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La relatividad de Trabajo

Digamos que hay un hombre empujando una pared con una fuerza de $-1 \text N$, y moviendo $0 \text m$. Desde $W = F \cdot d$, lo ha hecho de $0\text J$ de trabajo en la pared. Otro hombre está empujando un pato con $1 N$ de la fuerza y moviendo $1 \text m$. Él ha hecho $1 \text J$ sobre el pato. Al menos esto es lo que alguien en el suelo vi.

Alguien en un tren que vio como este. Una de las principales empujando una pared con una fuerza de $-1 \text N$ movido $-1 m$. Él ha hecho $1 J$ de trabajo. Otro hombre empuja un pato con $1 \text N$ de la fuerza sino que se mueve a lo $0 m$, y lo ha hecho de $0 \text J$ de trabajo.

¿Por qué es eso?

  • Es el trabajo relativo? Esto parecería implicar a pesar de que el hombre que empuja en la pared podía hacer obra infinita.

  • Es la fuerza relativa? Esto no parece tener sentido, ya que para un valor distinto de cero neto de las fuerzas de $F = ma$, donde la masa (la mayor parte) y la aceleración son nonrelative (para sistemas inerciales de referencia.)

  • Algo más?

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Dori Puntos 1325

Estás en lo correcto. En la física Newtoniana, el trabajo depende del marco de referencia. La fuerza no.

Vamos a empezar con un libro sobre una mesa. La mesa ejerce una fuerza normal sobre el libro, pero no funciona porque no hay movimiento.

Ahora, imagine que la tabla se encuentra en un ascensor y el ascensor está subiendo a velocidad constante. La fuerza entre el libro y la tabla es exactamente el mismo que antes, pero ahora la mesa está haciendo un trabajo sobre el libro, porque hay movimiento, por lo que el trabajo es la fuerza * distancia.

En un sentido, esto tiene el sentido perfecto. El libro se mueve hacia arriba, ganando energía gravitacional, por lo que se está trabajando en él. Que parece bastante intuitivo para mí.

Lo intuitivo es que la tabla no tiene la energía para regalar. La tabla está haciendo un trabajo sobre el libro, así que la energía se va de la mesa del libro, pero la tabla es sólo una tabla. No tiene los músculos o los motores o nada, así que no debería haber ningún tipo de energía para dar el libro.

Eso en realidad no es un problema, ya que la tabla está tocando el piso del ascensor. El ascensor no funciona en la tabla. Algunos de los que la energía fluye a través de la mesa y en el libro. El ascensor se obtiene la energía de un cable conectado al ascensor. El cable se obtiene la energía de un motor, que obtiene la energía de una planta de energía. Así que una tabla en un ascensor puede hacer el trabajo en un libro porque se obtiene la energía de una planta de energía.

Cómo sobre la pared, entonces? Atengámonos a un objeto inanimado, empujando la pared de una junta que ha sido apoyada contra la pared y está apoyada en un ángulo, empujando la pared con $1N$ de la fuerza. Desde el suelo del punto de vista, no hay movimiento por aquí, así que no hay trabajo que se realiza.

Desde el punto de vista de un tren en movimiento pasado, está a la derecha, hay una fuerza que, desde la junta directiva en la pared y la pared se está moviendo, por lo que la junta está haciendo el trabajo en la pared. El más, la junta y la pared se mueven (desde el tren del punto de vista), más el trabajo de la junta en la pared. Si la pared es la pared de una nave espacial y de la junta directiva es el interior de la nave y toda la cosa flota pasado en el espacio profundo, usted podría ver desaparecer en la distancia con la junta de hacer una cantidad de trabajo enorme en la pared sobre el curso de años luz de viaje.

Pero el consejo es sólo un consejo. Tiene ningún lugar para obtener energía a partir de este momento, porque no hay ningún motor ni nada, sólo un barco a la deriva sin energía a través del espacio profundo. De dónde viene la energía?

La respuesta es que la junta trabaja en la pared, poniendo la energía en la pared. Sin embargo, de que la energía fluye a través de la pared en el suelo, a continuación, de nuevo en el tablero. Digamos que la junta está empujando en la pared en dirección a la derecha. A continuación, la pared empuja hacia atrás, en dirección a la izquierda. La junta no está acelerando, por lo que la fuerza neta sobre él es cero, lo que significa que el suelo debajo de la mesa debe ser lo empuja hacia la derecha con una fuerza exactamente el mismo que el de la fuerza entre la placa y la pared. Ese punto de contacto entre el suelo y la junta también está moviéndose hacia la derecha, por lo que el piso no sólo el trabajo tanto en la junta como de la junta en la pared. Los flujos de energía de la junta directiva, en la pared, y completa un bucle en la parte inferior de la junta. Fluye la mesa y en la pared de nuevo.

La lección es que el cambio en la cantidad de energía que algo tiene no es igual al flujo de energía. Depende de su lugar en la divergencia del flujo de energía. En el marco estático, el flujo es cero entre la junta y la pared, de modo que la divergencia es también cero. En el bastidor móvil, el flujo no es cero, pero la divergencia del flujo está siendo cero, por lo que no hay diferencia física.

Como para el pato, estás en lo correcto de nuevo. Si usted empuja el pato de distancia $1m$ a velocidad constante con una fuerza de $1N$, hiciste $1J$ de trabajo en él. Pero la cosa es, ¿cómo empujar el pato a velocidad constante? Le estaban poniendo la fuerza en él. Se debe acelerar. Si se mueve a velocidad constante, no debe haber sido alguna otra fuerza cancelación. Por lo tanto, en este marco el pato es estacionaria y tiene cero la fuerza neta sobre ella; no es diferente de la visualización de la junta de marcos diferentes.

Si pulsamos sobre el pato con $1N$ de la fuerza y se acelera en la medida que viaja $1m$, vistos en un bastidor móvil el pato todavía acelerar debido a que la aceleración es la misma entre los marcos inerciales. Así que de nuevo el misterio desaparece.

La conclusión es que el trabajo no depende de marco, pero el cambio en la energía de un objeto depende de todas las cosas haciendo un trabajo sobre él, así que cuando algo no está ganando energía, pero hay una fuerza haciendo un trabajo sobre ella, hay otra fuerza que no han supuesto para el drenaje de la misma cantidad de energía.

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