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Vector superficie

De Laplace

(Diferencias entre revisiones)
(→Expresión como integral de camino)
(→Expresión general)
Línea 44: Línea 44:
donde <math>\Gamma</math> ha de recorrerse de forma que verifique la regla de la mano derecha con respecto al vector normal a <math>\mathbf{S}</math>.
donde <math>\Gamma</math> ha de recorrerse de forma que verifique la regla de la mano derecha con respecto al vector normal a <math>\mathbf{S}</math>.
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Antes de proceder a la demostración de esta fórmula, un par de observaciones sobre ella:
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* Todas las superficies apoyadas sobre la misma curva tendrán el mismo vector superficie.
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* El vector superficie para una superficie cerrada es el vector nulo.
===Caso de una curva plana===
===Caso de una curva plana===

Revisión de 20:04 26 dic 2008

Contenido

1 Vector diferencial de superficie

Cuando tenemos una superficie suave, la definición del vector diferencial de superficie es sencilla:

\mathrm{d}\mathbf{S}=\mathrm{d}S\,\mathbf{n}

donde dS es el área del elemento de superficie y \mathbf{n} es el vector normal a la superficie en el punto en que se encuentra el diferencial. O, para ser más precisos, el vector normal al plano tangente a dicha superficie en dicho punto

2 Vector superficie

dada una superficie S de extensión finita, definimos el vector superficie como

\mathbf{S}=\int_S\mathrm{d}\mathbf{S}

Ahora bien, aunque la definición es simple, la interpretación no lo es tanto. ¿Qué representa geométricamente este vector? ¿Cuánto vale su módulo? ¿En qué dirección apunta?

2.1 Caso de una superficie plana

Si la superficie S está contenida en un plano, la interpretación del vector \mathbf{S} es inmediata. El plano tangente en todos los puntos es el mismo: el que contiene a S, y por tanto el vector \mathbf{n} es constante y puede salir de la integral

\mathbf{S}=\int_S\mathrm{d}\mathbf{S}=\int_S\mathrm{d}S\,\mathbf{n}=S\mathbf{n}

esto es, para el caso de una superficie contenida en un plano, el vector superficie tiene por módulo el área de dicha superficie, y por dirección la normal al plano que la contiene.

2.2 Caso de una curva alabeada

Si tenemos una curva alabeada, esto es, que no puede ser contenida en un plano, el cálculo anterior ya no es posible. El vector normal depende de la posición y por tanto debe ser integrado. Esto hace que la dirección del vector resultante no sea conocida a priori, y que su módulo no sea igual al área de la superficie.

Por ejemplo, consideremos una superficie en forma de octante de esfera de radio R. Una extensión ingenua del caso plano podría sugerir que el vector superficie es igual al área del octante (4πR2 / 8), multiplicado por el vector normal que sería \mathbf{u}_r. Sin embargo, este resultado es incorrecto, pues \mathbf{u}_r es dependiente de la posición y tiene significado para cada punto, pero no cuando consideramos la superficie como un todo.

Veamos cuánto sería el resultado correcto. Por tratarse se una superficie esférica, tenemos que

\mathrm{d}\mathbf{S}=R^2\,\mathrm{sen}\,\theta\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi\mathbf{u}_r        0<\theta<\frac{\pi}{2}\qquad 0<\theta<\frac{\pi}{2}        \mathbf{u}_r=\mathrm{sen}\,\theta\cos\varphi\mathbf{u}_x+\mathrm{sen}\,\theta\,\mathrm{sen}\,\varphi\mathbf{u}_y+\cos\theta\mathbf{u}_z

