Cálculo de divergencias y rotacionales
De Laplace
(→Solución) |
(→Campo <math>D</math>) |
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Línea 138: | Línea 138: | ||
===Campo <math>D</math>=== | ===Campo <math>D</math>=== | ||
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Por último, para el campo | Por último, para el campo | ||
- | + | ||
- | \mathbf{D} = | + | <center><math>\mathbf{D} = |
- | \rho^2\cos\varphi\,\mathbf{u}_{\rho}+\rho^2\sen\varphi\,\mathbf{u}_{\varphi} | + | \rho^2\cos\varphi\,\mathbf{u}_{\rho}+\rho^2\mathrm{sen}\,\varphi\,\mathbf{u}_{\varphi}</math></center> |
- | + | ||
calculamos en primer lugar su divergencia y su rotacional en cilíndricas, ya que en estas coordenadas viene expresado el campo. | calculamos en primer lugar su divergencia y su rotacional en cilíndricas, ya que en estas coordenadas viene expresado el campo. | ||
- | + | ||
- | \nabla{\cdot}\mathbf{D} = = 3\rho\cos\varphi +\rho\cos\varphi = 4\rho\cos\varphi | + | <center><math>\nabla{\cdot}\mathbf{D} = = 3\rho\cos\varphi +\rho\cos\varphi = 4\rho\cos\varphi</math></center> |
- | + | ||
\[ | \[ | ||
\nabla\times\mathbf{D} = \frac{1}{\rho}\dete{\mathbf{u}_{\rho} & \rho\mathbf{u}_{\varphi} & \mathbf{u}_{z} \cr & & \cr \frac{\partial \ }{\partial \rho} & \frac{\partial \ }{\partial \varphi} & \frac{\partial \ }{\partial z} \cr & & | \nabla\times\mathbf{D} = \frac{1}{\rho}\dete{\mathbf{u}_{\rho} & \rho\mathbf{u}_{\varphi} & \mathbf{u}_{z} \cr & & \cr \frac{\partial \ }{\partial \rho} & \frac{\partial \ }{\partial \varphi} & \frac{\partial \ }{\partial z} \cr & & | ||
- | \rho^2\cos\varphi & \rho^3\sen\varphi & 0} = 4\rho\cos\varphi\mathbf{u}_{z} | + | \rho^2\cos\varphi & \rho^3\mathrm{sen}\varphi & 0} = 4\rho\cos\varphi\mathbf{u}_{z} |
\] | \] | ||
+ | |||
Para calcular estas cantidades en cartesianas, pasamos el campo a este sistema | Para calcular estas cantidades en cartesianas, pasamos el campo a este sistema | ||
- | + | ||
- | \mathbf{D} = | + | <center><math>\mathbf{D} = |
- | \rho^2\cos\varphi(\cos\varphi\mathbf{u}_{x}+\sen\varphi\mathbf{u}_{y})+\rho^2\sen\varphi\left(-\sen\varphi\mathbf{u}_{x}+\cos\varphi\mathbf{u}_{y}\right)= | + | \rho^2\cos\varphi(\cos\varphi\mathbf{u}_{x}+\mathrm{sen}\,\varphi\mathbf{u}_{y})+\rho^2\mathrm{sen}\,\varphi\left(-\mathrm{sen}\,\varphi\mathbf{u}_{x}+\cos\varphi\mathbf{u}_{y}\right)= |
- | =\left(x^2-y^2\right)\mathbf{u}_{x}+2xy\mathbf{u}_{y} | + | =\left(x^2-y^2\right)\mathbf{u}_{x}+2xy\mathbf{u}_{y}</math></center> |
- | + | ||
y calculamos su divergencia | y calculamos su divergencia | ||
- | + | ||
- | \nabla{\cdot}\mathbf{D} = 2x+2x = 4x | + | <center><math>\nabla{\cdot}\mathbf{D} = 2x+2x = 4x</math></center> |
