Representación de fuerzas como formas únicas

Esta pregunta surgió debido a mi primera pregunta Interpretación de los campos vectoriales como derivaciones en física . El punto aquí es: si alguna fuerza F es conservativo, entonces hay algún campo escalar tu cual es el potencial para que podamos escribir F = tu .

Eso está bien, dice que la fuerza es un covector, pero el punto es: cuando comenzamos a pensar en espacios curvos, en general, en lugar de hablar de gradientes y covectores, hablamos de derivadas exteriores y formas únicas.

Mi pregunta entonces es: si una fuerza es conservativa con potencial tu entonces es correcto representar la fuerza por la forma única obtenida por la derivada exterior del potencial, en otras palabras, la forma F = d tu ?

En segundo lugar, si la fuerza no es conservativa, ¿es correcto pensar en ella como una forma todavía? Pero ahora, ¿cuál es la interpretación?

Traté de dar esta interpretación: supongamos que estamos tratando con una variedad METRO y supongamos que ( V , X ) es un gráfico de coordenadas. Después { d X i } abarca el espacio cotangente, y así, si interpretamos alguna fuerza en el punto pags como alguna forma F T pags METRO entonces tendremos F = F i d X i utilizando la convención de suma.

Ahora si tomo un poco de vector v T pags METRO podemos calcular F ( v ) = F i d X i ( v ) , sin embargo, d X i ( v ) = v i y por lo tanto F ( v ) = F i v i y entonces mi conclusión es: si interpreto la fuerza en un punto como una forma en el punto, entonces será una forma que, cuando se le da un vector, da el trabajo realizado para mover una partícula en la dirección del vector dado.

Entonces, si una fuerza varía de un punto a otro, podría representarla como un campo de una sola forma que se puede integrar a lo largo de algún camino para encontrar el trabajo total realizado.

¿Alguien puede responder esos puntos y decirme si mi conclusión es correcta?

Para un tratamiento no relativista de una partícula cargada en un 3-variedad de Riemann, ver. por ejemplo , esta publicación de Phys.SE.

Respuestas (3)

Para entender qué es un campo de fuerza newtoniano, echemos un vistazo a la segunda ley de Newton.

F = metro a
Esto se traduce en la siguiente relación geométrica diferencial
( metro q ˙ ) = F q ˙
dónde metro : T METRO T METRO mapas de la velocidad al espacio de momento y q : yo R METRO es la trayectoria.

El campo de fuerza termina siendo un mapa.

F : T METRO T T METRO

Dejar

π : T METRO METRO Π : T T METRO T METRO
ser las proyecciones de paquete.

Después

metro = Π F T π F = i d T METRO

La última ecuación es el equivalente de la condición de semi-spray y nos dice que estamos tratando con un campo de segundo orden.

porque los paquetes T T METRO y T T METRO son naturalmente isomorfos - en coordenadas, simplemente cambiamos los componentes ( X , pags ; v , F ) ( X , v ; F , pags ) - podemos representarlo como una forma diferencial en T METRO , que es solo el diferencial d L de la función de Lagrange (la ecuación de Euler-Lagrange son ecuaciones newtonianas de movimiento).

Ahora, el espacio de los campos de fuerza newtonianos no viene con una estructura de espacio vectorial natural, sino con una estructura afín. Debe especificar una fuerza cero, una fuerza de inercia, para convertirlo en uno. Tal fuerza puede ser dada, por ejemplo, por el rocío geodésico de la relatividad general.

Una vez hecho esto, puede representar el campo de fuerza como una sección del paquete de retroceso τ ( T METRO ) dónde τ : T METRO METRO . Este es un campo de covector dependiente de la velocidad, que de hecho puede integrar o derivar de una función potencial (en caso de independencia de la velocidad).


Ahora, para aquellos que no se sientan cómodos con este nivel de abstracción, probemos un enfoque más práctico:

Geométricamente, la aceleración está dada por ( X , v ; v , a ) T T METRO . Sin embargo, ese espacio tiene una estructura incorrecta: si sumamos dos aceleraciones que actúan sobre la misma partícula, terminamos con ( X , v ; 2 v , a + a ) , que ya no es una aceleración válida.

Lo que queremos en cambio son vectores. ( X ; a ) T METRO o ( X , v ; a ) τ ( T METRO ) en el caso de aceleraciones dependientes de la velocidad, y una receta de cómo llegar a nuestra aceleración original, ya que eso es lo que ocurre en nuestra ecuación de movimiento.

Así que supongamos que nuestra aceleración es independiente de la velocidad y está representada por ( X ; a ) T METRO . Al levantar el vector verticalmente en ( X ; v ) T METRO , llegamos a ( X , v ; 0 , a ) T T METRO . Lo que 'falta' es el componente horizontal ( X , v ; v , 0 ) T T METRO .

Aunque tal elevación horizontal parece trivial en coordenadas, no es una operación 'natural' en geometría diferencial. Puede solucionar esto de dos maneras obvias, ya sea proporcionando una conexión (es trivial ver cómo funciona esto si adopta el enfoque geométrico debido a Ehresmann) o especificando manualmente la aceleración 'cero' debido a la inercia.

