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• Juan José Jiménez Fernández

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Introducci´on. An´alisis vectorial.

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco (mcarrion, dblanco en ugr.es) Curso 2016-2017

´INDICE

´Indice 1. Introducci´ on

3

2. Magnitudes escalares y vectoriales

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´ 3. Algebra vectorial 3.1. M´odulo o norma de un vector . . . . . 3.2. Versores . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Componentes cartesianas de un vector 3.4. Producto escalar . . . . . . . . . . . . 3.5. Producto vectorial . . . . . . . . . . . 3.6. Superficies . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Vector de posici´on . . . . . . . . . . .

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9 9 10 10 10 12 12 14 14 16 16 18

5. Sistemas de coordenadas 5.1. Sistema de coordenadas cil´ındricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Sistema de coordenadas esf´ericas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18 18 21

6. Actividades 6.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . 6.2. Magnitudes escalares y vectoriales ´ 6.3. Algebra vectorial . . . . . . . . . . 6.4. Campos escalares y vectoriales . . 6.5. Sistemas de coordenadas . . . . . .

23 23 24 24 26 31

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4. Campos escalares y vectoriales 4.1. Tipos de campos . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Representaci´on de campos escalares . . . . 4.3. Representaci´on de campos vectoriales . . . 4.4. Gradiente de un campo escalar . . . . . . . 4.5. Derivada e integral de un vector respecto de 4.6. Circulaci´on de un vector . . . . . . . . . . . 4.7. Flujo de un campo vectorial . . . . . . . . . 4.8. Divergencia de un campo vectorial . . . . . 4.8.1. Teorema de Gauss . . . . . . . . . . 4.9. Rotacional de un campo vectorial . . . . . . 4.9.1. Teorema de Stokes . . . . . . . . . .

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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1.

´ INTRODUCCION

Introducci´ on

La f´ısica tiene como objetivo el estudio de los fen´omenos naturales para esclarecer la estructura de la realidad que nos rodea. Se podr´ıa decir que todas las ciencias tienen el mismo objetivo: ¿cu´al es la diferencia entre la f´ısica y otras ciencias? De una forma algo ambigua se podr´ıa decir que la f´ısica trata de procesos m´as “b´asicos” que otras ciencias. As´ı, por ejemplo, dentro de la biolog´ıa, la parte que trata con los sistemas biol´ogicos desde un punto de vista fundamental, se llama biof´ısica; y ejemplos de este tipo tenemos en qu´ımica-f´ısica, psicof´ısica, metaf´ısica, etc. En el siglo XIX, el campo de la f´ısica estaba restringido a los fen´omenos y procesos donde la naturaleza de las sustancias que participan no var´ıa. Esta definici´on ha ido variando y aumentando desde entonces, ya que, por ejemplo, la f´ısica nuclear no entrar´ıa dentro de esta definici´on. La ciencia en general, pero especialmente la f´ısica, trata con magnitudes f´ısicas, que son conceptos naturales que deben estar definidos con rigor y tienen que poder medirse. Este proceso de medida implica el establecimiento de una relaci´on cuantitativa entre la medida concreta de la magnitud y el valor de dicha magnitud para un caso particular, que se toma como patr´on o unidad. Por ejemplo, la medida de la masa de una barra particular que se encuentra en el instituto de pesas y medidas de Par´ıs, se denomina kilogramo, y el proceso de medir cualquier otro cuerpo consiste en establecer una relaci´on entre el valor que se obtiene en una experiencia particular, con el valor que se obtiene para la barra patr´on (una es tres veces la otra, o 0,25 veces la otra, etc.). Por tanto, distintas medidas de una magnitud tienen que ser comparables, es decir, se tienen que poder comparar su relaci´on en t´erminos absolutos (esta distancia es el doble que la otra, o dos tercios de la otra), sin que en esta comparaci´ on intervenga el sistema de unidades. Esto u ´ltimo significa que si la masa de un cuerpo es el doble que la de otro, esto debe ser independiente de que la masa se haya medido en kilogramos, en gramos, en libras, en arrobas o en unidades de masa at´omica. No cualquier asignaci´on de un n´ umero a una propiedad f´ısica cumple este simple requisito. Por ejemplo, la temperatura emp´ırica que se mide con un term´ometro normal y se expresa en grados cent´ıgrados. Imag´ınese que se mide una sistema y se observa una lectura de 1 o C y para otro sistema se observa una lectura de 10 o C, se podr´ıa decir que la segunda lectura es diez veces la primera. Sin embargo, esta relaci´on variar´ıa si se mide en la escala farenheit. Incluso no tendr´ıa sentido establecer esta relaci´on si la primer lectura hubiese sido 0 o C. Por lo tanto, la temperatura emp´ırica no es una buena magnitud f´ısica. Existen muchos problemas conceptuales a la hora de definir magnitudes f´ısicas. Por ejemplo, int´entese definir las magnitudes masa o fuerza. La magnitud fuerza se puede definir como el efecto o interacci´on que un determinado medio ambiente tiene sobre un cuerpo. Esta definici´on puede ser conceptualmente v´alida, pero resulta vac´ıa desde un punto de vista operacional, ya que no indica como puede ser medida la magnitud. Por el contrario, si se define fuerza como la magnitud capaz de variar la aceleraci´on de un cuerpo, afirmando que dicha variaci´on es proporcional, por un lado obliga a que la fuerza tenga un car´acter vectorial, ya que la aceleraci´on puede variar en m´odulo direcci´on y sentido, y proporciona un m´etodo para medir la magnitud fuerza. Para esta medida bastar´ıa con actuar sobre un cuerpo patr´on (por ejemplo de Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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´ ALGEBRA VECTORIAL

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1 kg), de forma que adquiera varias aceleraciones en una misma direcci´on y sentido. 2 Tomando como patr´on la fuerza que produce 1 m/s sobre ese cuerpo patr´on, se puede proporcionar una escala de fuerzas y dise˜ nar de esta forma un dinam´ometro. Esta segunda definici´on, sin embargo, produce una idea menos intuitiva de lo qu´e es una fuerza.

2.

Magnitudes escalares y vectoriales

Algunas magnitudes f´ısicas quedan totalmente determinadas con su valor num´erico, como la temperatura, la presi´on, el volumen, etc., estas magnitudes se llaman escalares. Para otras magnitudes f´ısicas hay que especificar la direcci´on y el sentido en los que act´ uan, aparte del valor num´erico (m´odulo) de la magnitud. Estas magnitudes se llaman vectoriales. Si un coche circula en linea recta a una velocidad v0 y sobre ´el empieza a actuar una aceleraci´on a, se pueden presentar situaciones muy distintas dependiendo de la direcci´on y el sentido de la aceleraci´on. Si la aceleraci´on lleva la misma direcci´on y sentido que la velocidad, el coche sigue en l´ınea recta, incrementando su velocidad. Si la aceleraci´on lleva la misma direcci´on pero sentido contrario a la velocidad, el coche sigue en l´ınea recta, pero en este caso disminuyendo su velocidad. Ahora bien, si la aceleraci´on es perpendicular a la velocidad, el coche describe una curva, manteniendo el m´odulo de su velocidad constante. Los vectores pueden ser de tres tipos: fijos, deslizantes y libres. Los vectores fijos tiene un punto de aplicaci´on fijo en el espacio; los deslizantes se definen a lo largo de una recta, pero su punto de aplicaci´on puede ser cualquier punto de la recta; y los vectores libres se definen con una direcci´on y sentido, pero su punto de aplicaci´on puede ser cualquiera del espacio. Se encuentran ejemplos de estos tres tipos de vectores en las magnitudes f´ısicas; por ejemplo, la posici´on ser´ıa un vector fijo, la fuerza sobre un cuerpo extenso ser´ıa un vector deslizante y el momento de giro de un cuerpo es un vector libre. Para los tres tipos de vectores, el criterio de igualdad es distinto.

3.

´ Algebra vectorial

Seg´ un la definici´on matem´atica, un espacio vectorial consiste en dos conjuntos, uno de vectores que tiene que ser un grupo en que se pueda definir una operaci´on interna, y otro de escalares que tienen que ser un cuerpo, de forma que se pueda definir una opraci´on mixta entre vectores y escalares. Las operaciones internas y mixtas deben cumplir una serie de propiedades. Los grupos y cuerpos son entes matem´aticos que se definen como conjuntos de elementos en los que se pueden definir ciertas operaciones y se cumplen ciertas propiedades. En este curso se va a trabajar en el espacio vectorial eucl´ıdeo, donde los vectores ser´an secciones de rectas en tres dimensiones orientadas que se denominar´an vectores cartesianos. Ser´a en este espacio vectorial com´ un donde definiremos distintas operaciones y propiedades, dejando para nuestros compa˜ neros matem´aticos de la asignatura de ´algebra la importante labor de formalizar estos conceptos en un marco m´as general. En los vectores cartesianos se puede definir una suma entre dos vectores, como la diagonal del paralelep´ıpedo que forman los dos vectores. As´ı si ~a y ~b son vectores, tambi´en lo har´a ~c = ~a + ~b. Para cualesquiera vectores ~a, ~b y ~c, esta suma de vectores cumple: 1. Propiedad conmutativa. ~a + ~b = ~b + ~a. 2. Propiedad asociativa. ~a + (~b + ~c) = (~a + ~b) + ~c. Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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´ ALGEBRA VECTORIAL

3. Elemento neutro. Existe un vector ~0, tal que ~a + ~0 = ~0 + ~a = ~a. 4. Elemento opuesto. Para todo vector ~a existe un vector opuesto, que se nota ~a + ( ~a) = ( ~a) + ~a = 0.