- | + | ||
y su rotacional | y su rotacional | ||
+ | |||
\[ | \[ | ||
\nabla\times\mathbf{D} = \dete{\mathbf{u}_{x} & \mathbf{u}_{y} & \mathbf{u}_{z} \cr & & \cr | \nabla\times\mathbf{D} = \dete{\mathbf{u}_{x} & \mathbf{u}_{y} & \mathbf{u}_{z} \cr & & \cr | ||
\frac{\partial \ }{\partial x} &\frac{\partial \ }{\partial x} & \frac{\partial \ }{\partial x} \cr && \cr x^2-y^2 & 2xy & 0}= 4y\mathbf{u}_{z} | \frac{\partial \ }{\partial x} &\frac{\partial \ }{\partial x} & \frac{\partial \ }{\partial x} \cr && \cr x^2-y^2 & 2xy & 0}= 4y\mathbf{u}_{z} | ||
\] | \] | ||
- | Para pasar a esféricas, primero expresamos | + | |
- | cartesianas | + | Para pasar a esféricas, primero expresamos <math>\mathbf{D}</math> en sus componentes cartesianas |
- | + | ||
- | \mathbf{D}=(x^2-y^2)\mathbf{u}_{x}+2xy\mathbf{u}_{y}%=\]\[ | + | <center> |
- | =r^2\sen^2\theta\cos(2\varphi)\mathbf{u}_{x}+ r^2\sen^2\ | + | <math>\mathbf{D}=(x^2-y^2)\mathbf{u}_{x}+2xy\mathbf{u}_{y}%=\]\[ |
- | + | =r^2\mathrm{sen}^2\theta\cos(2\varphi)\mathbf{u}_{x}+ r^2\mathrm{sen}^2\thetaº,\mathrm{sen}(2\varphi)\mathbf{u}_{y}</math></center> | |
+ | |||
A continuación hallamos las diferentes componentes en esféricas | A continuación hallamos las diferentes componentes en esféricas | ||
- | + | ||
- | A_r | + | <center><math>A_r = \mathbf{A}{\cdot}\mathbf{u}_{r}=r^2\mathrm{sen}^3\theta\cos\varphi</math>{{quuad}} |
- | + | <math>A_\theta = \mathbf{A}{\cdot}\mathbf{u}_{\theta}=r^2\mathrm{sen}^2\theta\cos\theta\cos\varphi</math>{{qquad}} | |
- | A_\theta | + | <math>A_\varphi & = & \mathbf{A}{\cdot}\mathbf{u}_{\varphi}=r^2\mathrm{sen}^2\theta\,\mathrm{sen}\varphi</math></center> |
- | \mathbf{A}{\cdot}\mathbf{u}_{\theta}=r^2\sen^2\theta\cos\theta\cos\varphi | + | |
- | + | Luego, calculamos los diferentes sumandos que constituyen la divergencia | |
- | A_\varphi & = & | + | |
- | \mathbf{A}{\cdot}\mathbf{u}_{\varphi}=r^2\sen^2\theta\sen\varphi | + | <center><math>\frac{1}{r^2}\frac{\partial \ }{\partial r}\left(r^2 A_r\right)=4r\,\mathrm{sen}^3\theta\cos\varphi</math>{{qquad}} |
- | + | <math>\frac{1}{r\,\mathrm{sen}\,\theta}\frac{\partial \ }{\partial \theta}\left(\mathrm{sen}\theta | |
- | Luego, calculamos los diferentes sumandos que constituyen la | + | A_\theta\right)=r\cos\varphi(3\,\mathrm{sen}\theta\cos^2\theta-\mathrm{sen}^3\theta)</math>{{qquad}} |
- | divergencia | + | <math>\frac{1}{r\,\mathrm{sen}\,\theta}\frac{\partial \ }{\partial \varphi}(A_\varphi)=r\,\mathrm{sen}\,\theta\cos\varphi</math></center> |
- | + | ||
- | \frac{1}{r^2}\frac{\partial \ }{\partial r}\left(r^2 A_r\right)=4r\sen^3\theta\cos\varphi | + | |
- | + | ||