La pregunta que queda por responder es por qué estamos usando fuerzas en lugar de aceleraciones, o formulado de otra manera, ¿por qué nos movemos al espacio cotangente?

Desde el punto de vista de la geometría diferencial, una respuesta a esa pregunta es porque queremos trabajar con potenciales, que son objetos menos complicados, y la diferencial produce covectores en lugar de vectores.

Otro punto a considerar es que T T METRO , T T METRO y T T METRO son naturalmente isomorfos, mientras que T T METRO no es. Estos isomorfismos conducen a varias formulaciones (más o menos) equivalentes de mecánica analítica, incluido el enfoque newtoniano, lagrangiano y hamiltoniano.

Disculpas por ampliar el alcance de la pregunta; siéntete libre de ignorar estas divagaciones;)

Vaya, muy profundo. Realmente no consideré esta generalidad. ¿Hay alguna aplicación de esto?
@Christoph, muy buena respuesta, es el tipo de enfoque de la física que me gusta. ¿Me puede recomendar algún libro que cubra más de esos temas? Quiero decir, ¿estudiar física usando matemáticas rigurosas? Gracias por tu respuesta de nuevo.
Me gusta el enfoque que estás tomando, pero las cosas realmente me parecen extrañas. ¿No debería la fuerza ser naturalmente un campo covector F : METRO T METRO y la segunda ley de newton es gramo ( F , ) = metro a ¿o algo? ¿No es natural encontrar un spray de esta manera?
@alexarvanitakis: No estoy al tanto de las aplicaciones; las 'cosas interesantes' normalmente se hacen usando el enfoque hamiltoniano o lagrangiano, que vienen con generalizaciones bien desarrolladas
@ user1620696: si está interesado específicamente en este enfoque, no conozco ninguna literatura (lo que no quiere decir que no exista), es solo algo que descubrí porque siempre me molestó que la mecánica newtoniana a menudo se presenta como un enfoque menos general, no covariante, que solo funciona en 3 espacios
@cduston: olvidémonos de los espacios duales por ahora; la ecuacion de segundo orden q ¨ = Y q ˙ nos dice que el campo de aceleración Y necesita ser un semi-rociador; el problema es que no existe una forma natural de obtener dicho campo vectorial de segundo orden a partir de un campo vectorial de primer orden sin una estructura adicional (por ejemplo, una conexión)
Ahora tengo que estar en desacuerdo con su explicación adicional; nunca debemos esperar que las aceleraciones se "sumen", ya que las Leyes de Newton dicen F = metro a , no a = F / metro . Si desea agregar campos de segundo orden, supongo que debe hacer algo como lo sugiere, pero conectarlo a la mecánica es incorrecto. Creo que mi argumento es que sin comenzar con un potencial y usando una conexión, la discusión es demasiado imprecisa.
@cduston: F i = metro X ¨ X ¨ = a i por a i F i / metro
Acabas de definir la aceleración como una forma de 1 (si la masa es un escalar), pero la aceleración es, naturalmente, la segunda derivada de la posición. Usted sale de esto arriba definiendo la masa como el isomorfismo de la dualidad, pero eso parece cambiar la simplicidad por el formalismo. No necesitamos seguir parloteando; mi perspectiva está muy bien resumida en el Capítulo 3 de 'Quantum Gravity' de Rovelli y el libro Mechanics de Dirac, si alguien está interesado (y sigue escuchando ;-))

Hubo una discusión bastante larga sobre si la fuerza es naturalmente un vector o un covector en los foros de física: http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=666861 .

Si defines el impulso como "aquello que está conjugado con la posición", entonces el impulso es un covector. Es decir, si tienes un Lagrangiano, entonces:

pags m = L X ˙ m

Entonces, la fuerza se puede interpretar como d pags m / d τ . O bien, puede definir la fuerza directamente desde el Lagrangiano como:

F m = L X m

Combinado con el argumento sobre el trabajo que proporcionó, donde W = F i d X i , parece muy convincente que la fuerza deba interpretarse naturalmente como un covector.

Es necesario denotar el punto del espacio-tiempo por X m ? si uso X m para denotar el punto del espacio-tiempo, tanto el impulso como la fuerza serían un vector en lugar de un covector. Lo único es que se puede demostrar que si X m es un vector X m de alguna función escalar es un covector. @Jold
@SRS X m no tiene ningún significado en ausencia de una métrica, por lo que X m es la representación más "natural".

Todo lo que dijiste es correcto. Si una fuerza no es conservativa, todavía tiene sentido como una forma 1, aunque no sea exacta.

Nótese también que la condición × F = 0 para una fuerza determinada localmente por un potencial se puede escribir como d F = 0 de modo que F = d tu para alguna funcion tu por el lema de Poincaré.

De manera más general, tenemos potenciales en forma de p A al que asociamos intensidades de campo en forma p+1 d F . Por ejemplo, en electromagnetismo (¡otra vez!) podemos combinar los potenciales vectorial y escalar en una forma de 1 en el espacio-tiempo (3+1=4) y el tensor de intensidad de campo resultante es este .