адіабатичний інваріант

У класичній механічній системі, яка здійснює періодичне рух з періодом T і залежить від параметра λ, адіабатічность зміни параметра визначається умовою

Функція Гамільтона системи залежить від її внутрішніх змінних і параметра

Внутрішні змінні q і p змінюються з часом швидко, з періодом T. Але енергія системи E є інтегралом руху при незмінному параметрі λ. При зміні параметра в часі

При усередненні цього виразу за часом протягом періоду можна вважати, що параметр λ незмінний.

де усереднення визначено як

Зручно перейти від інтегрування по часу до інтегрування по змінній q:

У такому випадку період T дорівнює

де інтегрування проводиться вперед і назад в межах зміни координати за період руху.

Записуючи імпульс, як функцію енергії E, координати q і параметра, після деяких перетворень можна отримати

Остаточно, можна записати

і буде адиабатическим інваріантом.

Інтеграл. що входить в отриманий вираз, набуває простий геометричний сенс, якщо звернутися до подання про фазовий просторі і фазової траєкторії системи в ньому. В даному випадку система має одну ступінь свободи. тому фазовий простір являє собою фазову площину. утворену безліччю точок з координатами p і q. Оскільки система здійснює періодичне рух, то її фазова траєкторія [2] є замкнутою кривою на цій площині, відповідно, інтеграл береться вздовж цієї замкнутої кривої. У підсумку виходить, що інтеграл ∮ p d q дорівнює площі фігури, обмеженої фазової траєкторією системи.

Площа можна висловити і в вигляді двовимірного інтеграла, тоді для адіабатичного інваріанту буде виконуватися

Приклад. гармонійний осцилятор

Розглянемо як приклад одновимірний гармонійний осцилятор. Функція Гамільтона такого осцилятора має вигляд

де ω - власна (циклічна) частота осцилятора. Рівняння фазової траєкторії в даному випадку визначається законом збереження енергії H (p. Q) = E і тому має вигляд

З рівняння видно, що траєкторія являє собою еліпс з півосями 2 m E >> і 2 E / m ω 2 >>>. відповідно його площа, поділена на 2 π. дорівнює E ω >>. Таким чином, величина I = E ω >> є адіабатичним інваріантом для гармонічного осцилятора. Звідси випливає, що в тих випадках, коли параметри осцилятора змінюються повільно, його енергія змінюється пропорційно частоті.

Властивості адіабатичного інваріанту

Похідна від адіабатичного інваріанту по енергії дорівнює періоду, розділеному на 2π.

де ω - циклічна частота.

За допомогою канонічних перетворень можна зробити адіабатичний інваріант нової змінної, яка називається змінної дії. У новій системі змінних вона грає роль імпульсу. Канонічно сполучена до неї змінна називається кутовий змінної.

Схожі статті