- | \frac{1}{r\sen\theta}\frac{\partial \ }{\partial \theta}\left(\sen\theta | + | |
- | A_\theta\right)=r\cos\varphi(3\sen\theta\cos^2\theta-\sen^3\theta) | + | |
- | + | ||
- | + | ||
- | \frac{1}{r\sen\theta}\frac{\partial \ }{\partial \varphi}(A_\varphi)=r\sen\theta\cos\varphi | + | |
- | + | ||
y, por último, sumamos | y, por último, sumamos | ||
- | + | ||
- | \nabla{\cdot}\mathbf{A}=4r\sen\theta\cos\varphi | + | <center><math>\nabla{\cdot}\mathbf{A}=4r\,\mathrm{sen}\,\theta\cos\varphi</math></center> |
- | + | ||
Para el rotacional | Para el rotacional | ||
+ | |||
\[ | \[ | ||
\nabla\times\mathbf{A}=%\]\[= | \nabla\times\mathbf{A}=%\]\[= | ||
- | \frac{1}{r^2\sen\theta}\dete{ | + | \frac{1}{r^2\mathrm{sen}\,\theta}\dete{ |
- | \mathbf{u}_{r} & r\mathbf{u}_{\theta} & r\sen\theta\mathbf{u}_{\varphi} \cr & & \cr | + | \mathbf{u}_{r} & r\mathbf{u}_{\theta} & r\,\mathrm{sen}\,\theta\mathbf{u}_{\varphi} \cr & & \cr |
\frac{\partial \ }{\partial r} & \frac{\partial \ }{\partial \theta} & \frac{\partial \ }{\partial \varphi} \cr & & \cr | \frac{\partial \ }{\partial r} & \frac{\partial \ }{\partial \theta} & \frac{\partial \ }{\partial \varphi} \cr & & \cr | ||
- | r^2\sen^3\theta\cos\varphi & r^3\sen^2\theta\cos\theta\cos\varphi & | + | r^2\mathrm{sen}^3\theta\cos\varphi & r^3\mathrm{sen}^2\theta\cos\theta\cos\varphi & |
- | r^3\sen^3\theta\sen\varphi}= | + | r^3\mathrm{sen}^3\theta\,\mathrm{sen}\varphi}= |
\] | \] | ||
\[ | \[ | ||
- | =4r\sen\theta\cos\theta\sen\varphi\mathbf{u}_{r}-4r\sen^2\theta\sen\varphi\mathbf{u}_{\theta} | + | =4r\,\mathrm{sen}\,\theta\cos\theta\,\mathrm{sen}\,\varphi\mathbf{u}_{r}-4r\,\mathrm{sen}^2\theta\,\mathrm{sen}\,\varphi\mathbf{u}_{\theta} |
\] | \] | ||
+ | |||
Teniendo en cuenta que | Teniendo en cuenta que | ||
- | + | ||
- | y=\rho\sen\varphi=r\sen\theta\sen\varphi | + | <center><math>y=\rho\,\mathrm{sen}\,\varphi=r\,\mathrm{sen}\theta\,\mathrm{sen}\varphi</math>{{qquad}} |
- | + | <math>\mathbf{u}_{z}=\cos\theta\mathbf{u}_{r}-\mathrm{sen}\,\theta\mathbf{u}_{\theta}</math></center> | |
- | \mathbf{u}_{z}=\cos\theta\mathbf{u}_{r}-\sen\theta\mathbf{u}_{\theta} | + | |
- | + | ||
puede verse que los tres resultados son coincidentes. | puede verse que los tres resultados son coincidentes. | ||
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Revisión de 16:59 23 sep 2008
Contenido |
1 Enunciado
Para los campos vectoriales
calcule su divergencia y su rotacional, empleando en cada caso, coordenadas cartesianas, cilíndricas y esféricas. ¿Cuáles son irrotacionales y cuáles solenoidales?
2 Solución
2.1 Campo A
2.1.1 Divergencia
La divergencia, calculada en cartesianas, del vector de posición, es