Sustituyendo todo esto nos quedan las componentes

\mathbf{S}=S_x\mathbf{u}_x+S_y\mathbf{u}_y+S_z\mathbf{u}_z        S_x = \int_0^{\pi/2}\int_0^{\pi/2}\left(\mathrm{sen}\,\theta\cos\varphi\right)R^2\,\mathrm{sen}\,\theta\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi = \frac{\pi R^2}{4}        S_y = \int_0^{\pi/2}\int_0^{\pi/2}\left(\mathrm{sen}\,\theta\,\mathrm{sen}\varphi\right)R^2\,\mathrm{sen}\,\theta\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi = \frac{\pi R^2}{4}        S_z = \int_0^{\pi/2}\int_0^{\pi/2}\left(\cos\theta\right)R^2\,\mathrm{sen}\,\theta\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi = \frac{\pi R^2}{4}

y, reuniendo las tres componentes

\mathbf{S}=\frac{\pi R^2}{4}\left(\mathbf{u}_x+\mathbf{u}_y+\mathbf{u}_z\right)

3 Expresión como integral de camino

3.1 Expresión general

Existe una forma alternativa de calcular el vector superficie. Sea Γ la curva que delimita dicha superficie. Se verifica que

\mathbf{S}=\frac{1}{2}\oint_\Gamma \mathbf{r}\times\mathrm{d}\mathbf{r}

donde Γ ha de recorrerse de forma que verifique la regla de la mano derecha con respecto al vector normal a \mathbf{S}.

Antes de proceder a la demostración de esta fórmula, un par de observaciones sobre ella:

  • Todas las superficies apoyadas sobre la misma curva tendrán el mismo vector superficie.
  • El vector superficie para una superficie cerrada es el vector nulo.

3.2 Caso de una curva plana

3.2.1 Sobre un plano coordenado

Supongamos, en primer lugar, que tenemos una curva plana, sobre la que situamos el plano XY. En este plano

\mathbf{r}=x\mathbf{u}_x+y\mathbf{u}_y        \mathrm{d}\mathbf{r}=\mathrm{d}x\mathbf{u}_x+\mathrm{d}y\mathbf{u}_y        \mathbf{r}\times\mathrm{d}\mathbf{r}=\left(x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x\right)\mathbf{u}_z

El módulo de la integral es por tanto igual a

\left|\mathbf{I}\right| = \left| \oint_{\Gamma} \mathbf{r} \times \mathrm{d}\mathbf{r}\,\right|=\oint_\Gamma \left(-y\,\mathrm{d}x+x\,\mathrm{d}y\right)

Esta integral puede escribirse como una circulación

\left|\mathbf{I}\right| = \oint_\Gamma \mathbf{v}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}        \mathbf{v}=-y\mathbf{u}_x+x\mathbf{u}_y

Podemos entonces aplicar el teorema de Stokes

\left|\mathbf{I}\right| = \oint_\Gamma \mathbf{v}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \int_S\left(\nabla\times\mathbf{v}\right)\cdot\mathrm{d}\mathbf{S}

siendo el rotacional

\nabla\times\mathbf{v} = \left|\begin{matrix}\mathbf{u}_x & \mathbf{u}_x & \mathbf{u}_x \\ & & \\ \displaystyle\frac{\partial\ }{\partial x} &\displaystyle\frac{\partial\ }{\partial y} & \displaystyle\frac{\partial\ }{\partial z} \\ & & \\ -y & x & 0\end{matrix}\right| = 2\mathbf{u}_z

y el diferencial de seuperficie, por estar ésta en el plano XY

\mathrm{d}\mathbf{S} = \mathrm{d}S\,\mathbf{u}_z

con lo que queda finalmente

\left|\mathbf{I}\right| = \left| \oint_{\Gamma} \mathbf{r} \times \mathrm{d}\mathbf{r}\,\right|= \int_S\left(\nabla\times\mathbf{v}\right)\cdot\mathrm{d}\mathbf{S}= \int_S\left(2\mathbf{u}_z\right)\cdot\left(\mathrm{d}\mathbf{S}\right) = 2\int_S \mathrm{d}S = 2S

3.2.2 Interpretación geométrica

Este resultado se puede obtener de forma sencilla usando exclusivamente álgebra vectorial. Dados dos vectores \mathbf{A} y \mathbf{B}, su producto vectorial \mathbf{A}\times\mathbf{B} es un vector ortogonal a ambos y cuyo módulo es el área del paralelogramo definido por ambos vectores. El vector

\mathbf{T}=\frac{1}{2}\mathbf{A}\times\mathbf{B}

será por tanto un vector ortogonal a ambos y con módulo el área de un triángulo definido por estos dos vectores.

