Kurs:Theoretische Mechanik

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Theoretische Physik 1 - Mechanik

Hinweis: Gesucht werden Autoren und Korrektoren

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Mathematische Grundlagen

Einstein'sche Summenkonvention

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Die Einstein'sche Summenkonvention wurde 1916 von Einstein als Mathematische Grundlage zur Allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschlagen und wird mittlerweile hauptsächlich in der theoretischen Physik verwendet. Sie besteht darin, das Summenzeichen wegzulassen und stattdessen über in Produkten doppelt auftretende Indizes zu summieren. Dadurch reduziert sich der Schreibaufwand. Man sollte nur stets im Hinterkopf behalten, dass es sich trotzdem um Summen handelt.

Beispiele:

$(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b})=\sum _i{a}_i{b}_i=a_i{b}_i$ (Standardskalarprodukt)

$(\overrightarrow{b}\times \overrightarrow{c})=\sum _{j,k}{\epsilon }_{ijk}{b}_j{c}_k{\overrightarrow{e}}_i={\epsilon }_{ijk}{b}_j{c}_k{\overrightarrow{e}}_i$ (Vektorprodukt)

$\overrightarrow{a}\cdot (\overrightarrow{b}\times \overrightarrow{c})=\sum _{i,j,k}{\epsilon }_{ijk}{a}_i{b}_j{c}_k={\epsilon }_{ijk}{a}_i{b}_j{c}_k$ (Spatprodukt)

Weiterführendes:

• Einstein'sche Summenkonvention

Tensoren

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• Ein Tensor n.Stufe hat $3^n$ Elemente. Ein Tensor 2. Stufe also $3^2=9$

Levi-Civita-Symbol

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Definition

${\epsilon }_{ijk\dots }:=\{\begin{array}{cc}+1,& \text{falls }(i,j,k,\dots )\text{ eine gerade Permutation von }(1,2,3,\dots )\text{ ist,}\\ -1,& \text{falls }(i,j,k,\dots )\text{ eine ungerade Permutation von }(1,2,3,\dots )\text{ ist,}\\ 0,& \text{wenn mindestens zwei Indizes gleich sind.}\end{array}$

Levi-Civita-Symbol im R^3

Aber was heißt das? Das Levi-Civita-Symbol ist ein invarianter, total antisymmetrischer (Pseudo-)Tensor n-ter Stufe.

Im ${ℝ}^3$ gilt:

${\epsilon }_{ijk}={\overrightarrow{e}}_i({\overrightarrow{e}}_j\times {\overrightarrow{e}}_k)$

Daraus folgt:

$\overrightarrow{a}(\overrightarrow{b}\times \overrightarrow{c})=a_i{\overrightarrow{e}}_i(b_j{\overrightarrow{e}}_j\times c_k{\overrightarrow{e}}_k)=a_i{b}_j{c}_k{\overrightarrow{e}}_i({\overrightarrow{e}}_j\times {\overrightarrow{e}}_k)=\sum _{i,j,k}{\epsilon }_{ijk}{a}_i{b}_j{c}_k={\epsilon }_{ijk}{a}_i{b}_j{c}_k$

${\epsilon }_{ijk}=\left|\begin{array}{ccc}{e}_{i,1}& e_{i,2}& e_{i,3}\\ e_{j,1}& e_{j,2}& e_{j,3}\\ e_{k,1}& e_{k,2}& e_{k,3}\end{array}\right|$

Die Herleitung der Determinantenschreibweise ist als Übungsaufgabe aufgelistet, die Lösung steht dabei.