Para este mismo campo, en cilíndricas, sustituyendo la expresión de dada en otro problema

y, en esféricas,

2.1.2 Rotacional
Para el rotacional de este mismo campo, empleando coordenadas cartesianas

en cilíndricas

y en esféricas

Naturalmente los resultados son los mismos independientemente del sistema empleado para calcularlos.
2.2 Campo B
2.2.1 Divergencia
Para el segundo campo, su divergencia, calculada en cartesianas,

En cilíndricas este campo se escribe

y la divergencia

En esféricas el campo es

y la divergencia

2.2.2 Rotacional
Para el rotacional, en cartesianas,

En cilíndricas

y en esféricas

De nuevo el resultado es el mismo aunque, al estar expresado en base diferentes, parece formalmente distinto.
2.3 Campo C
2.3.1 Divergencia
Para el tercer campo, la divergencia en cartesianas

En cilíndricas, aplicando los resultados del problema de cálculo de gradientes

y el cálculo de la divergencia da

y en esféricas


2.3.2 Rotacional
Para el rotacional, en cartesianas

En cilíndricas

y en esféricas

2.4 Campo D
Por último, para el campo

calculamos en primer lugar su divergencia y su rotacional en cilíndricas, ya que en estas coordenadas viene expresado el campo.

\[ \nabla\times\mathbf{D} = \frac{1}{\rho}\dete{\mathbf{u}_{\rho} & \rho\mathbf{u}_{\varphi} & \mathbf{u}_{z} \cr & & \cr \frac{\partial \ }{\partial \rho} & \frac{\partial \ }{\partial \varphi} & \frac{\partial \ }{\partial z} \cr & & \rho^2\cos\varphi & \rho^3\mathrm{sen}\varphi & 0} = 4\rho\cos\varphi\mathbf{u}_{z} \]
Para calcular estas cantidades en cartesianas, pasamos el campo a este sistema

y calculamos su divergencia

y su rotacional
\[ \nabla\times\mathbf{D} = \dete{\mathbf{u}_{x} & \mathbf{u}_{y} & \mathbf{u}_{z} \cr & & \cr
\frac{\partial \ }{\partial x} &\frac{\partial \ }{\partial x} & \frac{\partial \ }{\partial x} \cr && \cr x^2-y^2 & 2xy & 0}= 4y\mathbf{u}_{z}
\]
Para pasar a esféricas, primero expresamos en sus componentes cartesianas
No se pudo entender (Falta el ejecutable de <strong>texvc</strong>. Por favor, lea <em>math/README</em> para configurarlo.): \mathbf{D}=(x^2-y^2)\mathbf{u}_{x}+2xy\mathbf{u}_{y}%=\]\[ =r^2\mathrm{sen}^2\theta\cos(2\varphi)\mathbf{u}_{x}+ r^2\mathrm{sen}^2\thetaº,\mathrm{sen}(2\varphi)\mathbf{u}_{y}
A continuación hallamos las diferentes componentes en esféricas

No se pudo entender (Falta el ejecutable de <strong>texvc</strong>. Por favor, lea <em>math/README</em> para configurarlo.): A_\varphi & = & \mathbf{A}{\cdot}\mathbf{u}_{\varphi}=r^2\mathrm{sen}^2\theta\,\mathrm{sen}\varphi
Luego, calculamos los diferentes sumandos que constituyen la divergencia


y, por último, sumamos

Para el rotacional
\[ \nabla\times\mathbf{A}=%\]\[= \frac{1}{r^2\mathrm{sen}\,\theta}\dete{ \mathbf{u}_{r} & r\mathbf{u}_{\theta} & r\,\mathrm{sen}\,\theta\mathbf{u}_{\varphi} \cr & & \cr \frac{\partial \ }{\partial r} & \frac{\partial \ }{\partial \theta} & \frac{\partial \ }{\partial \varphi} \cr & & \cr r^2\mathrm{sen}^3\theta\cos\varphi & r^3\mathrm{sen}^2\theta\cos\theta\cos\varphi & r^3\mathrm{sen}^3\theta\,\mathrm{sen}\varphi}= \] \[ =4r\,\mathrm{sen}\,\theta\cos\theta\,\mathrm{sen}\,\varphi\mathbf{u}_{r}-4r\,\mathrm{sen}^2\theta\,\mathrm{sen}\,\varphi\mathbf{u}_{\theta} \]
Teniendo en cuenta que


puede verse que los tres resultados son coincidentes.