Si consideramos el vector diferencial

\mathrm{d}\mathbf{S}=\frac{1}{2}\mathbf{r}\times\mathrm{d}\mathbf{r}

obtendremos un vector de módulo el diferencial de área triangular, y por dirección la normal al plano definido por \mathbf{r} y \mathrm{d}\mathbf{r}. Para el caso de una curva contenida en el plano z = 0 esta dirección es constante y dada por \mathbf{u}_z.

\frac{1}{2}\mathbf{r}\times\mathrm{d}\mathbf{r}=\mathrm{d}S\mathbf{u}_z

Integrando sobre una curva cerrada sumamos las áreas de todos los triángulos diferenciales, resultando el área total

\frac{1}{2}\oint_\Gamma \mathbf{r}\times\mathrm{d}\mathbf{r}=\int_S \mathrm{d}S\mathbf{u}_z = S\mathbf{u}_z

3.2.3 Curva plana en el espacio

Un caso particular de curva tridimensional es aquella que sí puede ser contenida en un plano, aunque éste no coincida con ninguno de los planos coordenados.

Los puntos de esta curva verifican la ecuación vectorial del plano

\mathbf{n}\cdot\left(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0\right) = 0

siendo \mathbf{n} el vector unitario normal al plano y \mathbf{r}_0 un punto dado de éste. Podemos escribir entonces la curva como

\mathbf{r}=\mathbf{r}_0+\mathbf{r}'        \mathrm{d}\mathbf{r} = \mathrm{d}\mathbf{r}'

donde tanto \mathbf{r}' como \mathrm{d}\mathbf{r}' son vectores ortogonales a \mathbf{n}. Sustituyendo en la expresión del vector superficie

\mathbf{S}=\frac{1}{2}\oint_\Gamma \left(\mathbf{r}_0+\mathbf{r}'\right)\times\mathrm{d}\mathbf{r}'=\frac{\mathbf{r}_0}{2}\times\oint_\Gamma\mathrm{d}\mathbf{r}'+\frac{1}{2}\oint_\Gamma\mathbf{r}'\times\mathrm{d}\mathbf{r}'=\frac{1}{2}\oint_\Gamma\mathbf{r}'\times\mathrm{d}\mathbf{r}'

En la primera integral \mathbf{r}_0 puede salir de la integral por ser un vector constante, con lo que queda una integral de una diferencial exacta sobre una curva cerrada, que se anula.

Este resultado nos dice que el vector superficie es independiente del origen de coordenadas elegido. Este resultado es válido tanto si la curva es plana como si es alabeada.

Si lo que tenemos es una curva plana, de acuerdo con lo que se vio en el primer apartado

\frac{1}{2}\mathbf{r}'\times\mathrm{d}\mathbf{r}' = \mathrm{d}S\mathbf{n}

siendo dS el área del triángulo diferencial definido por \mathbf{r}' y \mathrm{d}\mathbf{r}' y \mathbf{n} el vector normal al plano que contiene a ambos vectores. Por tanto el vector superficie es

\mathbf{S}=\int \mathrm{d}S\,\mathbf{n}=S\,\mathbf{n}

esto es, para una curva plana, independientemente de cual sea su orientación, el vector superficie tiene por módulo el área de la sección de plano que define, por dirección la normal a dicho plano y por sentido el dado por la regla de la mano derecha.


3.3 Caso de una curva alabeada

Supongamos ahora que tenemos una curva alabeada, esto es, que no puede contenerse en un plno, o una curva plana pero que no está situada en ninguno de los planos coordenados.