~a, tal que

Para los vectores cartesianos tambi´en se puede definir el producto de un escalar por un vector. El resultado de esta multiplicaci´on ser´a un vector de la misma direcci´on que el primero, pero con una longitud alargada tantas veces como diga el escalar (si el escalar es menor que uno, la longitud se acortar´a, y si el escalar es negativo el vector resultante tendr´a sentido cambiado). As´ı, si ~a es un vector y q un escalar, el producto q~a es un vector, y para cualesquiera escalares p y q y cualesquiera vectores ~a y ~b, el producto de escalares por vectores as´ı definido tiene las siguientes propiedades: 1. Asociativa. (pq)~a = p(q~a) = q(p~a) 2. Distributiva respecto la suma de escalares. (p + q)~a = p~a + q~a. 3. Distributiva respecto la suma de vectores. q(~a + ~b) = q~a + q~b. Volviendo brevemente a la definici´on de un espacio vectorial general, la suma de vectores y el producto de vectores y escalares es lo que antes hemos definido como operaciones internas y mixta. As´ı, un espacio vectorial se define como un grupo, en el que se puede definir una operaci´on interna que cumple lo mismo que se ha mostrado para la anterior suma de vectores, y un cuerpo, de forma que se puede definir una operaci´on mixta entre los elementos del cuerpo y los del grupo, resultando elementos del grupo, y con dicha operaci´on satisfaciendo las propiedades que se han mostrado para el producto entre vectores y escalares. Ejemplos de espacios vectoriales son las funciones reales integrables, las series infinitamente sumables, las variables aleatorias, etc. Como se ha dicho antes, un vector cartesiano ser´a un segmento de recta orientado en el espacio. El problema del punto de aplicaci´on de los vectores (y con ello del car´acter ligado, deslizante o libre) es m´as un problema f´ısico que uno matem´atico y f´acilmente tratable con la teor´ıa general, sin m´as que trabajar con distintos sistemas de referencia. Por lo tanto, se trabajar´a con vectores fijos. De todas formas, la gran mayor´ıa de los resultados del curso se pueden entender sin atender a la diferencia entre los tres tipos de vectores antes indicada. Aparte de las operaciones anteriormente definidas, los vectores cartesianos cumplen otras muchas. A continuaci´on se enumerar´ an las m´as importantes.

3.1.

M´ odulo o norma de un vector

El m´odulo de un vector cartesiano es la longitud del segmento. No en todos los casos los vectores de un espacio vectorial tienen m´odulo. Cuando esto sucede, el espacio vectorial se dice que es un espacio normado o espacio de Banach. Para un vector ~a se nota su m´odulo como a o como |~a|.

3.2.

Versores

Se define un versor como un vector de m´odulo igual a uno. Para cualquier vector ~a se puede definir un versor en la misma direcci´on y sentido, pero de m´odulo unidad como a ˆ = |~~aa| . Es f´acil comprobar que |ˆ a| = 1. En general, el s´ımbolo “ˆ” encima de una letra, indica que se trata de un vector de m´odulo unidad, es decir, un versor. La mayor utilidad de los versores es que sirven para definir direcciones en el espacio.

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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3.3.

Componentes cartesianas de un vector

z

z

az

az

a

a k j ax i

ay

ax

y

ay y

x

x (a)

(b)

Cuantitativamente es muy dif´ıcil trabajar con segmentos de rectas directamente, por lo que se utiliza la descomposici´on respecto tres direcciones que se conocen como ejes. En principio cualquiera tres rectas no coplanarias (que no est´en en el mismo plano) son suficientes para la descomposici´on de vectores, sin embargo, se suelen utilizar tres rectas ortogonales, ya que es mucho m´as f´acil trabajar con ellas. Tal y como se indica en la Figura 1(a), un vector ~a se puede expresar como la suma de tres vectores

Figura 1: Descomposici´ on de un vector ~a (a) en vectores ortogonales (b) utilizando los verˆ sores cartesianos ˆı, |ˆ, y k.

~a = ~ax + ~ay + ~az

Tambi´en se pueden definir un versor para cada uno de los ejes, definiendo una direcci´on positiva en cada eje como la direcci´on hacia la que apunta dicho versor. Para el eje x se define el versor ˆı, para el eje y el versor |ˆ y para el eje z el ˆ Con estas definiciones, ~ax = axˆı, ~ay = ay |ˆ y ~az = az k. ˆ Teniendo esto en cuenta, y tal y versor k. como se representa en la Figura 1(b), el vector ~a se puede expresar como: ~a = axˆı + ay |ˆ + az kˆ Las cantidades ax , ay y az se conocen como las coordenadas cartesianas del vector ~a, y, una vez definidos los ejes, las tres coordenadas caracterizan univocamente el vector. Al ser tres ejes elegidos son perpendiculares, es f´acil calcular el m´odulo de un vector haciendo uso de sus componentes cartesianas y el resultado es: q a = a2x + a2y + a2z

3.4.

Producto escalar

El producto escalar es una operaci´on entre dos vectores que dan como resultado un escalar. Se define como: ~a · ~b = ab cos(\ab)

donde \ab es el ´angulo que forman los vectores ~a y ~b. Se puede comprobar que este producto tiene las siguientes propiedades: Conmutativa: ~a · ~b = ~b · ~a. Distributiva: ~a · (~b + ~c) = ~a · ~b + ~a · ~c Asociativa: p(~a · ~b) = (p~a) · ~b = ~a · (p~b) Tambi´en es f´acil comprobar que si ~a · ~b = 0, entonces los vectores ~a y ~b son perpendiculares, es decir forman 90o .

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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´ ALGEBRA VECTORIAL

Desarrollando los vectores en funci´on de sus componentes cartesianas y haciendo uso de las anteriores propiedades es f´acil comprobar que:

z γ

~a · ~b = ax bx + ay by + az bz

a α

A partir de la definici´on del producto escalar y de la anterior expresi´on haciendo uso de componentes cartesianas, se puede obtener una expresi´on para el coseno del ´angulo entre dos vectores ~a y ~b:

β y

x

~a · ~b a x bx + a y by + a z b z cos(\ab) = = ´ Figura 2: Angulos directores de ab ab un vector ~a. Los cosenos directores se definen como los cosenos de los ´angulos que un vector ~a forma con cada uno de los tres ejes coordenados. As´ı, si a estos tres ´angulos se les denomina ↵, y , tal y como se muestra en la Figura 2, sus cosenos se podr´an expresar como: cos ↵ =

3.5.

~a · ˆı ax = , cos a a

=

~a · |ˆ ay = , cos a a

=

~a · kˆ az = a a

Producto vectorial

El producto vectorial es una operaci´on entre dos vectores que da como resultado otro vector, por lo que se dice que es una operaci´on interna. Se definen como:

z

~a ^ ~b = ab sen(\ab)ˆ e donde eˆ es un versor en la direcci´on que es perpendicular tanto a ~a como a ~b, y cuyo sentido viene indicado por la regla de la mano derecha, tal y como se aprecia en la Figura 3. Se pueden comprobar las propiedades de este producto y son: Anticonmutativa: ~a ^ ~b = ~b ^ ~a. Distributiva: ~a ^ (~b + ~c) = ~a ^ ~b + ~a ^ ~c.

a

b a!b

y x

Figura 3: Producto vectorial de dos vectores.

No tiene propiedad asociativa respecto a s´ı mismo (~a ^ ~b) ^ ~c 6= ~a ^ (~b ^ ~c). Asociativa respecto al producto con escalares: p(~a ^ ~b) = (p~a) ^ ~b = ~a ^ (p~b). No tiene elemento neutro. Teniendo en cuenta la propiedad distributiva y los productos entre versores: ˆı ^ ˆı = 0 ˆı ^ |ˆ = kˆ ˆ |ˆ ^ ˆı = k |ˆ ^ |ˆ = 0 kˆ ^ ˆı = |ˆ kˆ ^ |ˆ = ˆı

ˆı ^ kˆ = |ˆ |ˆ ^ kˆ = ˆı kˆ ^ kˆ = 0

se puede calcular cualquier producto vectorial, haciendo uso de las componentes cartesianas de los vectores. El resultado se expresa como: ~a ^ ~b =

ˆı ax bx

|ˆ ay by

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

kˆ az bz

= (ay bz

az by )ˆı

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(ax bz

az bx )ˆ | + (ax by

ay bx )kˆ

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´ ALGEBRA VECTORIAL

3.6.

Superficies

s

Figura 4: Vector superficie. dicho vector superficie resulta:

Una superficie plana se puede caracterizar por un vector libre ~s cuyo m´odulo es igual al valor num´erico del ´area, direcci´ on perpendicular a la superficie y sentido seg´ un indique la regla de la mano derecha al recorrer el borde de la superficie en un determinado sentido. La Figura 4 representa un ejemplo de superficie plana y vector superficie. Cuando la superficie es un paralelep´ıpedo de dos dimensiones, el valor del ´area es el producto de la base por la altura, o lo que es lo mismo, si a y b son las longitudes de los dos lados del paralelep´ıpedo, su ´area resulta s = ab sen(\ab). Como el vector ´area es perpendicular, es f´acil comprobar que para el ´area de un paralelep´ıpedo definido por dos vectores ~a y ~b, ~s = ~a ^ ~b

La anterior definici´on de superficie s´olo es v´alida para superficies planas, ya que una superficie curva no tiene una direcci´on perpendicular. Sin embargo, una superficie curva puede dividirse en peque˜ nos trozos si . Si estos trozos son suficientemente peque˜ nos, se podr´a considerar aproximadamente planos y se podr´an definir para cada trozo un vector ~si . El vector superficie ~s de la totalidad de la superficie curva ser´a aproximadamente igual a la suma de los vectores superficies de los trozos, es decir: X ~s ⇡ ~si (1) i

En la Figura 5 se puede observar este procedimiento de separar las superficies en trozos y la asignaci´on de un vector de superficie a cada uno de ellos (se han dibujado dos de estos vectores, por simplicidad). El procedimiento descrito anteriormente para superficies curvas es s´olo aproximado, ya que tomar un trozo de una superficie curva como si fuera plano no es del Δsi todo correcto. Mientras m´as peque˜ nos sean los trozos mejor ser´a la aproximaci´on. En el l´ımite de trozos muy Δsj peque˜ nos, los trozos se hacen diferenciales, y ~si pasa a ser d~si (un vector diferencial, es un vector de m´odulo diferencial, es decir, de m´odulo infinitamente peque˜ no o infinitesimal). La suma de infinitos trozos diferenciales (al hacerse los trozos cada vez m´as peque˜ no se necesita un n´ umero cada vez mayor para llenar toda la superficie) no es otra cosa que una integral. As´ı, para una superficie curva se define su vector superficie ~s como: Figura 5: Vectores superficie para troZ X zos de en una superficie curva. ~s = l´ım ~si = d~s (2) !0

i

Hay que tener cuidado de recorrer todos los trozos en el mismo sentido. En principio, el sentido se puede elegir arbitrariamente, pero para superficies cerradas (superficies que se cierran sobre s´ı mismas, definiendo un volumen), se toma siempre al sentido de los vectores superficie hacia afuera del volumen. Para terminar con las superficies, es importante notar que tanto en la ecuaci´on (1) como en la ecuaci´on (2), la suma es una suma vectorial, por lo que no s´olo habr´a que tener en Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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CAMPOS ESCALARES Y VECTORIALES

cuenta el m´odulo de los vectores superficie para los trozos, sino tambi´en sus direcciones relativas. Por ejemplo, si se considera una superficie cerrada, para cada trozo de vector de superficie d~si habr´ a un vector en la posici´on opuesta en la superficie cerrada que tendr´a mismo m´odulo (si se ha partido la superficie en trozos iguales), misma direcci´on y sentido contrario, por lo que en la suma, se anular´an uno al otro. Esto produce el siguiente resultado: El vector superficie de una superficie cerrada es el vector nulo. Matem´aticamente este resultado se escribe: I ~s = d~s = ~0 donde el c´ırculo en la integral indica que la superficie es cerrada. Lo anterior no quiere decir que el ´area de una superficie cerrada sea nula. Por ejemplo, bien es sabido que el ´area de una esfera es 43 ⇡R2 , mientras que su vector de superficie es nulo. Lo que sucede es que para una superficie curva, el ´area de la superficie es distinta del m´odulo del vector superficie.

