Breve Revisão de Cálculo Vetorial

Transcrição

1 Beve Revsão de Cálculo Vetoal 1

2 1. Opeações com vetoes Dados os vetoes A = A + A j + A k e B = B + B j + B k, dene-se: Poduto escala ente os vetoes A e B A B A B Daí, cos A AB cos A B B A A B B AB A B A B

3 Poduto vetoal do vetoes A e B ABsen B A B A B A A B A B B A B B B A A A B A k j k j B A

4 . Uma denção ísca paa Campo Dada uma egão D no espaço tdmensonal e uma gandea ísca (escala ou vetoal, então, essa egão seá chamada de campo se, nela, o valo da gandea num dado ponto depende unvocamente das coodenadas desse ponto. Se a gandea o escala (pessão, tempeatua, etc., o campo é dto escala. Se a gandea o vetoal (oça, velocdade, etc, o campo é dto vetoal. O valo da gandea também pode depende do tempo. Nesse caso, o campo é dto vaável (ou dnâmco. Caso contáo, ele é dto estaconáo. 4

5 Eemplos de campos escalaes: Em um campo escala, um númeo é dendo paa cada ponto do espaço. Campo de pessão em uma epesa, p = γh. Campos de Tempeatua. 5

6 Um valo escala é dendo paa cada ponto do espaço (analítco ou numéco. Repesentação gáca

7 Lnhas de so-contono (tempeatua ( o C, alttude, etc

8 Campos escalaes em -D

9 9 Campos Vetoas Em um campo vetoal, um veto é dendo paa cada ponto do espaço. Fomalmente, temos: Um campo Vetoal é dendo, no, como uma unção F que assoca a cada ponto M(, em um subconjunto D do, um únco veto F(M bdmensonal, tal que, Um campo Vetoal é dendo, no, como uma unção F que assoca a cada ponto N(,, em um subconjunto E do, um únco veto F(N tdmensonal, tal que, j F F, (, (, ( ( Q P M k j F F,, (,, (,, (,, ( ( R Q P N

10 Campo de velocdade em uma oda ou tubna, F j Campo gavtaconal (campo do quadado nveso, F GMm ˆ 10

11 Eemplo - Eecíco Faça um dagama do campo vetoal F(, Consdeando F(,0 0 : 1 0,,1,,,4 e 5. Temos: F(,1/ F(,1 ( F(, F(, F(,4 F(,5 5 Este campo vetoal desceve a velocdade da coente num cóego ou o em váas pounddades. Velocdade é nula no leto. 11

12 Eemplo de uma epesentação numéca de um campo vetoal. 1

13 Eemplos de magens de campos vetoas 1.5 Há um veto dendo paa cada ponto do Espaço -D O tamanho das lechas epesenta a magntude do veto

14 Eemplos de campos escalaes e vetoas Campo escala Mapa de tempeatua Campo vetoal Velocdade dos ventos 14

15 4. Opeado Nabla Nabla (hapa em gego j k Aplcado sobe uma campo escala,, dene um campo vetoal chamado de Gadente de,. O poduto escala com um campo vetoal, F, dene um campo escala chamado de Dvegente de F, F. Poduto vetoal com um campo vetoal, F, dene um novo campo vetoal chamado de Rotaconal de F, F. 15

16 16 5. Campos Gadentes Se = (, é uma unção escala de duas vaáves, então, seu gadente é dendo po, Se = (,, é uma unção escala de tês vaáves, então, seu gadente é dendo po, Onde é o veto Nabla. j j ou gad, ( k j k j ou gad,, ( k j

17 Eecícos 1 Enconte os campos gadentes das unções abao e tace seus dagamas de campo. a (, = (Resolução a segu b (, = + c (, = ln(+ (Resolução no quado 17

18 Resolução (, j j Intepetação O Gadente é um campo vetoal cujas componentes são as devadas do campo escala. Em qualque ponto, o Ga- Dente aponta na deção de máma nclnação, e sua magntude é a nclnação

19 Em outas palavas, O gadente de uma unção escala, calculado num dado ponto, é um veto cujo módulo epesenta a máma taa de vaação de cescmento dessa unção naquele ponto. Isto sgnca que o veto gadente calculado em ( 0, 0, 0 tem a deção paa a qual ocoe o mámo cescmento da unção em ( 0, 0, 0. Além dsso ele é pependcula à supeíce no ponto ( 0, 0, no, ou ( 0, 0, 0 no. 19

20 Vsualação, Mapa de coes: unção campo escala Repesentação de setas: campo vetoal obtdo a pat do gadente da unção escala. 0

21 6. Campos consevatvos e unções potencas Se F é um campo vetoal em duas ou tês dmensões. Então, d-se que F é um campo consevatvo numa egão do ou, se F o o campo gadente de alguma unção naquela egão. Isto é, F =. A unção é chamada de unção potencal. Eemplo Consdee o campo vetoal do quadado nveso em duas dmensões. c F(, ( j / ( Moste que F é um campo consevatvo em qualque egão do que não contenha a ogem e cuja unção potencal seja (, ( c 1/ 1

22 Resolução Temos que mosta que o campo gadente de, em qualque egão que não contenha a ogem, é F. Paa sso, calculaemos Daí, ( c j / e ( c / ( c / ( c / j ( c / ( j F(, Logo, F é consevatvo em qualque egão do, eceto na ogem, já que F =. é, potanto, unção potencal de F.