Para el caso de una curva de este tipo no es evidente qué se entiende por “vector superficie” ya que el vector normal a la superficie no tiene una única dirección, ni tampoco el área está bien definida. para una curva plana esta área es la de la porción de plano delimitado por ella, pero para una curva alabeada, tal porción no existe. Hay una infinitud de posibles superficies con la misma curva Γ como borde, pero diferente área.

En una curva tridimensional, tanto el vector de posición como el diferencial de camino poseen las tres componentes

\mathbf{r}=x\mathbf{u}_x+y\mathbf{u}_y+z\mathbf{u}_z        \mathrm{d}\mathbf{r}=\mathrm{d}x\mathbf{u}_x+\mathrm{d}y\mathbf{u}_y+\mathrm{d}z\mathbf{u}_z        \mathbf{r}\times\mathrm{d}\mathbf{r}=\left(y\,\mathrm{d}z-z\,\mathrm{d}y\right)\mathbf{u}_x+\left(z\,\mathrm{d}x-x\,\mathrm{d}z\right)\mathbf{u}_y+\left(x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x\right)\mathbf{u}_z

Al sustituir en la integral nos resulta la suma de tres términos

\mathbf{I}=I_x\mathbf{u}_x+I_y\mathbf{u}_y+I_z\mathbf{u}_z        I_x=\oint_\Gamma\left(y\,\mathrm{d}z-z\,\mathrm{d}y\right)        I_y=\oint_\Gamma\left(z\,\mathrm{d}x-x\,\mathrm{d}z\right)        I_z=\oint_\Gamma\left(x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x\right)

Si nos fijamos, por ejemplo, en la tercera componente

I_z=\oint_\Gamma\left(x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x\right)

vemos que el integrando es exactamente el mismo que en el caso de una curva plana. La curva de integración en este caso es tridimensional, pero, puesto que en el integrando aparecen solamente x e y, realmente los valores de z son irrelevantes. Otra curva, con diferentes valores de z, en particular, una curva que tuviera z = 0, pero los mismos valores de x e y, daría el mismo resultado. Esto es, que esta componente es igual a la integral sobre la proyección de la curva Γ en el plano XY. La proyección es una curva plana, y por tanto, para ella es aplicable el resultado del apartado anterior. Por tanto

I_z=\oint_\Gamma\left(x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x\right)=2S_z

siendo Sz el área de la proyección de Γ sobre el plano z = 0

De la misma manera se interpretan las otras dos componentes

I_x = 2S_x\,        I_y=2S_y\,

o, reuniendo los tres resultados

\frac{1}{2}\oint\mathbf{r}\times\mathrm{d}\mathbf{r} = \mathbf{S}=S_x\mathbf{u}_x+S_y\mathbf{u}_y+S_z\mathbf{u}_z

Siendo el vector superficie uno que tiene por componentes las áreas de las proyecciones de la curva Γ sobre los tres planos coordenados.

En cuanto al signo de estas componentes, viene dado por la regla de la mano derecha. Si recorremos la proyección en z = 0 de tal forma que el vector normal (según esta regla) vaya en el mismo sentido que \mathbf{u}_z, entonces el signo es positivo. En caso contrario es negativo.

4 Ejemplos

4.1 Una curva plana

Dado que el vector \mathbf{n} tiene por componentes cartesianas los cosenos directores (cosenos de los ángulos que forma con cada eje)

\mathbf{n}=\cos\alpha\mathbf{u}_x+\cos\beta\mathbf{u}_y+\cos\theta\mathbf{u}_z

resulta, para las componentes del vector superficie

S_x = S\cos\alpha\,        S_y=S\cos\beta\,        S_z=S\cos\theta\,

4.2 Una curva alabeada

Consideremos ahora sencilla curva alabeada formado por seis segmentos rectilíneos situados sobre las aristas de un cubo.

Obtenido de "http://tesla.us.es/wiki/index.php/Vector_superficie"

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