3.7.

Vector de posici´ on

El ejemplo m´as simple de vector que aparece en f´ısica es el vector de posici´on. Para definir la posici´on que una part´ıcula ocupa en el espacio, es necesario definir primero un origen de coordenadas. Una vez hecho esto, el vector de posici´on de cualquier part´ıcula ser´a el vector que tenga como inicio el origen de coordenadas y como final el punto donde se encuentra la part´ıcula.

4.

Campos escalares y vectoriales

El concepto de campo es actualmente uno de los m´as importantes en la f´ısica. Aunque originalmente se introdujo como una mera y conveniente herramienta matem´atica, el desarrollo de las teor´ıas f´ısicas le ha dado a este concepto mucha m´as entidad de la que en un principio se podr´ıa esperar. Un campo es una magnitud f´ısica que se puede definir en una regi´on del espacio, dependiendo de la posici´on y posiblemente del tiempo. As´ı, por ejemplo, la temperatura o la presi´on en del aire en la superficie terrestre representan un campo, ya que a cada punto de la superficie se le puede asignar una temperatura y una presi´on. Otros ejemplos de campo ser´ıan el campo de alturas en la superficie terrestre, el campo de velocidades de un fluido en una tuber´ıa, el campo el´ectrico en las inmediaciones de una distribuci´on de carga, el campo de densidad en un fluido compresible, el campo de esfuerzos en un material sometido a tensiones, etc.

4.1.

Tipos de campos

Se pueden realizar diversas clasificaciones en funci´on de distintos aspectos de los campos. A continuaci´on se presentan algunos ejemplos. En funci´on del car´acter escalar o vectorial de la magnitud que constituye el campo se tiene: • Campos escalares. La magnitud f´ısica es un escalar. Ejemplos ser´ıan campos de temperatura, presi´on, densidad, etc. Si f es la magnitud f´ısica, el campo se notar´ıa como f (~r, t) o f (x, y, z, t). • Campos vectoriales. La magnitud f´ısica es un vector. Ejemplos ser´ıan campos de velocidades, fuerzas, intensidad de campo el´ectrico, esfuerzos, etc. En este caso, si ~a es la magnitud f´ısica, el campo se nota como ~a(~r, t) o ~a(x, y, z, t). Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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CAMPOS ESCALARES Y VECTORIALES

Tambi´en existen magnitudes f´ısicas que no son escalares ni vectores, sino tensores. Para estas magnitudes se definen campos tensoriales, pero estas magnitudes y por tanto estos campos se encuentran fuera del objetivo de este curso. En funci´on de la dependencia temporal de la magnitud: • Campos estacionarios. La magnitud f´ısica no depende del tiempo. Por su puesto, en este caso el campo ser´a de la forma f (~r) o ~a(~r). • Campos no estacionarios. Los valores de la magnitud f´ısica dependen del tiempo. En funci´on de las dimensiones en las que el campo tome valores: • Campos unidimensionales. La magnitud f´ısica se define en un espacio de una u ´nica dimensi´on, como al temperatura de una barra. • Campos bidimensionales. La magnitud f´ısica se define en un espacio de dos dimensiones, como la velocidad de las olas en la superficie del mar. • Campos tridimensionales. La magnitud f´ısica se define en un espacio de tres dimensiones, como la densidad en un fluido. Existen otras clasificaciones que iremos introduciendo a medida que avance esta secci´on.

4.2.

Representaci´ on de campos escalares

La representaci´on de campos escalares se suele hacer mediante superficies equipotenciales. Estas superficies se definen como el lugar geom´etriy co del espacio en el que la magnitud toma un mismo valor. Un ejemplo de estas superficies x aparece en la Figura 6(b). Por supuesto, en el caso de que campos bidimiensionales, se tendr´an l´ıneas equipotenciales, tal y como aparece en la (a) (b) Figura 6(a) (¿como ser´ıa en campos unidimensionales?). Ejemplo de estas l´ıneas son las l´ıneas de isobaras que aparecen en los mapas meteo- Figura 6: Superficies equipotenciales para (a) rol´ogicos o las lineas de altura de los mapas to- un campo bidimensional y (b) un campo tridipogr´ aficos. mensionales. Es f´acil ver a partir de la definici´on que ni las l´ıneas ni las superficies equipotenciales pueden cortarse, ya que en los puntos de intersecci´on la magnitud tomar´ıa dos valores, lo que no es posible.

4.3.

Representaci´ on de campos vectoriales

En los campos vectoriales, en cada punto se define una magnitud que es un vector, por lo que el procedimiento anterior para campos vectoriales no es v´alido. Lo que se hace es hacer uso de lineas de campos, que son los lineas tangentes a los vectores campos en cada punto. Con esto se consigue representar la direcci´on del campo. Para representar el m´odulo se dibujan las l´ıneas m´as juntas en las zonas de campo de mayor m´odulo, y viceversa. Un ejemplo de estas l´ıneas se encuentra en la Figura 7, donde se observa como los vectores campo son tangentes a estas l´ıneas.

4.4.

Gradiente de un campo escalar

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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CAMPOS ESCALARES Y VECTORIALES

Dado un campo escalar f (x, y, z) (el campo puede depender tambi´en del tiempo, pero se elimina la dependencia explicita por comodidad, aunque no var´ıa en absoluto los resultados que aqu´ı se presentan) al movernos a lo largo del eje x una cantidad x, manteniendo y y z constantes, la funci´on variar´a a un valor f (x + x, y, z). La variaci´on de la funci´on f al moverse de un punto a otro ser´a por tanto f = f (x + x, y, z) f (x, y, z). Tanto x como f son dos escalares, por lo que se puede realizar el cociente f / x. Este cociente depender´ a de x, x, y y z. Para que no dependa de x se puede hacer el l´ımite ! 0 (la variaci´on tiene a cero), con lo que el cociente queda: l´ım

!0

f f (x + = l´ım !0 x

x, y, z) x

f (x, y, z)

= yz

@f @x

z a

y x Figura 7: Lineas de campos.

(3)

donde la notaci´on “ ·|yz ” indica que las magnitudes y y z permanecen constantes. La expresi´on anterior representa la definici´on de derivada parcial de f con respecto a x, @f @x , y mide como var´ıa la funci´on f (x, y, z), al variar x, manteniendo y y z constantes. En l´ımite ! 0, se tiene que la variaci´on de x se expresa como dx y la variaci´on de f se expresa como df |yz , de forma que el cociente de (3) tambi´en se puede expresar como: l´ım

!0

df |yz f = x dx

Por tanto, la variaci´on de f al movernos un dx en el eje x ser´a: df |yz =

@f dx @x

Este mismo procedimiento se puede repetir para variaciones a lo largo de los ejes y y z, de @f ı como las variaciones de la funci´on forma que se obtiene la definici´on de las parciales @f @y y @z , as´ f al moverse en direcciones paralelas a los ejes y y z. Para obtener una expresi´on general, v´alida para cualquier direcci´on es necesario repetir el ˆ procedimiento, movi´endose de un punto ~r a un punto ~r + ~r gen´erico, con ~r = xˆı + yˆ | + z k. En el l´ımite ! 0, la variaci´on de la funci´on f ser´a la suma de la variaci´on de f debida a que se mueve en la direcci´on x, igual a @f as la variaci´on de f al moverse en la direcci´on y, igual @x dx, m´ a @f dy, m´ a s la variaci´ o n de f al moverse en la direcci´on z, igual a @f @y @z dz; o lo que es lo mismo: df =

@f @f @f dx + dy + dz @x @y @z

ˆ Si ahora se define En el l´ımite ! 0, la variaci´on de posici´on resulta d~r = dxˆı + dyˆ | + dz k. ~ como: un vector rf ~ = @f ˆı + @f |ˆ + @f kˆ rf @x @y @z Se obtiene:

~ · d~r df = rf

(4)

~ se conoce como vector gradiente del campo escalar f y depende del punto ~r y El vector rf posiblemente del t, pero no de d~r Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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CAMPOS ESCALARES Y VECTORIALES

El vector d~r es un vector infinitesimal en la direcci´on en la que nos movemos dentro del campo. Si la trayectoria en la que nos movemos es recta, el vector d~r llevar´a esa misma direcci´on, ~ sea independiente de la y si es curva, d~r ser´a tangente a la trayectoria. Aunque el vector rf direcci´on en que nos movemos no suceder´a lo mismo para la variaci´on de f , que s´ı depende. En concreto, haciendo uso de la definici´on de producto escalar se tiene: ~ ||d~r| cos ✓ df = |rf ~ y d~r. Por tanto, si nos movemos en una direcci´on donde ✓ es el ´angulo entre los vectores rf ~ paralela a rf y en el mismo sentido, la variaci´on ser´a m´axima, mientras que si nos movemos en ~ , la variaci´on de f ser´a nula. Esto demuestra que el gradiente una direcci´on perpendicular a rf de una funci´ on escalar en un punto marca la direcci´ on y el sentido de la m´ axima variaci´ on del campo f . Tambi´en se puede observar que de un campo escalar f hemos obtenido un campo vectorial ~ , ya que a cada punto se le puede asignar su gradiente, lo que, al ser ´este vectorial, define un rf campo vectorial. Para finalizar, es conveniente definir el operador gradiente u operador nabla en coordenadas cartesianas como: ~ = ˆı @ + |ˆ @ + kˆ @ r @x @y @z De forma que el gradiente de un campo escalar f es el resultado de aplicar el anterior operador sobre el campo. La anterior definici´on es un operador, es decir, es de la misma naturaleza que el operador derivada o como el operador integral: es una operaci´on (en este caso tres, una para cada componente del vector) que se realiza sobre una funci´on, modificando su resultado. Este operador ser´a muy u ´til en las pr´oximas secciones para obtener ciertas propiedades de los campos.

4.5.

