Los multiplicadores de Lagrange pueden ser positivos o negativos, según cómo se escriba matemáticamente la ligadura correspondiente. Es la misma situación que el sentido del vector del elemento de superficie de una superficie dada (ligadura). Existen dos versores posibles, según cómo se escriba la ecuación explícita de la superficie. Un convenio de signos es lo que decanta el versor final. El vínculo de los multiplicadores con las fuerzas de ligadura newtonianas debe analizarse en términos absolutos.
Relaja las ligaduras, pero sin pasarte
Cuando se aplican los multiplicadores de Lagrange para el cálculo de fuerzas de ligadura, SÓLO se relajan las ligaduras que capturen dichas fuerzas dejando el resto intactas. Sirva el ejemplo de un objeto rodante sobre una superficie. Si se quiere calcular la fuerza de ligadura de contacto no se debe tocar la ligadura de rodadura, dejándola en su forma original. Hay que recordar que la relajación de una ligadura no significa su eliminación. En un sentido virtual, la ligadura se desdibuja pero el resto de ligaduras siguen presentes. No es válido el siguiente razonamiento en la relajación: si no hay apoyo, no habrá rodadura.
Recordemos que existe fuerza de apoyo mientras exista contacto y tendencia al movimiento en contra de la ligadura (ambas condiciones). Y con la rodadura ocurre igual. En unos pocos casos es posible que la fuerza de retención cortante ligada a la rodadura sea nula debido a que no existe tendencia al movimiento relativo del punto material de contacto. Las condiciones de ligadura están por encima de la existencia de fuerzas de ligadura (no nulas).
Energía mecánica y ligaduras reónomas
Cuando un sistema está condicionado por una ligadura reónoma (acción de un motor que impone un giro, por ejemplo), la energía mecánica no se conservará (y posiblemente la transformada de Legendre de la Lagrangiana en las velocidades tampoco). Existe un aporte energético no nulo del agente externo que impone la ligadura. A priori, debido a la naturaleza de la ligadura, el tiempo debe aparecer explícitamente en la energía/lagrangiana (normalmente en el término cinético) y eso nos indica que no tiene un valor estacionario. Sin embargo, hay casos como el de la cuenta ensartada en un alambre circular que gira a velocidad constante, donde la energía mecánica no tiene una dependencia explícita con el tiempo y puede aparentar que adopte un valor estacionario. Sin embargo, se comprueba que es el hamiltoniano el que se mantiene constante durante todo el movimiento posible del sistema. Como en los sistemas reónomos generales, la energía no coincide numéricamente con el hamiltoniano, el razonamiento nos lleva a que si existen tres posibles constantes del movimiento, y una de ellas, la de carácter energético, ya es el hamiltoniano, la energía mecánica NO será constante. No podemos confundir la conservación de la energía mecánica con la situación de equilibrio dinámico, donde la masa se encuentra a una altura fija y gira solidaria con el alambre. En ese caso, obviamente la energía de la masa se mantiene constante porque no cambia el estado de movimiento ni la posición.
Teorema del viral y fuerzas centrales
El Teorema de virial relaciona el valor medio temporal (sobre un aaaaaaamplio intervalo de tiempo) de la energía cinética de un sistema (T) con el valor medio de un producto singular relacionado con la energía potencial, V, del que deriva/n la/s fuerza/s externas actuantes. Esto no implica que el sistema sea conservativo pues esa energía potencial puede depender del tiempo, o incluso de la velocidad. Si la energía potencial goza de simetría esférica (es decir, es radial) y con una función del tipo r^n, entonces el teorema del viral se reduce a: <T>=(n+1)<V>/2 donde n es el exponente de la dependencia radial.
En un problema de fuerzas centrales [1], el tiempo es irrelevante en un sentido amplio (energético y dinámico). Por ejemplo, la ecuación de la órbita/trayectoria permite conocer el “dónde” y “cómo” (velocidad radial), sin necesidad del “cuándo”. Siempre es “posible” (mentalmente) reproducir un efecto moviola (inversión del tiempo) cambiando el signo de la constante del movimiento “momento angular”, sin alterarse la trayectoria. Dado que el tiempo no aparece explícito en ninguna magnitud (energías cinética y potencial), el teorema del viral se puede escribir en promedios angulares (<♦>→<♦r²>ª) y para el caso de fuerza gravitatoria (problema de Kepler, n=-2):
<(vr)²>ª=GM<r>ª
Por otro lado, como E=cte=<T+V>=<V>/2, luego <1/r>=1/a, siendo a el semieje mayor de la órbita cónica resultante. Nótese que <1/r>ª=p, siendo p el semi-latas rectum.
¿Cómo trata la Mecánica Lagrangiana la fuerza de rozamiento dinámico?
La fuerza de rozamiento dinámico, aunque estrictamente se considera una ligadura NO IDEAL (limita el movimiento manifiesto), podemos manipularla como una fuerza activa, que realiza trabajo (virtual), aunque su módulo depende de una ligadura. Para aplicar las ecuaciones de Lagrange, deberá encontrarse una función de Rayleigh asociada a la fuerza de rozamiento dinámico o bien tenerla en cuenta en el cálculo de las fuerzas generalizadas de origen no potencial [1, 2].
