Jak się ma zasada zachowania energii do zasady najmniejszego działania?

Pytanie

Pyta Malgorzata

Jak się ma zasada zachowania energii w polu grawitacyjnym (tzn. suma energii kinetycznej i potencjalnej jest stała, $E_k+E_p=const$) do zasady najmniejszego działania ($\int(E_k-E_p)dt$ jest minimalne)?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Piotr Sułkowski

Obydwie wspomniane zasady są spełnione podczas ruchu. Natomiast, w ogólności, tylko zasada najmniejszego (czy też poprawniej: ekstremalnego, tzn. być może także największego) działania pozwala na wyznaczenie ruchu danego ciała. Zasada zachowania energii jest podczas ruchu spełniona, natomiast w ogólności nie pozwala ona na wyznaczenie ruchu.

Zasada ekstremalnego działania jest równoważna pełnemu zestawowi równań ruchu (równoważnych równaniom Newtona) opisujących ruch ciała. Na przykład, jeśli punkt materialny porusza się w przestrzeni trójwymiarowej, to jego ruch opisuje układ trzech równań Newtona (i równania te są równoważne zasadzie ekstremalnego działania). Rozwiązując te równania (i uwzględniając odpowiednie warunki w chwili początkowej, tzn. położenie i prędkość) możemy jednoznacznie wyznaczyć ruch punktu. Natomiast zasada zachowania energii jest tylko jednym równaniem, i w ogólności nie pozwala ono na wyznaczenie większej liczby niewiadomych. Ruch punktu można natomiast wyznaczyć z zasady zachowania energii (jeśli ponadto znamy warunki w chwili początkowej) wtedy, kiedy układ ma tylko jeden stopień swobody – czyli np. wtedy, kiedy rozpatrujemy ruchu punktu w przestrzeni jednowymiarowej.