¿Es posible aplicar las ecuaciones de Hamilton-Jacobi a una partícula con potencial V(q) en una dimensión?
Y finalmente vamos a mostrar como es la ecuación integro-diferencial para la partícula con potencial mediante el formalismo de Hamilton-Jacobi (Debes tener en cuenta que digo finalmente, porque desarrollo el problema de cuatro formas diferentes, y lo mejor siempre se deja para lo último):
H(pq,q)=p2q2m+V(q)=E
Aplicamos las ecuaciones de Hamilton-Jacobi:
∂S∂t+H(qi,∂S∂qi,t)=0
Pero no hay dependencia explicita del tiempo, por lo tanto la escribiremos simplemente como:
S(qi)=S0−Et
Ahora si aplicamos la ecuación de Hamilton-Jacobi para nuestro hamiltoniano, esto es colocar la derivada parcial ∂S∂q en todo término donde esté presente el momento pq del sistema:
p2q2m+V(q)=E
12m(∂S0∂q)2+V(q)=E
Despejamos los términos del parentesis:
(∂S0∂q)2=2m[E−V(q)]
Aplicamos separación de variables (Se debe aplicar en caso que haya más variables, pero en nuestro caso de una dimensión no tiene mucha importancia):
S0=Q(q)
Y nos quedara en términos de una diferencial ordinaria de primer orden:
(dQ(q)dq)2=2m[E−V(q)]
Despejamos la función Q(q):
dQ(q)dq=√2m[E−V(q)]
∫dQ(q)dqdq=∫√2m[E−V(q)]dq
∫dQ(q)=∫√2m[E−V(q)]dq
Q(q)=∫√2m[E−V(q)]dq
La acción toma la forma:
S(q)=Q(q)−Et
S(q)=∫√2m[E−V(q)]dq−Et
Y está ultima se llama la integral completa. Derivamos parcialmente respecto a q
∂S(q)∂q=pq=√2m[E−V(q)]
Corresponde al momento en función de la energía para la partícula libre que se obtiene con el formalismo de Hamilton, ahora derivamos parcialmente respecto a la energía E y obtenemos la ecuación integro-diferencial:
∂S(q)∂E=βE=∫2m2√2m[E−V(q)]dq−t
βE=∫m√2m[E−V(q)]dq−t
Donde no es posible despejar q, ya que no sabemos la forma de la función V(q), y por tanto no se pueden conocer los valores de las constantes βE y E.
Pero este resultado concuerda con integrar las ecuaciones de movimiento a partir de la conservación de la energía si lo dejamos de la siguiente forma:
t=√m2∫1√[E−V(q)]dq−βE
Despejamos los términos del parentesis:
(∂S0∂q)2=2m[E−V(q)]
Aplicamos separación de variables (Se debe aplicar en caso que haya más variables, pero en nuestro caso de una dimensión no tiene mucha importancia):
S0=Q(q)
Y nos quedara en términos de una diferencial ordinaria de primer orden:
(dQ(q)dq)2=2m[E−V(q)]
Despejamos la función Q(q):
dQ(q)dq=√2m[E−V(q)]
∫dQ(q)dqdq=∫√2m[E−V(q)]dq
∫dQ(q)=∫√2m[E−V(q)]dq
Q(q)=∫√2m[E−V(q)]dq
La acción toma la forma:
S(q)=Q(q)−Et
S(q)=∫√2m[E−V(q)]dq−Et
Y está ultima se llama la integral completa. Derivamos parcialmente respecto a q
∂S(q)∂q=pq=√2m[E−V(q)]
Corresponde al momento en función de la energía para la partícula libre que se obtiene con el formalismo de Hamilton, ahora derivamos parcialmente respecto a la energía E y obtenemos la ecuación integro-diferencial:
∂S(q)∂E=βE=∫2m2√2m[E−V(q)]dq−t
βE=∫m√2m[E−V(q)]dq−t
Donde no es posible despejar q, ya que no sabemos la forma de la función V(q), y por tanto no se pueden conocer los valores de las constantes βE y E.
Pero este resultado concuerda con integrar las ecuaciones de movimiento a partir de la conservación de la energía si lo dejamos de la siguiente forma:
t=√m2∫1√[E−V(q)]dq−βE
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