Derivada e integral de un vector respecto de un escalar

Un campo vectorial ~a(~r, t) se puede expresar en funci´on de sus componentes cartesianas de la forma: ~a(~r, t) = ax (~r, t)ˆı + ay (~r, t)ˆ | + az (~r, t)kˆ As´ı una derivada parcial o total (si s´olo depende de una variable) de un campo vectorial ser´a igual a la derivada de cada una de sus componentes, por ejemplo: @~a @~ax @~ay @~az ˆ = ˆı + |ˆ + k @x @x @x @x

´o

d~a d~ax d~ay d~az ˆ = ˆı + |ˆ + k dt dt dt dt

Lo mismo sucede con la integral de un campo vectorial respecto de un par´ametro u del que dependa el campo. As´ı resulta: Z Z Z Z ~a(u)du = ax (u)duˆı + ay (u)duˆ | az (u)dukˆ

4.6.

Circulaci´ on de un vector

El la secci´on anterior se ha definido la integral de un campo vectorial respecto a un par´ametro escalar, que puede ser el tiempo, por ejemplo. Sin embargo, al ser vectores, se puede calcular una integral direccional, que mide como se relacionan el campo vectorial y el vector de desplazamiento

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d~r a lo largo de una trayectoria. Esta relaci´on define lo que se conoce como la circulaci´ on de un campo vectorial a lo largo de una trayectoria C, entre los puntos ~ra y ~rb , que se expresa como: cir~a =

Z

~ rb

~ ra C

~a · d~r

Puede parecer una definici´on algo extra˜ na, pero la circulaci´ on juega un papel muy importante en mec´anica, ya que la circulaci´on de una fuerza ser´a el trabajo realizado. C Si se parte del punto ~ra y nos movemos una cierta cantia2 ! Δr2 dad r1 , se puede medir el producto escalar entre el campo ! rb en este primer punto ~ra y el primer desplazamiento ~a1 · r1 . A ! a1 Δr1 r1 continuaci´on nos movemos otra peque˜ na cantidad r2 respecra to del u ´ltimo punto y se puede multiplicar escalarmente este y desplazamiento por el campo en el u ´ltimo punto, resultando x ! ~a2 · r2 . Estos dos primeros pasos se esquematizan en la FiguFigura 8: Esquema de una circu- ra 8. Este proceso se va repitiendo hasta llegar al punto ~rb , y la suma de los productos escalares ser´a una aproximaci´on de laci´ on a lo largo del camino C. la circulaci´on. Precisamente, en el l´ımite de desplazamientos muy peque˜ nos se tiene: Z ~rb X ! l´ım ~ai · ri = ~a · d~r

z

!0

~ ra C

i

Es importante subrayar dos aspectos importantes sobre la circulaci´on. Por un lado, es la suma de productos escalares, por lo que es un escalar. Por otro lado, la circulaci´on depende el los puntos iniciales y finales pero tambi´en del camino o trayectoria que se haya tomado, de forma que par dos trayectorias distintas C1 y C2 , en general se tiene: Z

~ rb

~ ra C1

~a · d~r 6=

Z

~ rb

~ ra C2

~a · d~r

~ . Con anterioSi el campo vectorial ~a es el gradiente de un campo escalar se cumple ~a = rf ~ ridad se ha visto en (4) que df = rf · d~r, por lo que la circulaci´on de un campo de este tipo queda: Z ~rb Z ~rb Z ~rb ~ · d~r = ~a · d~r = rf df ~ ra C

~ ra C

~ ra C

Sin embargo, la u ´ltima integral es la integral del n´ umero 1 respecto de una par´ametro escalar, por lo que ser´a igual al valor de f en el punto final menos el valor en el punto inicial. Es decir: Z

~ rb

~ ra C

~a · d~r = f (~rb )

f (~ra )

Como puede verse, para obtener el valor de la integral no se ha utilizado en ning´ un caso el ~ , la circulaci´on no depende del camino elegido, lo que implica que en el caso de que ~a = rf camino y s´olo depende del punto inicial y final. Los campos cuya circulaci´on no depende del camino se conocen como campos conservativos o campos irrotacionales. Estos campos son de enorme importancia en mec´anica, ya que a trav´es de la definici´on de trabajo, los campos de fuerzas conservativos permitir´an definir una magnitud escalar fundamental en la f´ısica, como es la energ´ıa potencial. Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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CAMPOS ESCALARES Y VECTORIALES

Para todo campo ~a conservativo se puede encontrar una funci´on f , que se denomina potencial, ~ (con anterioridad se hab´ıa demostrado la implicaci´on contraria). La demostraci´on tal que ~a = rf de esta afirmaci´on es algo laboriosa y debido a esto la omitimos, pero puede encontrarse en cualquier libro elemental de an´alisis multidimensional. Si el punto inicial y el final de la trayectoria sobre la que se calcula la circulaci´on son el mismo, se dice que la trayectoria es cerrada, y la circulaci´on sobre esa trayectoria se nota como: I ~a · d~r

Es muy f´acil de comprobar que si el campo ~a es conservativo, la circulaci´on sobre una trayectoria cerrada es nula.

4.7.

Flujo de un campo vectorial

z s a

Para un campo vectorial, en muchas situaciones pr´acticas es interesante calcular cuanto campo atraviesa una determinada superficie. Esta relaci´on la proporciona la magnitud denominada flujo, , que se define como Z = ~a · d~s s

R

! donde s indica integral de superficie y ds es el vector superficie de un trozo de ´area diferencial. Ejemplos de magnitudes f´ısicas que se definen como un flujo hay muchas, siendo los y m´ as comunes el caudal en un fluido (el flujo del campo de x velocidades) y la intensidad el´ectrica (el flujo del vector densidad de corriente). Como puede verse, el flujo es una magnitud escalar, que Figura 9: Esquema de un flujo de un campo ~a a trav´es de una su- depende de la superficie de integraci´on. La superficie sobre la cual se calcula el flujo puede ser una superficie cerrada, en cuyo caso la notaci´on ser´ıa perficie s. I ! = ~a · ds s

En este caso, el flujo sobre una superficie cerrada indicar´a la cantidad de campo que sale (si es positivo) o entra (si es negativo) en el volumen definido por la superficie cerrada. Existir´an campos vectoriales en los que el flujo a trav´es de cualquier superficie cerrada ser´a nulo. Este tipo de campos se llamar´an solenoidales, y los campos que no cumplan lo mismo ser´an no solenoidales.

4.8.

Divergencia de un campo vectorial

Ni el flujo ni la divergencia son funciones de punto. El primero depende de una superficie y el segundo de un camino, siendo ambos elementos que dependen de infinitos puntos. Por tanto, no es c´omodo trabajar con estas cantidades para caracterizar los campos. Es mucho m´as conveniente definir magnitudes de punto que lleven informaci´on similar al flujo y a la circulaci´on. Para la primera se definir´a en esta secci´on la divergencia y para la segunda se har´a lo mismo con el rotacional en la siguiente secci´on. La relaci´on entre la divergencia y el flujo y entre el rotacional y la circulaci´on se pondr´a de manifiesto primera y la definici´on de las funciones de punto, y posteriormente en dos teoremas finales: el teorema de Gauss y el teorema de Stokes. Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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dy z

a(x,y+dy , z) 2

dz

dx

r x

y

Figura 10: Esquema del flujo a trav´es de una superficie cerrada para definir la divergencia.

Para construir una funci´on de punto que est´e relacionada con el flujo, se toma una superficie cerrada, lo que define un volumen V , de forma que envuelva el punto donde se quiere calcular la magnitud, y se calcula el flujo a trav´es de dicha superficie cerrada. Despu´es se hace esta superficie cada vez m´ as peque˜ na, siempre conteniendo el punto. En el l´ımite, la magnitud que resulta llevar´a informaci´on del campo que sale o entra en un punto. El cociente entre este flujo diferencial y volumen diferencial es lo que se conoce como divergencia, div~a: I ! d 1 div~a = l´ım ~a · ds = !0 V dV s

Como puede verse, la divergencia es una funci´on escalar, y es una funci´on de punto, es decir, tiene sentido dar un valor de la divergencia para cada uno de los puntos. A continuaci´on se proceder´a para a calcular la expresi´on en coordenadas cartesianas de esta magnitud. Para ello, la superficie que se ir´a encerrando ser´an cubos, con el punto donde se quiere calcular la divergencia en el centro, que en el l´ımite pasar´a a ser un cubo de dimensiones infinitesimales. El cubo de tama˜ no diferencial envolviendo al punto se muestra en la Figura 10. La cara y del cubo (paralela al plano xz) situada m´as a la derecha, tendr´a un vector de superficie d~s = dxdzˆ |. Como el cubo es muy peque˜ no, el campo en esa cara se puede considerar constante e igual a ~a(x, y + dy a igual a 2 , z). El producto escalar del campo por el vector de superficie en esa cara ser´ ay (x, y + dy , z)dxdz, lo que ser´ a igual al flujo diferencial a trav´ e s de esa cara. Por tanto, el flujo 2 a trav´es de las dos caras y ser´a ✓ ◆ ✓ ◆ dy dy d y = ay x, y , z dxdz + ay x, y + , z dxdz = 2 2  ✓ ◆ ✓ ◆ dy dy = ay x, y + ,z ay x, y , z dxdz 2 2 donde el primero de los signos negativos tiene se debe a que el vector superficie en la cara de la izquierda va hacia fuera del cubo, es decir, en direcci´on |ˆ. Haciendo uso de la definici´on de derivada parcial, el flujo a trav´es de las caras y del cubo queda d

y

=

@ay dydxdz @y

De igual forma se puede hacer para las caras x e z, resultando d

x

=

@ax dxdydz @x

y

d

z

=

@az dzdxdy @z

con lo que el flujo a trav´es de toda la superficie del cubo infinitesimal queda: ✓ ◆ @ax @ay @az d =d x+d y +d z = + + dzdxdy @x @y @z Pero, para el cubo infinitesimal dV = dxdydz, por lo que la divergencia queda div~a = Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

d @ax @ay @az = + + dV @x @y @z 15

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CAMPOS ESCALARES Y VECTORIALES

Con la definici´on del operador gradiente, es f´acil ver que la divergencia se puede expresar como: ~ · ~a div~a = r Esta u ´ltima expresi´on es la m´as com´ un de la divergencia y la que se suele encontrar en todos los libros. 4.8.1.

Teorema de Gauss

De la definici´on de divergencia se puede obtener un teorema important´ısimo en electrost´atica y gravitaci´on, que se conoce como teorema de Gauss. Este teorema dice Z I ~ · ~adV = ~a · ! r ds V

s

R

donde V indica que es una integral de volumen. Intuitivamente viene a decir que el flujo a trav´es de una superficie cerrada es igual a la cantidad de fuentes que hay en el volumen encerrado por la superficie. La demostraci´on del teorema es sencilla sin m´as que partir de la definici´on de divergencia y su expresi´on haciendo uso de operador gradiente Z ~ · ~a = d =) r ~ · ~adV = d =) ~ · ~adV = r r dV V

4.9.

Rotacional de un campo vectorial

Al igual que la divergencia es la magnitud de punto que proporciona la misma informaci´on local que el flujo hace para superficies, el rotacional ser´a la magnitud de punto que lleve localmente la misma informaci´on que la circulaci´on proporciona a lo largo de una trayectoria cerrada. En la deducci´on de la divergencia, no se hizo alusi´on a la forma del volumen, ya que ´este se hace infinitamente peque˜ no, donde la forma no importa. Lo mismo sucede en esta secci´on para la forma concreta de la trayectoria de integraci´on, pero no as´ı para su orientaci´on. Si se mantiene la trayectoria de integraci´on en un plano, incluso al hacerla infinitamente peque˜ na, la orientaci´ on del plano que contiene a dicha trayectoria permanece fija. Por tanto, habr´a que tener en cuenta la orientaci´on de las trayectorias, lo que producir´a un funci´on vectorial (a diferencia de la divergencia, que era escalar, ya que no depend´ıa de ninguna direcci´on). La idea es tomar una trayectoria cerrada, contenida en un plano, de forma que define una superficie de ´area s, y de direcci´on del vector de superficie ~s, se puede caracterizar por el versor eˆs = ~s/ s. Se calcula la circulaci´on cir~a a trav´es del camino cerrado I cir~a = ~a · d~r C

donde, como ya se ha dicho, C es el camino cerrado que coincide con el borde de la superficie plana. El siguiente paso ser´a hacer la trayectoria cerrada cada vez m´as peque˜ na, lo que implica hacer tambi´en el ´area s cada vez m´as peque˜ na. Al disminuir la longitud de la trayectoria cerrada, disminuir´a tambi´en el valor de la circulaci´on, por lo que para obtener una funci´on que no tienda a cero se calcula el cociente de la trayectoria y el a´erea: I 1 ~a · d~r s Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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CAMPOS ESCALARES Y VECTORIALES

El rotacional del campo vectorial ~a, que se notar´a como rot~a, se define en el l´ımite ! 0, como: I 1 d (cir~a) eˆs · rot~a = l´ım ~a · d~r = (5) !0 s ds Donde se ha utilizado que en el l´ımite resulta d (cir~a) = ~a · d~r. Es importante subrayar que el rotacional as´ı definido es una funci´on de punto y una magnitud vectorial. Falta encontrar la expresi´on de esta funci´on vectorial en alg´ un sistema de coordenadas, lo que permitir´a calcularlo de forma sencilla. Para ello se parte de una tradx yectoria cerrada, en el plano xz, de forma que define dz 2 z un rect´angulo de lados dx y dz cuadrado tal y como 1 indica la Figura 11. El superficie definida por el camino 3 cerrado tiene un ´area de dxdz, mientras que el vector r superficie lleva una direcci´on |ˆ. As´ı, el versor eˆs utilizay 4 do en la definici´on del rotacional es |ˆ. Se tiene de esta manera que x eˆs · rot~a = (rot~a)y es decir, el camino elegido permitir´a conocer la componente del vector rot~a en la direcci´on del eje y. ˆ Durante el trozo 1 del camino cerrado, el vector desplazamiento diferencial d~r es igual a dxk. Como ese trozo es muy peque˜ no, se puede considerar el campo ~a constante e igual a Figura 11: Trayectoria cerrada.

dx dx dx dx , y, z) = ax (x , y, z)ˆı + ay (x , y, z)ˆ | + az (x , y, z)kˆ 2 2 2 2 Al hacer el producto escalar entre el campo y el vector desplazamiento, la contribuci´on de este trozo a la circulaci´on ser´a dx az (x , y, z)dz 2 Este proceso se repite para los trozos 2, 3 y 4, y el resultado es que la circulaci´on diferencial d(cir~a) (es muy peque˜ na al ser el camino cerrado muy peque˜ no) queda ~a(x

dx dz dx dz , y, z)dz + ax (x, y, z + )dx az (x + , y, z)dz ax (x, y, z )dx 2 2 2 2 Para calcular (rot~a)y hay que dividir d(cir~a) por ds = dxdz, el resultado es ! ! az (x + dx az (x dx ax (x, y, z + dz ax (x, y, z dz 2 , y, z) 2 , y, z) 2 ) 2 ) (rot~a)y = + dx dx dz dz d(cir~a) = az (x

Como estamos en el l´ımite, los anteriores cocientes no son otra cosa que las derivadas parciales de las componentes ax y az , con lo que la componente y del rotacional queda: @az @ax + @x @z Este mismo procedimiento se puede repetir para las componentes x y z del rotacional, tomando las trayectorias adecuadas, y el resultado es: (rot~a)y =

@az @y @ay (rot~a)z = @x

(rot~a)x =

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@ay @z @ax @y Curso 2016-2017

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SISTEMAS DE COORDENADAS

La expresi´on del vector rotacional queda por tanto como: ~ ^ ~a = rot~a = r

ˆı

|ˆ

kˆ

@ @x

@ @y

@ @z

ax

ay

az

Habitualmente, el rotacional de un campo vectorial se nota, haciendo uso de este u ´ltimo ~ ^ ~a. resultado, simplemente como r 4.9.1.

Teorema de Stokes

Debido a su definici´on, el existe un estrecha relaci´on entre el rotacional de un campo vectorial y la circulaci´on de este campo a trav´es de una trayectoria cerrada. Esta relaci´on queda recogida en el Teorema de Stokes, que se enuncia a continuaci´on, y que ser´a u ´til en el c´alculo de ciertas magnitudes f´ısicas como el campo magn´etico. Seg´ un la definici´on de rotacional dada en (5) y la definici´on del vector eˆs , se tiene ~ ^ ~a) · (r

d~s d(cir~a) = ds ds

por tanto, simplificando los ds que aparecen en ambos t´erminos, queda: ~ ^ ~a) · d~s = d(cir~a) = ~a · d~r (r La anterior igualdad es v´alida para cualquier punto de una trayectoria que define una superficie, por lo que se puede integrar a toda la trayectoria, dando lugar al Teorema de Stokes Z I ~ ^ ~a) · d~s = (r ~a · d~r S

C

Este teorema afirma que el flujo del rotacional de un campo vectorial a trav´es de una superficie es igual a la circulaci´on del mismo campo a lo largo del borde de dicha superficie.

5.

Sistemas de coordenadas

Cualquier vector de posici´on ~r de un punto P se puede expresar en funci´on de los tres versores ˆ como ~r = xˆı + yˆ ˆ Se dice que el vector ~r se descompone en los tres directores ˆı, |ˆ y k, | + z k. versores o coordenadas, y que los resultados de la proyecci´on o descomposici´on son las tres cantidades (x, y, z), que se conocen como coordenadas del vector o del punto P en el sistema de coordenadas cartesiano. Sin embargo, est´a descomposici´on no es u ´nica, es decir, se pueden utilizar otros tres vectores para descomponer el vector ~r. En esto consisten los distintos sistemas de coordenadas, en un conjunto de tres vectores, generalmente perpendiculares, que permiten expresar cualquier vector. En esta secci´on se estudiar´an dos de estos sistemas de coordenadas: los sistemas de coordenadas cil´ındricas y esf´ericas.

5.1.

Sistema de coordenadas cil´ındricas

En este sistema de coordenadas las tres cantidades que caracterizan el vector de posici´on o al punto P son (⇢, ', z), que se conocen como coordenadas cil´ındricas, donde ⇢ es la distancia del punto P al eje z, ' es el ´angulo que sustiende la proyecci´on del vector ~r sobre el plano xy

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SISTEMAS DE COORDENADAS

con el eje x. En la Figura 12 se puede observar estas dos u ´ltimas cantidades, que se expresan en funci´on de las coordenadas cartesianas como: p ⇢ = x2 + y 2 ⇣y⌘ (6) ' = arctan x

z

ρ

k

Adem´as de estas cantidades se pueden definir dos versores, que junto con el versor kˆ definen los tres versores del sistema de coordenadas cil´ındricas. Estos dos versores son el versor ⇢ˆ, que es un vector unitario en la direcci´on de la perpendicular al eje z que lo une con el punto P , sentido contrario al eje; y el versor ', ˆ que es vector unitario perpendicular a kˆ y a ⇢ˆ, y que hace que ˆ ⇢ˆ ^ 'ˆ = k. Los versores del sistema de coordenadas cil´ındricos ˆ que son f´aciles de expresar en funci´on de ser´an (ˆ ⇢, ', ˆ k), los versores cartesianos como:

φ ρ

r

x

φ

y

⇢ˆ = cos 'ˆı + sen 'ˆ |

Figura 12: Versores y coordenadas en el sistema de coordenadas cil´ındricas.

'ˆ = sen 'ˆı + cos 'ˆ | ˆ ˆ k=k

(7)

Tan v´alido es el sistema coordenado cartesiano como el cil´ındrico, por lo que tambi´en las coordenadas cartesianas se pueden poner en funci´on de las cil´ındricas como x =⇢ cos ' y =⇢ sen '

(8)

y los versores cartesianos se pueden poner en funci´on de los cil´ındricos como ˆı = cos 'ˆ ⇢

sen ''ˆ

|ˆ = sen 'ˆ ⇢ + cos ''ˆ ˆ ˆ k=k

(9)

El sistema de ecuaciones (8) se obtiene del sistema de ecuaciones (6), sin m´as que despejar en este u ´ltimo las coordenadas (x, y, z). Lo mismo sucede con el sistema (9) y el sistema (7), pero ˆ en este caso despejando los vectores (ˆı, |ˆ, k). El vector de posici´on ~r se expresa en coordenadas cil´ındricas como: ~r = ⇢ˆ ⇢ + z kˆ

(10)

Cualquier campo vectorial ~a(~r) que se defina en el punto ~r se podr´a expresar en funci´on de ˆ ya que son perpendiculares. Dicha descomposici´on quedar´ıa: los tres vectores (ˆ ⇢, ', ˆ k), ~a = a⇢ ⇢ˆ + a' 'ˆ + az kˆ

(11)

Un ejemplo de esta descomposici´ on ser´ıa el vector desplazamiento d~r en el punto ~r, que se expresar´ıa como: d~r = d⇢ˆ ⇢ + ⇢d''ˆ + dz kˆ Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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SISTEMAS DE COORDENADAS

Para obtener d~r a partir de ~r, es necesario utilizar que para una funci´on vectorial ~g que dependa ~ se expresa como: de varias variables (x1 , x2 , . . . ), su vector variaci´on dg ~ = @~g dx1 + @~g dx2 + . . . dg @x1 @x2 por lo que d~r =

@~r @~r @~r d⇢ + d' + dz @⇢ @' @z

De la expresi´on de ~r en (10) y la expresi´on de los versores cil´ındricos en cartesianas (7) se tiene: @~r @⇢ˆ ⇢ = = ⇢ˆ @⇢ @⇢ @~r @(⇢ˆ ⇢) @ ⇢ˆ = =⇢ = ⇢'ˆ @' @' @' ˆ @~r @(z k) = = kˆ @z @z Es importante resaltar que los vectores (ˆ ⇢, ') ˆ cambian de unos puntos a otros, ya que su direcci´on va cambiando a medida que el punto gira. Es importante encontrar la expresi´ on del gradiente, la divergencia y el rotacional en este nuevo sistema de coordenadas. Para ello se comienza utilizando el resultado que hemos encontrado para una campo escalar f , se tiene que su variaci´on al movernos un paso infinitesimal d~r resulta ~ · d~r, que no es otra cosa que la ecuaci´on (4). Como el campo f depende el punto, df = rf depende de las tres coordenadas que definen el punto. Esto implica que f = f (⇢, ', z), por lo que su variaci´on ser´a: @f @f @f df = d⇢ + d' + dz @⇢ @' @z Si se compara la ecuaci´on (4) con este u ´ltimo resultado y se tiene en cuenta la expresi´on de ~r en coordenadas cil´ındricas, dada en (10), es f´acil la expresi´on del gradiente de f en coordenadas cil´ındricas, que es: ~ = @f ⇢ˆ + 1 @f 'ˆ + @f kˆ rf @⇢ ⇢ @' @z De este resultado se puede obtener tambi´en la expresi´on del operador gradiente en este sistema de coordenadas: ~ = ⇢ˆ @ + 'ˆ 1 @ + kˆ @ r (12) @⇢ ⇢ @' @z Una vez con la expresi´on del operador gradiente (12), es f´acil obtener las expresiones de la divergencia y del rotacional, sin m´as que utilizar sus definiciones. ~ a, donde se puede sustituir (12) y (11), resultando: Para la divergencias, se ten´ıa que div~a = r·~ ✓ ◆ ⇣ ⌘ ~ · ~a = ⇢ˆ @ + 'ˆ 1 @ + kˆ @ · a⇢ ⇢ˆ + a' 'ˆ + az kˆ r @⇢ ⇢ @' @z Para realizar el producto vectorial, hay que tener en cuenta que el versor ⇢ˆ depende el ´angulo ', @ ⇢ˆ tal y como se puede apreciar en (7), donde es f´acil comprobar que @' = '. ˆ Por tanto, se tiene: ✓ ◆ @a⇢ 1 @a' @az ~ r · ~a = ⇢ˆ · ⇢ˆ + 'ˆ · 'ˆ a⇢ + + kˆ · kˆ @⇢ ⇢ @' @z Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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SISTEMAS DE COORDENADAS

y agrupando t´erminos se encuentra el resultado final para la divergencia de un vector ~a en coordenadas cil´ındricas, que es: ~ · ~a = 1 @ (⇢a⇢ ) + 1 @a' + @az r ⇢ @⇢ ⇢ @' @z Para obtener la expresi´on del rotacional de un campo vectorial ~a en coordenadas cil´ındricas se sigue el mismo procedimiento que anteriormente se ha mostrado para la divergencia, resultando: ~ ^ ~a = r

5.2.

⇢ˆ

'ˆ

kˆ

@ @⇢

@ @'

@ @z

a⇢

⇢a'

az

Sistema de coordenadas esf´ ericas

Como se ha visto cualquier punto P se puede caracterizar por las coordenadas cartesianas (x, y, z), o bien con las coordenadas cil´ındricas (⇢, ', z). Otras tres poz r φ sibles cantidades con las que se puede caracterizar el cualquier punto son el ´angulo ' (definido en el apartado θ θ anterior), la distancia del punto al centro de coordenar das r (igual al m´odulo de ~r), y el ´angulo entre el vector de posici´on y el eje z, denominado ✓. Por tanto, un punto P viene caracterizado en el sistema de coordenadas y esf´ericas por las coordenadas (r, ✓, '). En la Figura 13 φ x pueden verse estas tres coordenadas. La obtenci´on de las coordenadas esf´ericas esf´ericas Figura 13: Versores y coordenadas en haciendo uso de las cartesianas es sencilla a partir de sus definiciones y resulta el sistema de coordenadas esf´ericas. p r = x2 + y 2 + z 2 ! z ✓ = arc cos p (13) x2 + y 2 + z 2 ⇣y⌘ ' = arctan x

ˆ '). Junto con las tres anteriores coordenadas se pueden definir tres versores (ˆ r, ✓, ˆ El versor rˆ es un versor con la misma direcci´on y sentido que el vector de posici´on, es decir rˆ = ~rr . El versor 'ˆ ya fue definido para el sistema de coordenadas cil´ındricas, y el versor ✓ˆ lleva la u ´nica direcci´on que es perpendicular a rˆ y a 'ˆ y el sentido que permite que rˆ ^ ✓ˆ = '. ˆ En la Figura 13 pueden verse estos tres versores. Estos versores se pueden obtener a partir de los versores cartesianos como: rˆ = sen ✓ cos 'ˆı + sen ✓ sen 'ˆ | + cos ✓kˆ ✓ˆ = cos ✓ cos 'ˆı + cos ✓ sen 'ˆ | sen ✓kˆ 'ˆ =

(14)

sen 'ˆı + cos 'ˆ |

ˆ ') En la expresi´on anterior de los versores (ˆ r, ✓, ˆ haciendo uso de los versores cartesianos, se puede ver como estos versores dependen de las propias coordenadas esf´ericas. Esto quiere decir Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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SISTEMAS DE COORDENADAS

que, al igual que los versores del sistema de coordenadas cil´ındricas, la direcci´on de los versores variar´a al variar el punto. Tambi´en implica las siguientes relaciones que son f´aciles de obtener derivando @ rˆ = @' @ rˆ = @✓ @ ✓ˆ = @' @ ✓ˆ = @✓ @ 'ˆ = @'

sen ✓ sen 'ˆı + cos ✓ sen 'ˆ | = sen ✓'ˆ cos ✓ cos 'ˆı + cos ✓ cos 'ˆ |

sen ✓kˆ = ✓ˆ

cos ✓ sen 'ˆı + cos ✓ cos 'ˆ | = cos ✓'ˆ sen ✓ cos 'ˆı cos 'ˆı

sen ✓ sen 'ˆ |

sen 'ˆ |=

sen ✓ˆ r

cos ✓kˆ =

(15) rˆ

cos ✓✓ˆ

Tanto las coordenadas cartesianas como las cil´ındricas se pueden expresar en funci´on de las coordenadas esf´ericas 9 9 x = r sen ✓ cos ' = ⇢ = r sen ✓ = y = r sen ✓ sen ' y '=' ; ; z = r cos ✓ z = r cos ✓

En este sistema de coordenadas, el vector de posici´on toma una expresi´on muy sencilla, que

es:

~r = rˆ r

(16) ˆ Cualquier vector definido en el punto P se puede poner en funci´on de los tres versores (ˆ r, ✓, '), ˆ de forma que ~a = ar rˆ + a✓ ✓ˆ + a' 'ˆ (17) En concreto, el vector desplazamiento infinitesimal d~r se puede expresar en funci´on de estos tres versores. Para obtener la expresi´on hay que repetir el proceso seguido para coordenadas cil´ındricas. De la expresi´on (17) se puede ver que ~r depende de la coordenada r y del versor rˆ. Este u ´ltimo versor depende a su vez de la coordenadas ✓ y ', por lo que el vector de posici´on ~r depende de las tres coordenadas (como era l´ogico esperar). Por tanto, su vector variaci´on infinitesimal d~r se puede expresar como d~r =

@~r @~r @~r dr + d✓ + d' @r @✓ @'

El vector de posici´on toma la expresi´on (16), lo que se sustituye en la u ´ltima expresi´on y queda d~r =

@r @ rˆ @ rˆ rˆdr + r d✓ + r d' @r @✓ @'

donde se ha utilizado que rˆ no depende de r y que r no depende ni de ✓ ni de '. Utilizando las derivadas parciales que aparecen en (15), se puede obtener la expresi´on final para d~r que resulta ser ˆ + r sen ✓'d' d~r = rˆdr + r✓d✓ ˆ (18) S´olo falta por obtener la expresi´on del gradiente de un campo escalar, el operador gradiente y la divergencia y el rotacional de un campo vectorial. Operando de igual manera a como se hizo para el sistema de coordenadas cil´ındricas, el gradiente de un campo escalar queda ~ = rˆ @f + ✓ˆ 1 @f + 'ˆ 1 @f rf @r r @✓ r sen ✓ @' Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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ACTIVIDADES

Con lo que el operador gradiente resulta @ ~ = rˆ @ + ✓ˆ 1 @ + 'ˆ 1 r @r r @✓ r sen ✓ @' Este operador se utiliza para obtener la expresi´on de la divergencia de un campo vectorial ~a, que queda 2 ~ · ~a = 1 @ r ar + 1 @ (sen ✓a✓ ) + 1 @a' r 2 r @r r sen ✓ @✓ r sen ✓ @' y el rotacional del campo ~a, que queda ~ ^ ~a = r

6. 6.1.

1 r2 sen ✓

rˆ

r✓ˆ

r sen ✓'ˆ

@ @r

@ @✓

@ @'

ar

ra✓

r sen ✓a'

Actividades Introducci´ on

1. Avent´ urese a proponer una definici´on de ciencia en general y de f´ısica en particular. 2. Idealmente, la definici´on de f´ısica propuesta deber´ıa excluir el resto de ciencias (qu´ımica, biolog´ıa, etc.). Por otro lado, en su definici´on de ciencia deber´ıan estar incluidas al menos las ciencias cl´asicas. ¿Es esto as´ı? 3. Leer las dos definiciones de f´ısica que aparecen a continuaci´on. a) ¿Considera que ambas definiciones se ajustan a su idea de f´ısica? b) ¿Podr´ıa decir si ambas definiciones engloban todas las ramas de la f´ısica que conoce? c) Si no es as´ı, intente justificar a qu´e se debe. 4. La ciencia en general, pero sobre todo la f´ısica, trabaja con magnitudes f´ısicas. Lea la siguiente definici´on de magnitud f´ısica: Una magnitud f´ısica es un concepto aplicable a la naturaleza, definido con rigor y que tiene que poder medirse. La clave de la anterior est´a en el proceso de media. No es lo mismo el concepto coloquial de medir algo, que el concepto f´ısico. Desde el punto de vista f´ısico la medida es asignar una relaci´on cuantitativa entre la mediad concreta de la magnitud y el valor de dicha magnitud en un caso particular, que se toma como patr´on o unidad (tal longitud es el doble, o la mitad, o 0.7809434 veces la longitud de un metro, que es una barra que se guarda en el Instituto de Pesas y Medidas de Par´ıs a 0o C). Sin embargo, ser capaz de realizar este proceso no es suficiente para que una magnitud est´e bien definida, las medidas deben cumplir lo siguiente: Las medidas de magnitudes f´ısicas deben ser: Reproducible: medidas realizadas del mismo sistema en distintos instantes deben ser iguales. Si se mide la longitud de un cuerpo en dos ocasiones distintas, las medidas deben ser iguales si el cuerpo no ha cambiado. Mesurable: medidas de una misma magnitud en distintos sistemas deben ser comparables entre s´ı, independientemente del sistema de unidades que se utilicen. Objetiva Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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ACTIVIDADES

a) Encuentre magnitudes en distintos campos y compruebe si la medida de estas magnitudes cumplen las anteriores caracter´ısticas. 5. Se mide la longitud de un cuerpo y se obtiene una valor de 20 cm. Se mide la de otro y se obtiene un valor de 40 cm. Se puede afirmar que el segundo tiene una longitud el doble que el primero. a) ¿Sigue siendo esta afirmaci´on correcta si se hubiese medido la distancia en metros? b) ¿y en pies? ¿y en a˜ nos luz? c) ¿Cumple la medida de la longitud los requisitos que debe cumplir la medida de magnitudes f´ısicas? 6. Si se la temperatura de un l´ıquido y se observa que es de 1o C. Se mide la temperatura de otro l´ıquido y se encuentra que es de 10o C. a) ¿Se puede decir que el segundo l´ıquido tiene una temperatura diez veces la del primero? b) ¿y si se hubiese medido en grados farenheit? c) Si el primer valor hubiese sido 0o C, ¿como se comparar´ıan las dos medidas? d ) ¿Cumple la medida de la temperatura los requisitos que debe cumplir la medida de magnitudes f´ısicas?

6.2.

Magnitudes escalares y vectoriales

1. Un coche circula en l´ınea recta a una velocidad v y sobre ´el empieza a actuar una aceleraci´on a. Estudiar que le suceder´a al coche si: a) la aceleraci´on lleva la misma direcci´on y sentido que la velocidad. b) la aceleraci´on lleva la misma direcci´on pero sentido contrario a la velocidad. c) la aceleraci´on es perpendicular a la velocidad. 2. Por otro lado, si de dice que el coche pesa una tonelada, ¿es necesario especificar algo m´as sobre la masa del coche?

6.3.

´ Algebra vectorial

1. Lea el apartado correspondiente de los apuntes. 2. Explique por qu´e la suma de vectores es una operaci´on interna y por qu´e el producto entre vectores y escalares es una operaci´on externa. 3. Compruebe gr´aficamente que la suma de vectores cumple las propiedades enunciadas. 4. Compruebe gr´aficamente que el producto de escalares por vectores cumple las propiedades descritas. 5. En el tercer apartado, primero se toman tres ejes perpendiculares y luego se sigue el siguiente proceso: a) Se expresa un vector gen´erico como la suma de tres vectores contenidos en cada uno de los ejes.

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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ACTIVIDADES

b) Se definen un versor en cada uno de los ejes, de forma que cualquier vector se puede poner como combinaci´on lineal de estos tres versor, y los n´ umeros que multiplican a cada versor son las componentes cartesianas del vector gen´erico c) Por u ´ltimo se obtiene el m´ odulo del vector como la ra´ız cuadrada de la suma de las componentes al cuatrado. Si se hubiesen tomado tres ejes no perpendiculares, ¿c´omo habr´ıan variado los pasos anteriores? 6. A partir de la definici´on de producto escalar, demuestre las propiedades enunciadas. 7. Obtener la expresi´on del producto escalar haciendo uso de las componentes cartesianas si los ejes elegidos no fueran perpendiculares. 8. Se han obtenido dos expresiones para el producto escalar: una su definici´on y la otra la expresi´on obtenida utilizando coordenadas. a) Utilice estas dos expresiones para obtener un f´ormula para obtener el coseno que forman dos vectores entres s´ı. b) Los cosenos directores son los cosenos de los ´angulos que un vector forma con cada uno de los ejes. Aplique la anterior f´ormula obtenida para obtener una expresi´on para cada uno de los cosenos directores. 9. ¿Por qu´e se dice que el producto vectorial es una operaci´ on interna. 10. Demuestre las propiedades enunciadas para el producto vectorial. 11. En los apuntes se ha obtenido una expresi´on para obtener el producto vectorial haciendo uso de las coordenadas perpendiculares de los vectores. a) Haciendo uso de esta expresi´on y de la definici´on de producto vectorial, encontrar una forma de obtener el seno del ´angulo entre dos vectores. b) La expresi´on del producto vectorial haciendo uso de coordenadas no es v´alida para cualquier conjunto de tres ejes perpendiculares, sino que el orden de los ejes tiene que ser dextr´ ogiro, es decir si vamos del primer al segundo eje siguiendo la ley de la mano derecha, obtenemos el sentido positivo del tercero. Obtener la expresi´on del producto vectorial haciendo uso de las coordenadas de los vectores, si el sistema de referencia es lev´ ogiro (lo opuesto a dextr´ogiro), como el de la figura 14. z

a

b a!b

y x

Figura 14: Producto vectorial de dos vectores en un sistema de referencia lev´ ogiro. 12. Comprobar que para el ´area de un paralelep´ıpedo definido por dos vectores ~a y ~b, el m´odulo del vector superficie es igual ´area. Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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13. Imag´ınese una superficie formada por dos planos cuadrados, de lado a, unidos por una arista y formando un ´angulo de 45o entre s´ı, tal y como aparece en la Figura 15. a) Calcule el ´area total de la superficie y el vector superficie b) ¿Es el m´odulo del vector de superficie igual al ´area? Si no es as´ı, explique a qu´e se debe.

a a a

Figura 15: 14. Calcule el vector de superficie de un cubo. ¿Se podr´a extender el resultado a cualquier superficie cerrada? 15. El producto mixto de tres vectores ~a, ~b y ~c se define como ~a · (~b ^ ~c). Demostrar que el resultado es igual al volumen del paralelep´ıpedo definido por los tres vectores. 16. ¿C´ omo definir´ıa el vector de posici´on? ¿Qu´e se necesita para poder definirlo?

6.4.

Campos escalares y vectoriales

1. Lea la parte correspondiente a campos y su clasificaci´on. 2. De los siguientes campos, clasificar entres escalares o vectoriales, estacionarios o no estacionarios, y uni-, bi- o tridimensionales: a) Temperatura atmosf´erica. b) Altura de la superficie terrestres sobre el nivel del mar. c) Velocidad de las olas en los oc´eanos. d ) Esfuerzos en una viga de un puente de la autov´ıa a la playa. e) Corriente en un circuito el´ectrico. f ) Campo magn´etico en torno a un conductor por el que circula una corriente. 3. Paro poder representar gr´aficamente los campos se debe dise˜ nar una forma de proporcionar informaci´on sencilla y esquem´atica. Aunque no sea consciente, ya conoce representaciones tanto de campos escalares como vectoriales. a) Dise˜ ne un sistema para representar gr´aficamente campos escalares. Tenga en cuenta como se representa la altura de un punto en un mapa topogr´afico o la presi´on atmosf´erica a nivel del mar en un mapa del tiempo. b) Dise˜ ne un sistema para representar gr´aficamente campos vectoriales. Piense en como se representa el campo de velocidades en perfiles aerodin´amicos o esquemas de t´ uneles de viento para, por ejemplo, un coche.

Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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c) Estudie como se adaptan las representaciones a campos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. 4. Antes de leer la parte correspondiente al gradiente de un campo escalar, explique qu´e es la derivada de una funci´on escalar (del tipo estudiado en el bachillerato) y como se relaciona esta derivada con las variaciones de las funciones. 5. Compare las funciones escalares, tal y como las estudi´o en el bachillerato, con los campos escalares unidimensional. 6. Lea la parte correspondiente al gradiente de un campo vectorial, teniendo en cuenta siempre el paralelismos que existe con la derivada de una funci´on escalar. 7. Al obtenerse la variaci´on infinitesimal de la funci´on, df , para un desplazamiento gen´erico ˆ se realiz´o ese desplazamiento primero dando un paso de longitud dx d~r = dxˆı + dyˆ | + dz k, en la direcci´on del versor ˆı, luego otro paso dy en la direcci´on |ˆ y por u ´ltimo un paso dz en la direcci´on |ˆ. Sin embargo, en tras haber realizado el paso nos encontramos en el punto (x + dx, y, z), por lo que en el segundo paso, la derivada parcial con respecto a y, @f /@y no deber´ıa evaluarse en el punto (x, y, z), sino en el punto (x + dx, y, z). Esto no se ha tenido en cuenta ¿sabr´ıa explicar porqu´e? (piense que el las cantidades puestas en juego son muy peque˜ nas y que el producto de dos n´ umeros muy peque˜ nos es mucho menor que los dos n´ umeros originales). 8. Para entender la la naturaleza el vector gradiente, partiendo del punto (x, y, z), nos movemos dando en distintas direcciones d~r, dando pasos de igual longitud dr. a) Calcular cuanto es la variaci´on de la funci´on df en funci´on del ´angulo entre el vector gradiente y el vector desplazamiento. b) ¿Qu´e debe cumplir una direcci´on para que la variaci´on sea nula? c) ¿Qu´e debe cumplir una direcci´on par que la variaci´on sea m´axima? ¿y m´ınima? d ) Dibujar el vector gradiente para el campo escalar bidimensional representado en la figura 16. Tener el cuenta que el gradiente ser´a mayor donde la variaci´on sea mayor. e) Observe como se puede dibujar el vector gradiente en cualquier punto y lo mismo se podr´ıa hacer para un campo tridimensional. Por tanto, al tener una vector (el gradiente) en cada punto, esto constituye un campo vectorial. Represente gr´aficamente el campo vectorial que resulta de tomar el gradiente en todos los puntos del campo escalar de la figura 16 f ) Obtenga una relaci´on general que cumplir´an las l´ıneas equipotenciales de un campo escalar con las l´ıneas de campo del campo vectorial que resulta de tomar general. 9. Al final del apartado se ha defino el operador nabla. Busque ejemplos de otros operadores que haya estudiado con anterioridad. 10. Lea el aparatado sobre la derivada e integral de una vector respecto de un escalar. 11. Dese cuenta de que no se ha realizado lo mismo que con un campo escalar, es decir, no se ha calculado como var´ıa un campo vectorial al movernos un poco desde un determinado punto. ¿A qu´e piensa que se debe? 12. Esquematice el proceso que llevar´ıa a determinar la variaci´on de un campo vectorial en trono a un punto. Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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y

