Como vimos en publicaciones anteriores, me gusta dejar para lo último el método de Hamilton-Jacobi, porque a partir de la integral completa podemos obtener una ecuación integro-diferencial, para poder hallar la solución del problema, además de proporcionarnos el espacio de fase, y cumplir con todos los principios variacionales.
Aplicamos las ecuaciones de Hamilton-Jacobi a nuestro hamiltoniano, tal como antes :
p2y2m−mgy=E
12m(∂S0∂y)2−mgy=E
Despejamos los términos del parentesis:(∂S0∂y)2=2m(E+mgy)
Aplicamos separación de variables:
S0=Y(y)
Y nos quedara en términos de una diferencial ordinaria de primer orden:
(dY(y)dy)2=2m(E+mgy)
Despejamos la función Y(y):
dY(y)dy=√2m(E+mgy)
∫dY(y)dydy=∫√2m(E+mgy)dy
∫dY(y)=∫√2m(E+mgy)dy
Y(y)=∫√2m(E+mgy)dy
La acción toma la forma:
S(y)=Y(y)−Et
La integral completa toma la forma:
S(y)=∫√2m(E+mgy)dy−Et
Y está ultima se llama la integral completa del probelma. Derivamos parcialmente respecto a x
∂S(y)∂y=py=√2m(E+mgy)
Corresponde al momento en función de la energía para la partícula en caída libre, en esta publicación tenemos el espacio de fase correspondiente, ahora derivamos parcialmente respecto a la energía E y obtenemos la ecuación integro-diferencial:
∂S(y)∂E=βE=∫2m2√2m(E+mgy)dx−t
βE=∫m√2m(E+mgy)dx−t
Sacando factor común de la energía en la raíz cuadrada es posible escribir:
βE+t=√m2E∫dy√1+mgEy
La respuesta a esta integral es:
√m2E∫dy√1+mgEy=√2Emg2√1+mgEy
Despejamos y:
βE+t=√2Emg2√1+mgEy
y(t)=g2(βE+t)2−Emg
Para hallar las constantes E y βE debemos aplicar las siguientes condiciones iniciales y(t0)=y0 y vy(t0)=v0, luego también necesitamos obtener la derivada de nuestra solución:
vy(t)=g(βE+t)
Aplicamos las condiciones iniciales y nos queda el siguiente sistema de ecuaciones:
y0=g2(βE+t0)2−Emg
v0=g(βE+t0)
Vemos que se cumple la igualdad y0=v02(βE+t0)−Emg podemos hallar la constante E:
E=mgv02(βE+t0)−mgy0
A partir de la segunda ecuación es posible hallar la constante βE:
βE=v0g−t0
Reemplazamos este resultado para obtener finalmente el valor de la constante E:
E=12mv20−mgy0
Reemplazamos ahora estos términos en nuestra solución original y llegamos a lo siguiente:
y(t)=g2(v0g−t0+t)2−v202g+y0
Que podemos representar mejor de la siguiente manera:
y(t)=g(t−t0)22+v0(t−t0)+y0
Sí el tiempo inicial t0=0, obtenemos las ecuaciones de un movimiento en caída libre que se obtienen al analizar la cinemática del problema:
y(t)=gt22+v0t+y0
Además podemos observar que sí t=t0 tendremos el movimiento desde el reposo:
y(t0)=y0
Luego hemos hallado las soluciones al problema planteado.
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