Warum wird die Produktregel nicht in der Definition der mechanischen Arbeit verwendet?

Mechanische Leistung wird normalerweise definiert als P = D W / D T , und Arbeit wird normalerweise definiert als W = F X . Heute wies ein Student auf eine Verwirrung hin, die er aus dem E&M-Buch von Griffiths hatte, wo er die Linie hat

P = D W D T = F v

Das ist eine Definition von Macht, die ich schon einmal gesehen habe. Aber der Student war verwirrt, weil es so aussieht, als ob Sie eine zeitabhängige Kraft haben F ( T ) , sollte die Mathematik wie folgt funktionieren:

P = D W D T = D F ( T ) D T X + F D X ( T ) D T

(Aus der Produktregel.)

Ich habe die obige Formel jedoch noch nie gesehen, daher vermute ich, dass sie falsch ist. Außerdem kollidiert es mit der F v Version, von der ich mir ziemlich sicher bin, dass sie mit einer zeitabhängigen Kraft einwandfrei funktioniert.

Ich habe ihm eine ziemlich schwache Antwort gegeben und ihn gewarnt, dass es wahrscheinlich nicht richtig ist: Ich habe ihm gesagt, dass, wenn Sie mit der differentiellen Form der Arbeit beginnen, D W = F D X , es scheint anzunehmen, dass die Kraft in diesem Winzling gleich bleibt D X , also ist es dort konstant, und dann werden beide durch dividiert D T gibt Ihnen die Gleichung, nach der wir suchen.

Wikipedia scheint etwas Ähnliches zu sagen, im Grunde mit dem Schritt von D X = v   D T zu bekommen F v , was auch davon ausgeht v ist ständig vorbei D X .

Unter der Annahme, dass einer von ihnen richtig ist, sehe ich, wie sie werden F v . Aber was ist der Fehler in der Sache mit den Produktregeln?

Arbeit ist D W = F D X wie es für kleine Verschiebungsinkremente gilt. Wenn du benutzt W = F X Sie gehen von einer konstanten Kraft und einem linearen Pfad aus.
Beachten Sie, dass D F D T = 0 ist bereits im Ausdruck eingebaut W = F X .

Antworten (1)

Der Fehler in der ursprünglichen Argumentation kommt von dieser Behauptung W = F X . Dies gilt nur, wenn die Kraft konstant ist.

Für ein Teilchen, das sich entlang einer parametrisierten Kurve bewegt X ( T ) und unter dem Einfluss einer Kraft F ( X , T ) die sowohl räumlich als auch zeitlich explizit abhängig ist, die Arbeit, die diese Kraft von einer Zeit an dem Teilchen verrichtet T 0 zu einer Zeit T ist wie folgt definiert :

W T 0 ( T ) = T 0 T F ( X ( T ' ) , T ' ) X ˙ ( T ' ) D T '
Beachten Sie, dass der Ausdruck auf der rechten Seite oft geschrieben wird F D X , aber das ist wirklich schematisch, die mathematisch genaue Definition ist das, was ich oben in Bezug auf einen parametrisierten Pfad mit einem Integral über einen bestimmten Bereich von Parameterwerten geschrieben habe. Die Definition der Momentanleistung ist dann
P ( T ) = W ˙ T 0 ( T )
Bilden der Ableitung beider Seiten in Bezug auf T , und unter Verwendung des Fundamentalsatzes der Analysis erhalten wir den gewünschten Ausdruck für die Potenz
P ( T ) = F ( X ( T ) , T ) X ˙ ( T )

Ich finde F muss nicht konstant sein, sondern eine konstante Richtung.
@ ShuchangZhang Das ist einfach nicht wahr. Wenn Sie die Kraft außerhalb des Integrals nehmen möchten, darf sie keine nicht triviale Abhängigkeit von Raum oder Zeit haben.
Oh ja in der Tat.
F D X ist präzise, ​​wenn man es als symbolische Notation für die 1-Form versteht ich F ich D X ich
@Christoph Einverstanden, obwohl ich zögere, solche Dinge in einer Antwort wie dieser zu sagen, da ich denke, dass nur wenige, die durch die Frage verwirrt wären, auch Differentialformen verstehen würden. Danke für den Kommentar.