x

Figura 16: 13. Lea el apartado sobre la circulaci´on de un campo escalar. Este concepto es relativamente complicado, por lo que es posible que requiera de la explicaci´on del profesor para su comprensi´on. No se preocupe. Responda a las siguientes preguntas. a) ¿Qu´e direcci´on lleva el vector desplazamiento d~r? b) ¿Cuanto es el m´odulo de dicho vector? c) ¿Es la circulaci´on una magnitud escalar o vectorial? d ) ¿De que magnitudes y relaciones depende el valor final de la circulaci´on? e) ¿Qu´e cree que mide la circulaci´on de un campo vectorial? 14. Cuando se estudi´o el gradiente, se vio que el proceso de tomar el gradiente de una campo escalar produce un campo vectorial. a) Calcule la circulaci´on de una campo de este tipo. b) ¿Depende este tipo de circulaci´on de las mismas magnitudes y relaciones que las circulaciones en general? c) Existe una propiedad muy importante que cumple este tipo de circulaciones, ¿sabr´ıa enunciarla? d ) ¿Como ser´a la circulaci´on de este tipo de campos a trav´es de una camino cerrado, es decir, que comienza y acaba en el mismo sitio? 15. El flujo de un vector es una magnitud m´as sencilla que la circulaci´on, ya que su definici´on coincide con la idea intuitiva que tenemos de flujo. Lea la parte correspondiente al flujo de un campo escalar. a) ¿Qu´e entiende por el flujo de un l´ıquido? b) Formalice esa idea haciendo uso de la definici´on de flujo. Para ello tiene que encontrar el campo vectorial adecuado. c) Para campos constantes y superficies planas, particularice la definici´on general de campo y estudie como var´ıa su valor al cambiar la inclinaci´on de la superficie. d ) Identifiqu´e las magnitudes y relaciones de las que depende el valor final del flujo. 16. Observe que ni la circulaci´on ni el flujo son funciones de puntos, es decir, no se pueden definir en cada uno de los punto. Es precisamente buscando funciones de punto que se relacionen precisamente con el flujo y la circulaci´on por lo que se define la divergencia y el rotacional, que s´ı son funciones de punto. Lea la parte final de la secci´on de campos Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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e identifique con cual de las dos primeras magnitudes se relaciona cada una de las dos segundas. 17. La definici´on de divergencia es u ´til para obtener una idea intuitiva sobre esta magnitud, pero no es pr´actica para trabajar con ella. Para obtener una expresi´on a partir de coordenadas de los vectores con la que sea f´ acil trabajar, siga los siguientes pasos: a) La divergencia se define como el flujo a trav´es de una superficie cerrada muy peque˜ na, dividido por el volumen encerrado por la superficie. Construya un prisma centrado en un punto (x, y, z) de lados dx, dy y dz, paralelos a los ejes x, y y z, respectivamente, tal y como aparece en la figura 17.

dy z dz dx

r x

y Figura 17:

b) Primero, identifique las dos las caras perpendiculares al eje y, que ser´an las primeras en las que se calcular´a el flujo. De estas dos caras, comenzaremos con la cara de la derecha seg´ un se mira la figura 17. c) El prisma es suficientemente peque˜ no como para que el campo sea constante a lo largo de una cara. Teniendo el cuenta esto, calcule el flujo a trav´es de la cara especificada en el paso anterior. Tenga en cuenta que, aunque el campo es constante en esta cara, no corresponde con el valor del campo en el centro del cubo, sino con el valor del campo en el centro de la cara, que corresponde con el punto (x, y + dy/2, z). d ) Realice el mismo c´alculo con la cara de la izquierda, perpendicular al eje y, teniendo en cuenta las mismas consideraciones anteriores y prestando especial atenci´on a la direcci´on que lleva el vector superficie. e) Se est´a ya en posici´on de calcular el flujo a trav´es de las superficies perpendiculares al eje y, sumando (¿o ser´ıa restando?) los dos flujos anteriormente calculados. Para simplificar la expresi´on tenga en cuenta la definici´on de derivada parcial que se ha realizado a principio de la secci´on. f ) Realice el mismo procedimiento para el flujo a trav´es de las superficies perpendiculares a los ejes x, por un lado, y al eje z, por otro. g) Calcule el flujo total, como la suma de los flujos anteriores, divida por el volumen del cubo y simplifique el resultado. h) Haga uso del operador nabla, estudiado en el apartado del gradiente, para obtener una expresi´on m´as compacta. Comparar la expresi´on que se obtiene con la que aparece en los apuntes. Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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18. Enuncia con palabras lo que significa el teoremas de Gauss presentado en los apuntes. 19. A partir de este teorema, deduzca qu´e es lo que debe cumplir un campo para que sea solenoidal. 20. Al igual que sucedi´o con la divergencia, la definici´on de rotacional es u ´til para obtener una idea intuitiva sobre esta magnitud, pero no se puede trabajar directamente con ella. Para obtener una expresi´on u ´til del rotacional que haga uso de las coordenadas de los vectores, siga los siguientes pasos: a) El rotacional se define como la circulaci´on a trav´es de una trayectoria cerrada muy peque˜ na, partido por la superficie que define la peque˜ na trayectoria. Por muy peque˜ nas que sean las trayectorias, unas y otras se pueden distinguir por su orientaci´on. Como cualquier orientaci´on se puede descomponer en tres orientaciones haciendo uso de los tres ejes cartesianos, el rotacional tendr´a tres componentes, uno para cada uno de los ejes, y es por lo tanto un vector. Comience con una trayectoria plana rectangular, al rededor del punto (x, y, z), perpendicular al eje y y de lados dx y dz, tal y como aparece en la figura 18.

z

dx 2

dz 1

3 r 4

y

x Figura 18: b) Primero, f´ıjese en el trozo marcado con 1 en la figura. Identifica cual es el vector de desplazamiento a trav´es de ese trozo y cuanto vale el campo en ese trozo. Al igual que sucedi´o en la divergencia, el camino es suficientemente peque˜ no como para que el campo se pueda considerar constante en ese trozo. De forma an´aloga, tenga en cuenta que, aunque el valor del campo, aunque constante en este trozo, no corresponde con el valor del campo en el punto (x, y, z), sino con el valor del campo en el centro del trozo, que corresponde con el punto (x + dx/2, y, z). c) Teniendo en cuanta lo anterior, calcule la peque˜ na circulaci´on a trav´es del primer trozo. d ) Realice el mismo c´alculo con el trozo 3, teniendo en cuenta las mismas consideraciones anteriores y prestando especial atenci´on a la direcci´on que lleva el vector desplazamiento. e) Sume las dos contribuciones anteriores y simplifique haciendo uso de la definici´on de derivada parcial. f ) Realice el mismo procedimiento para la circulaci´on a trav´es de los caminos 2 y 4.

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g) Calcule la circulaci´on total, divida por la superficie definida por el camino y simplifique el resultado. h) Seg´ un la definici´on de rotacional, la cantidad calculada anteriormente corresponde con la componte y del rotacional, calcule las otras componentes. i ) Una vez obtenidas las tres componentes, utilice el operador nabla para obtener una expresi´on m´as compacta. Comparar la expresi´on que se obtiene con la que aparece en los apuntes. 21. Enuncia con palabras lo que significa el teoremas de Stokes presentado en los apuntes. 22. A partir de este teorema, deduzca qu´e es lo que debe cumplir un campo para que sea conservativo.

6.5.

Sistemas de coordenadas

1. Lea la parte correspondiente al sistema de coordenadas cil´ındricas, identificando los siguientes pasos: a) Definici´on de las nuevas variables. b) Definici´on de los nuevos versores. c) Expresi´on de las antiguas variables en funci´on de las nuevas. d ) Expresi´on de los antiguos versores en funci´on de las nuevas variables y versores. e) Expresi´on de un vector gen´erico en funci´on de los nuevos versores. f ) Expresi´on del vector de posici´on en funci´on de las nuevas variables y versores. g) Obtenci´on del vector de desplazamiento a trav´es de la diferenciaci´on del vector de posici´on. Para ello es necesario estudiar como var´ıan los nuevos versores al variar las nuevas coordenadas. h) Obtenci´on la variaci´on de una funci´on escalar en funci´on de las nuevas variables. i ) Haciendo uso de la expresi´on del vector desplazamiento en el nuevo sistema, identificaci´on del gradiente de una funci´on escalar en las nuevas coordenadas. j ) Identificaci´on del operador nabla en el nuevo sistema de coordenadas. k ) Haciendo uso de las expresiones de la divergencia y el rotacional que utilizan el operador nabla y de la anterior expresi´on de dicho operador en el nuevo sistema de coordenadas, obtenci´on de la divergencia y el rotacional en el nuevo sistema de coordenadas. 2. F´ıjese que en la expresi´on del vector de posici´on en coordenadas cil´ındricas no aparece ni el ´angulo '. ¿Es que no depende el vector de posici´on de la coordenada '? Si s´ı depende, ¿d´onde se encuentra dicha dependencia? 3. Se sabe que el valor de un campo vectorial ~a en un determinado punto es 2ˆı + 3ˆ | + kˆ y se pide que se exprese ese vector en coordenadas cil´ındricas. a) ¿Se puede realizar dicho problema? b) Si se puede, real´ıcelo. Si no se puede, ¿por qu´e no se puede? ¿que se necesitar´ıa para poder hacerlo? 4. Lea el apartado correspondiente al sistema de coordenadas esf´ericas. Ma Carmen Carri´ on, David Blanco

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5. Note que s´olo aparecen las definiciones de las nuevas coordenadas, los nuevos versores y las expresiones finales del gradiente de una funci´on escalar, la divergencia y el rotacional. Realice el resto de los pasos que identific´o para el caso del sistema de referencia cil´ındrico. Al final tienen que resultar las mismas expresiones finales.

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