23 7. Dvegênca e Rotaconal Seja F(, = (, + g(,j um campo vetoal em duas dmensões, dene-se a dvegênca de F, denotado po dvf ou F, ao escala dvf F (, g(, ou smplesmente, dvf g Em tês dmensões, F(, = (,, + g(,,j + h(,,k dvf g h

24 Seja F(, = (, + g(,j um campo vetoal em duas dmensões, dene-se o otaconal de F, denotado po otf ou F, ao campo vetoal otf F g k Em tês dmensões, F(, = (,, + g(,,j + h(,,k otf F h g h j g k 4

25 Os esultados anteoes podem se eesctos como: Em duas dmensões, j k otf F g 0 0 Em tês dmensões, j k otf F g h 5

26 O dvf tem valoes escalaes, enquanto otf tem valoes vetoas. Ou seja, otf é ele pópo um campo vetoal. Eecícos 1 Calcule a dvegênca e o otaconal do campo vetoal F(,, j k Moste que a dvegênca do campo do quadado nveso c F(,, / ( j k é nula 6

27 7 6 ( ( ( dv dv F F 1 Resolução Dvegênca de F Rotaconal de F k F k j k j F ( ( ( ( ( ( ot ot

28 8 Resolução Levando-se em conta que ( + + 1/ =, 5 1/ 1 (,,,, ( Sendo c dv Daí c c c F k j F

29 9 0 ( 1 1 1, 1 ( 1 (, / 5 1/ c c c dv Assm te Analogamen F

30 Intepetações Físca e Geométca paa o dvegente O dvegente de um veto, mede a vaação do luo desse veto. O dvegente pode se entenddo no conteto da Mecânca dos ludos como: Se F(,, é a velocdade de um ludo, então, dvf epesenta a taa líquda de vaação, com elação ao tempo, da massa de ludo que passa pelo ponto (,,. Em outas palavas, dvf, calculado num ponto ( 0, 0, 0 mede a tendênca de um ludo dee no ponto ( 0, 0, 0. 0

31 Campos magnétcos não são dvegentes, dvh 0 Uma onte de campo magnétco é ao mesmo tempo onte e sovedouo do campo. 1

32 Campos vetoas constantes,

33 Intepetações Físca e Geométca paa o otaconal O veto otaconal está assocado com otações. Se F epesenta um campo de velocdades em Mecânca dos ludos, po eemplo, então, patículas pómas de um ponto ( 0, 0, 0, tendem a oda em tono do eo que aponta paa a deção denda pelo otf calculado nesse ponto. A magntude do veto otf é uma medda do quão ápdo as patículas se movem em tono desse eo. A otação obedece a ega da mão deta. Rega da mão deta Fuacão Katna 5/08/005

34 8. Alguns concetos e teoemas mpotantes Teoema 1 Se é uma unção escala de tês vaáves e que tem devadas pacas de segunda contínuas. Então, ot( gad 0 Como um campo vetoal consevatvo é tal que F =, então, o teoema anteo pode se eescto como: Se F epesenta um campo vetoal consevatvo, então, otf 0 4

35 Teoema Se F = (,, + g(,,j + h(,,k é um campo vetoal no e, g, h têm devadas pacas de segunda odem contínuas, então, dv( otf 0 Laplacano É o esultado da aplcação do opeado É denotado po. Tem a oma, sobe s mesmo. Quando aplcado a uma unção escala Φ(,,, 5

36 Se 0 A equação Φ = 0 é conhecda como equação de Laplace. 6

37 Fluo de um Veto qualque A A quantdade do veto A, que passa po uma detemnada supeíce ds é, d A nds A ds Convencona-se que nds = ds sempe aponta paa oa e é pependcula à supeíce echada ds. 7

38 Teoema da dvegênca s A ds V dva ds A gualdade das duas ntegas acma sgnca que o luo do veto A atavés de uma supeíce echada S é gual à ntegal do dvegente de A no volume V envolto po S 8

39 Cculação de um Veto A cculação de um campo vetoal A ao longo de uma lnha L do ponto P ao ponto Q, conome a gua abao, é dada po, C Q P Q P A dl dl smbola uma pacela elementa da lnha oentada L. 9

40 Teoema de Stokes O luo otaconal de um campo vetoal F atavés de uma supeíce abeta S é gual à cculação do veto A ao longo do camnho L que delmta S. L A dl S ota ds Se A o uma oça, esse teoema é uma oma de calcula o tabalho ealado po essa oça ao longo do camnho L. 40