ecuaciones de euler-lagrange y lagrangiano de sistemas mecánicos

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Sistemas Dinámicos Carlos Armando De Castro Payares Ecuaciones de Euler-Lagrange y Lagrangiano de Sistemas Mecánicos de partículas Las ecuaciones de Euler-Lagrange se utilizan para describir cualquier sistema mecánico por medio de coordenadas generalizadas de posición. El lagrangiano se utiliza para los sistemas conservativos y es un caso particular de las ecuaciones de Euler-Lagrange. Definiremos: j q : Coordenadas generalizadas de posición, puede ser una distancia, un ángulo, etc.… j q : Velocidades generalizadas, son las derivadas temporales de las posiciones. j Q : Fuerzas generalizadas que actúan sobre la partícula j. Entonces, si T es la energía cinética total del sistema (la suma de las energías cinéticas de todas las partículas) y V es la energía potencial total del sistema, las ecuaciones de Euler- Lagrange para la j-ésima partícula son j j j Q q T q T dt d = En el caso de un sistema conservativo, sabemos que j j q V Q = , entonces las ecuaciones de Euler-Lagrange resultan ( ) 0 q V T q T dt d 0 q V q T q T dt d q V q T q T dt d j j j j j j j j = = + = El lagrangiano de un sistema se define como V T L = , además, como en los sistemas mecánicos la energía potencial no depende de las velocidades sino únicamente de las posiciones, tenemos que 0 q / V j = , entonces podemos escribir j j j j j q L q ) V T ( q V q T q T = = = De lo anterior, vemos que las ecuaciones del sistema pueden escribirse en términos del lagrangiano de la forma

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[Damos asesorías en Bogotá: 3126369880 - https://sites.google.com/site/matematicasingenieria/]Las ecuaciones de Euler-Lagrange se utilizan para describir cualquier sistema mecánico por medio de coordenadas generalizadas de posición. El lagrangiano se utiliza para los sistemas conservativos y es un caso particular de las ecuaciones de Euler-Lagrange.

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Page 1: Ecuaciones de Euler-Lagrange y lagrangiano de sistemas mecánicos

Sistemas Dinámicos Carlos Armando De Castro Payares

Ecuaciones de Euler-Lagrange y Lagrangiano de Sistemas Mecánicos de partículas

Las ecuaciones de Euler-Lagrange se utilizan para describir cualquier sistema mecánico por medio de coordenadas generalizadas de posición. El lagrangiano se utiliza para los sistemas conservativos y es un caso particular de las ecuaciones de Euler-Lagrange. Definiremos:

jq : Coordenadas generalizadas de posición, puede ser una distancia, un ángulo, etc.…

jq : Velocidades generalizadas, son las derivadas temporales de las posiciones.

jQ : Fuerzas generalizadas que actúan sobre la partícula j. Entonces, si T es la energía cinética total del sistema (la suma de las energías cinéticas de todas las partículas) y V es la energía potencial total del sistema, las ecuaciones de Euler- Lagrange para la j-ésima partícula son

jjj

QqT

qT

dtd

=∂∂

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

En el caso de un sistema conservativo, sabemos que j

j qVQ

∂∂

−= , entonces las

ecuaciones de Euler-Lagrange resultan

( ) 0q

VTqT

dtd

0qV

qT

qT

dtd

qV

qT

qT

dtd

jj

jjj

jjj

=∂−∂

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

=∂∂

+∂∂

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

∂∂

−=∂∂

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

El lagrangiano de un sistema se define como VTL −= , además, como en los sistemas mecánicos la energía potencial no depende de las velocidades sino únicamente de las posiciones, tenemos que 0q/V j =∂∂ , entonces podemos escribir

jjjjj qL

q)VT(

qV

qT

qT

∂∂

=∂−∂

=∂∂

−∂∂

=∂∂

De lo anterior, vemos que las ecuaciones del sistema pueden escribirse en términos del lagrangiano de la forma

Page 2: Ecuaciones de Euler-Lagrange y lagrangiano de sistemas mecánicos

Sistemas Dinámicos Carlos Armando De Castro Payares

0qL

qL

dtd

jj

=∂∂

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

Ejemplo: péndulo simple Considere un péndulo simple como el que se muestra en la figura:

Como el sistema es conservativo (se asume que no hay pérdidas por fricción ni resistencia del aire) podemos describirlo utilizando el lagrangiano, entonces

• Energía cinética de la masa:

22212

212

21 ml)l(mmvT θθ ===

• Energía potencial de la masa:

)cos(mglV θ−=

• Lagrangiano del sistema:

)cos(mglmlVTL 22

21 θθ +=−=

Con lo anterior, podemos hallar la ecuación que rigen el movimiento de la masa por medio de las ecuaciones de Euler-Lagrange, entonces:

• Ecuación de Euler-Lagrange:

Page 3: Ecuaciones de Euler-Lagrange y lagrangiano de sistemas mecánicos

Sistemas Dinámicos Carlos Armando De Castro Payares

( ) ( )

( ) ( )

0sinmglml

0cosmglmldtd

0cosmglmlcosmglmldtd

0LLdtd

2

2

222122

21

=+

=∂∂

=+∂∂

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +∂∂

=∂∂

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

θθ

θθ

θ

θθθ

θθθ

θθ

Dividiendo ambos lados de la ecuación por ml tenemos la conocida ecuación del péndulo simple

0sinlg

=+ θθ