Beispiel im ${ℝ}^3$:

Mit ${\overrightarrow{e}}_1,{\overrightarrow{e}}_2,{\overrightarrow{e}}_3$ als normale kartesische Einheitsvektoren:

Gerade Permutation: ${\epsilon }_{123}=\left|\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right|=(1\cdot 1\cdot 1)+(0\cdot 0\cdot 0)+(0\cdot 0\cdot 0)-((0\cdot 1\cdot 0)+(0\cdot 0\cdot 1)+(1\cdot 0\cdot 0))=1$

Ungerade Permutation: ${\epsilon }_{132}=\left|\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 1\\ 0& 1& 0\end{array}\right|=(1\cdot 0\cdot 0)+(0\cdot 1\cdot 0)+(0\cdot 1\cdot 0)-((0\cdot 0\cdot 0)+(1\cdot 1\cdot 1)+(0\cdot 0\cdot 0))=-1$

Zwei gleiche Indizes: ${\epsilon }_{113}=\left|\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right|=(1\cdot 0\cdot 1)+(1\cdot 0\cdot 0)+(0\cdot 0\cdot 0)-((0\cdot 0\cdot 0)+(0\cdot 0\cdot 1)+(1\cdot 1\cdot 0))=0$

Kronecker-Delta

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Das Kronecker-Delta ${\delta }_{ij}$ ist ein Tensor zweiter Stufe mit zwei Indizes, i und j. Es wird hauptsächlich in Summenformeln bei Vektor- und Matrizenrechnung verwendet.

Definition

${\delta }_{ij}:=\{\begin{array}{cc}1& \text{falls }i=j\\ 0& \text{falls }i\ne j\end{array}$

Daraus folgt im dreidimensionalem euklidischem Raum mit den Einheitsvektoren ${\overrightarrow{e}}_i,{\overrightarrow{e}}_j$:

${\delta }_{ij}={\overrightarrow{e}}_i\cdot {\overrightarrow{e}}_j$

Beispiel

${\overrightarrow{e}}_1=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right),{\overrightarrow{e}}_2=\left(\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right)$

für $i=j=1$ folgt ${\delta }_{11}={\overrightarrow{e}}_1\cdot {\overrightarrow{e}}_1=(1\cdot 1+0\cdot 0+0\cdot 0)=1$

für $i\ne j$ mit z.B. $i=1,j=2$ folgt: ${\delta }_{12}={\overrightarrow{e}}_1\cdot {\overrightarrow{e}}_2=(1\cdot 0+0\cdot 1+0\cdot 0)=0$

Übungsaufgaben

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Levi-Civita-und Kronecker-Delta
Hinweis: Da die Übungsaufgaben aufeinander aufbauen, bietet es sich an sie in der Reihenfolge 
zu bearbeiten.

1.) Zeige: ${\epsilon }_{ijk}=det({\overrightarrow{e}}_i,{\overrightarrow{e}}_j,{\overrightarrow{e}}_k)$ Lösung

2.) Zeige: ${\epsilon }_{ijk}{\epsilon }_{ilm}={\delta }_{jl}{\delta }_{km}-{\delta }_{jm}{\delta }_{kl}$ Lösung

3.) Zeige: $\overrightarrow{c}(\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b})=\overrightarrow{a}(\overrightarrow{b}\times \overrightarrow{c})=\overrightarrow{b}(\overrightarrow{c}\times \overrightarrow{a})$ Lösung

4.) Zeige: $\overrightarrow{a}\times (\overrightarrow{b}\times \overrightarrow{c})=\overrightarrow{b}(\overrightarrow{a},\overrightarrow{c})-\overrightarrow{c}(\overrightarrow{a},\overrightarrow{b})$ Lösung

5.) Zeige: $(\overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b})(\overrightarrow{c}\times \overrightarrow{d})=(\overrightarrow{a},\overrightarrow{c})(\overrightarrow{b},\overrightarrow{d})-(\overrightarrow{b},\overrightarrow{c})(\overrightarrow{a},\overrightarrow{d})$ Lösung

6.) Zeige: ${\epsilon }_{ijk}{\epsilon }_{ijn}=2{\delta }_{kn}$ Lösung (Lösung fehlt noch!)

7.) Zeige: ${\epsilon }_{ijk}{\epsilon }_{ijk}=6$ (Lösung fehlt noch!)

Differentialoperator

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* Ein Differentialoperator ist kein Vektor im eigentlichen Sinne!
* Man kann Differentialoperatoren nicht kürzen oder mit ihnen erweitern!
* Existiert nur an Stellen, wo die Funktion nach allen Koordinaten stetig differenzierbar ist
* Satz von Schwarz für zweifach stetig differenzierbare Funktionen

Nabla

Der Nabla-Operator bildet die partiellen Ableitungen einer Funktion nach den verschiedenen Koordinaten.

$\mathrm{\nabla }={\overrightarrow{e}}_i\frac{\partial }{\partial x_i}={\overrightarrow{e}}_i{\mathrm{\nabla }}_i=\left(\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x_1}\\ ⋮\\ \frac{\partial }{\partial x_n}\end{array}\right)$

Gradient

Der Gradient $\mathrm{\nabla }\phi (\overrightarrow{r})$, auch $\mathrm{grad}\phi (\overrightarrow{r})$, ist als der Vektor, der durch das partielle Ableiten eines Skalarfeldes $\phi (\overrightarrow{r})$ entsteht, definiert. Er existiert nur an den Stellen, wo das Skalarfeld $\phi (\overrightarrow{r})$ nach allen Koordinaten partiell stetig differenzierbar ist.

Für ein Skalarfeld $\phi (x_1,\dots ,x_n)$ im n-dimensionalem euklidischem Raum gilt:

$\mathrm{grad}\phi =\mathrm{\nabla }\phi ={\mathrm{\nabla }}_i\phi {\overrightarrow{e}}_i=\frac{\partial \phi }{\partial x_i}{\overrightarrow{e}}_i=\left(\begin{array}{c}\frac{\partial \phi }{\partial x_1}\\ ⋮\\ \frac{\partial \phi }{\partial x_n}\end{array}\right)$

Divergenz

Im n-dimensionalem euklidischen Raum gilt:

$\mathrm{div}\overrightarrow{A}(\overrightarrow{r})=\mathrm{\nabla }\overrightarrow{A}(\overrightarrow{r})=\sum _i^n\frac{\partial A_i(\overrightarrow{r})}{\partial x_i}=\frac{\partial A_i(\overrightarrow{r})}{\partial x_i}={\mathrm{\nabla }}_i{A}_i(\overrightarrow{r})$

Rotor (oft auch Rotation)

Im n-dimensionalem euklidischen Raum gilt:

$\mathrm{rot}\overrightarrow{A}(\overrightarrow{r})=\mathrm{\nabla }\times \overrightarrow{A}(\overrightarrow{r})={\epsilon }_{ijk}{\mathrm{\nabla }}_i{A}_j(\overrightarrow{r}){\overrightarrow{e}}_k$

Für ${ℝ}^3$ folgt:

$\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{t}\overrightarrow{A}(\overrightarrow{r})=\mathrm{\nabla }\times \overrightarrow{A}(\overrightarrow{r})=\left(\begin{array}{c}\frac{\partial A_3(\overrightarrow{r})}{\partial x_2}-\frac{\partial A_2(\overrightarrow{r})}{\partial x_3}\\ \frac{\partial A_1(\overrightarrow{r})}{\partial x_3}-\frac{\partial A_3(\overrightarrow{r})}{\partial x_1}\\ \frac{\partial A_2(\overrightarrow{r})}{\partial x_1}-\frac{\partial A_1(\overrightarrow{r})}{\partial x_2}\end{array}\right),$

Übungsaufgaben

Differentialoperatoren grad, div, rot
Hinweis: Alle Skalarfelder, Vektorfelder sind zweifach stetig differenzierbar.

• 1.) Zeige: $\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{t}\overrightarrow{A}=0$ Lösung
• 2.) Zeige: $\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}B=0$ Lösung (noch nicht vorhanden)
• 3.) Zeige: $\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}B=0$ Lösung (noch nicht vorhanden)

Koordinatentransformation

Verschiebung (Translation)

Verschiebung

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Drehung (Rotation)

Drehung gegen den Uhrzeigersinn

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Literatur

• Nolting - Grundkurs: Theoretische Physik (Klassische Mechanik) - ISBN 3-922410-18-9
• Rebhan - Theoretische Physik: Mechanik - ISBN 3-8274-1716-3
• Fließbach, Walliser - Arbeitsbuch zur Theoretischen Physik - ISBN 3-8274-1521-7