Mécanique analytique

Table des matières

I. L'ÉQUATION DE LAGRANGE

1. Énergies cinétique et potentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Théorème des forces vives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Forces conservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Coordonnée et moment généralisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Degrés de liberté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Moment canoniquement conjugué . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Les forces généralisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. L’équation de Lagrange généralisée . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. L’équation de d’Alembert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. L’équation fondamentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Mouvement oscillatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Nombre de degrés de liberté d’un solide . . . . . . . . . . . . .

b. L’oscillateur harmonique linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Le pendule double . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Le pendule sphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Mouvement d’Euler - Poinsot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Les symboles de Christoffel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. Le pendule simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

II. LES ÉQUATIONS CANONIQUES

1. L’énergie cinétique généralisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. La fonction de Hamilton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Espaces de configuration et des phases . . . . . . . . . . . . . . . .

4. La transformation de Legendre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. L’équation du plan tangent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Les équations de la transformation . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Les fonctions thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Relation entre fonctions de Lagrange et de Hamilton . . .

5. L’énergie potentielle généralisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les équations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. L’hamiltonien magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Le potentiel généralisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Loi de Hooke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Moment généralisé associé à une rotation . . . . . . . . . . . .

c. Énergie cinétique généralisée d’une tige . . . . . . . . . . . . .

d. Généralisation de l’équation de Lagrange aux collisions

e. Étude du mouvement d’une toupie symétrique . . . . . . . . .

f. Écriture covariante des équations de l’électromagnétisme

g. Structure symplectique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

III. LES LIAISONS ET LES FROTTEMENTS

1. Classifications des liaisons géométriques . . . . . . . . . . . . . .

a. La liaison d’encastrement ou fixe . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. La liaison pivot. rotoïde ou cylindrique . . . . . . . . . . . . .

c. La liaison glissière ou prismatique . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. La liaison hélicoïdale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. La liaison verrou ou pivot glissant . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. La liaison sphérique ou rotule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. La liaison appui-plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

h. La liaison sphère-cylindre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i. La liaison arête-plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

j. La liaison ponctuelle ou sphère-plan . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Étude analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Liaisons holonomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Liaisons scléronome et rhéonome . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Autres définitions de liaisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. La méthode du système libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Les systèmes dissipatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les frottements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. La fonction de Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Les multiplicateurs de Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Le pendule simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. La statistique de Maxwell Boltzmann . . . . . . . . . . . . . . .

5. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Chute des corps avec frottement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Contrainte de roulement d’une sphère . . . . . . . . . . . . . . .

c. Réaction d’un cerceau sur une particule . . . . . . . . . . . . .

d. Lois de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Distributions statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

IV. LA MÉCANIQUE VARIATIONNELLE

1. Le théorème d’Euler - Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Géodésique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Principe variationnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Définition de l’action de Jacobi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Principe de Lagrange-Hamilton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Les équations du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Le principe de moindre action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Le principe de Fermat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Le chemin optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. La mécanique des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Optique géométrique et principe variationnel . . . . . . . . .

7. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Lois de Descartes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Lentille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Courbe fermée entourant la plus grande surface possible

d. Particule libre relativiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Généralisation de l’équation d’Euler - Lagrange . . . . . . .

f. Chute des corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. Courbe brachistochrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

h. Géodésique d’une surface sphérique . . . . . . . . . . . . . . . .

i. Équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

V. LA SYMÉTRISATION DE L'ESPACE DES PHASES

1. Transformation canonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Fonction génératrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. La transformation identique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. L’échange des coordonnées et des moments . . . . . . . . . .

c. L’oscillateur harmonique linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Familles de fonctions génératrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Les crochets de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Équations du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Déterminant fonctionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Invariance des crochets de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Transformation de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Le temps considéré comme variable canonique . . . . . . . .

b. Fonction génératrice d’une rotation infinitésimale . . . . .

c. Le principe d’inertie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Crochets de Poisson et oscillateur linéaire . . . . . . . . . . .

e. Fonctions génératrices simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Identité de Jacobi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. Théorème de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

h. Fonction génératrice d’un oscillateur linéaire . . . . . . . . .

i. Oscillateur forcé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

j. Seconde quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

k. Opérateur de Liouville . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

l. Transformation de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

m. Forces centrales et crochets de Poisson . . . . . . . . . . . . .

n. Groupe des transformations canoniques . . . . . . . . . . . . .

o. Transformation de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

VI. LA MÉCANIQUE DE JACOBI

1. L’équation de Jacobi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. La fonction de Routh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les coordonnées cycliques ou cachées . . . . . . . . . . . . . .

b. Les équations du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Variable d’action et variable angulaire . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les variables angulaires Wk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Les variables d’action Jk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Invariance des Jk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. L’oscillateur harmonique linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. La méthode de résolution de Jacobi . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Principe de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. L’oscillateur harmonique linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Problème inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Équation de Jacobi
    et importance des conditions aux limites . . . . . . . . . . . . .

b. Fonction de Routh d’une toupie symétrique . . . . . . . . . . .

c. Mouvement d’Euler - Poinsot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Oscillateur linéaire dont l’énergie varie dans le temps

 

VII. L'ANCIENNE THÉORIE DES QUANTA

1. Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Les postulats de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Premier postulat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Deuxième postulat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Troisième postulat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Les règles de quantification de Wilson-Sommerfeld . . . . . .

4. Les défauts de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. L’atome hydrogénoïde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Le modèle atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Le lagrangien du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Repère de Koenig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Le mouvement du centre de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Le mouvement de l’électron autour du noyau . . . . . . . . . .

6. Les lignes spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Particule dans une boîte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Réacteur nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

VIII. DESCRIPTION DES CHAMPS

1. Les équations de Lagrange pour un milieu continu . . . . . . .

a. Densité lagrangienne non relativiste . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Les équations du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Dérivées fonctionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Étude des oscillations longitudinales d’une tige . . . . . . . . .

3. Vitesse de propagation du son . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. L’équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Le champ électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Le théorème de Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Les équations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Le lagrangien électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Vibrations transversales d’une corde tendue . . . . . . . . . .

b. Retour sur les dérivées fonctionnelles . . . . . . . . . . . . . . .

c. Équation de contrainte en électromagnétisme . . . . . . . . .

d. Champs relativistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Champs scalaires et vectoriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

IX. Théorème de Noether

1. Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Invariant du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Théorème de Noether pour les champs . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Systèmes conservatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Principe d’inertie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Isotropie de l’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Translation quadridimensionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

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