung, indem man den algebraischen Ausdruck für Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mathcal H(t, q, p) als Funktion von Operatoren Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): q und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): p liest, die den kanonischen Vertauschungsrelationen genügen.
Bei einem Teilchen der Masse $ m $, das sich nichtrelativistisch in einem Potential Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): V bewegt, setzt sich die Hamilton-Funktion aus kinetischer und potentieller Energie zusammen:
Für ein relativistisches, freies Teilchen mit der Energie-Impuls-Beziehung
gilt für die Hamilton-Funktion
Beim freien relativistischen Teilchen mit der Lagrangefunktion
hängt der generalisierte Impuls Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): p = \frac{\partial \mathcal L}{\partial \dot q} gemäß
von der Geschwindigkeit ab. Umgekehrt ist die Geschwindigkeit daher die Funktion
des Impulses.
Die Hamilton-Funktion eines eindimensionalen harmonischen Oszillators ist gegeben durch:
In kartesischen Koordinaten (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec q = \vec x ) lautet die Lagrange-Funktion eines Teilchens der Ladung Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): q , das sich durch ein elektromagnetisches Feld bewegt,
Dabei ist Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \phi das elektrische Potential und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec A das Vektorpotential des magnetischen Feldes. Der kanonische Impuls ist
Diese Gleichung kann so umgestellt werden, dass die Geschwindigkeit durch den Impuls ausgedrückt wird:
Wird der Ausdruck für Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \dot \vec x und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec p in die Definition der Hamilton-Funktion eingesetzt, ergibt sich diese zu: