Teorema de Stokes. Integrais de superfície- exerc. resolv. [ElaboradoporRosário Laureano] [ 2012/13 ] 1... Exercícios resolvidos(do Caderno 3)
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1 ROÁRIO LAUREANO 1 Teorema de tokes Integrais de superfície- exerc. resolv. [ElaboradoporRosário Laureano] [ 1/13 ] 1... Exercícios resolvidos(do aderno 3 Exercise 1 onsidere a circunferência de equação x +y 4 encimada pelasuperfície deequaçãoz 4 ( x +y eumcampodevetores F(x,y,z ( x y,yz,xz. Mostre que x ydx+yzdy+xzdz ( y, z, x N ds 4π. A primeira igualdade baseia-se no Teorema de tokes(ou do rotacional visto que x ( ydx+yzdy+xzdz x y,yz,xz (dx,dy,dz e ( x y,yz,xz d r rot F e F x y z x y yz xz ( y, z, x. x Quantoàsegundaigualdade,provemosque x ydx+yzdy+xzdz 4π. Umaparametrizaçãoparaacurva é r(t x(tcost y(tsint z(t parat [,π[. omo vetor tangente temos d r dt ( sint,cost,. Assim, o integral pode
2 ROÁRIO LAUREANO ser escrito como x ydx+yzdy+xzdz 16 4 (cost sint( sintdt+sint costdt+cost dt cos tsin 1+cos(t tdt 16 1 cos(t dt (1 cos (tdt 4 (1 1+cos(4t dt 4 [t t ] tπ 18 sin(4t 4(π π 4π. t Exercise Transforme o integral de linha x yzdx+xy dy+(x+zdz numintegralduplosabendoque éacircunferênciadecentronaorigemeraio. onsiderando uma superfície que assente sobre a curva, por exemplo o parabolóidedeequaçãoz4 x y (consideramosacircunferênciasobreo xy-plano, podemos aplicar o Teorema de tokes. Temos então x yzdx+xy ( dy+(x+zdz x yz,xy,x+z (dx,dy,dz ( x yz,xy,x+z d r T. tokes Umaparametrizaçãodoparabolóidez4 x y é r(u,v rot ( x yz,xy,x+z N ds (,x y 1,y x z N ds. x(u,vu y(u,vv z(u,v4 u v para(u,v { u +v 4
3 ROÁRIO LAUREANO 3 logoovetornormalvemdadopor r N v (1,, u (,1, v e 1 u 1 v (u,v,1. Podemos então escrever, a partir do último integral e considerando que a curva está orientada segundo os ponteiros do relógio, que x yzdx+xy dy+(x+zdz (,u v 1,v u (4 u v (u,v,1dudv ( ( u v 1 v+v u (4 u v dudv. aso se pretendesse calcular o valor deste integral duplo seria favorável o uso de coordenadas polares. Exercise 3 etermine o trabalho efectuado pelo campo de vetores F(x,y,zx +4xy 3 e +y x e 3 numa partícula que percorre o contorno do rectângulo situado no plano z y de vértices (,,, (1,,, (1,3,3 e (,3,3. onsidere que o rectângulo é percorrido no sentido dos ponteiros do relógio (sentido horário ou sentido negativo. Otrabalhopedidoédadopor ( W x,4xy 3,y d r (xy, y,4y 3 N ds T. tokes rot ( x,4xy 3,y N ds considerando como superfície o rectângulo do enunciado e visto que rot ( x,4xy 3,y e1 e x y z x 4xy 3 y (xy, y,4y 3. Uma parametrização de é r(u,v x(u,vu y(u,vv z(u,vv para(u,v
4 ROÁRIO LAUREANO 4 emqueéorectângulonoplanouov devértices(,, (1,, (1,3e(,3. omo vetor normal temos então r N v (1,, (,1,1 e (, 1,1. Portanto, W (xy, y,4y 3 N ds 1 (uv, v,4v 3 (, 1,1dudv ( v +4v 3 1 ( 3 dudv [ v 3 3 +v4 ] v3 v du 1 ( v +4v 3 dv du (9+81du9. Nota: asoaorientaçãodacurvafosseacontrária,adosponteirosdorelógio, para que o Teorema de tokes seja válido, era necessário considerar o vetor normal N (,1, 1.Ovalordotrabalhoseriaobviamentesimétrico: 9. Exercise 4 Use uma superfície esférica para calcular o valor do integral de linha xy dx+xdy+zdz em que é a circunferência de equação x +y 9 z, percorrida no sentido negativo(sentido horário. Podemos fazer uso do Teorema de tokes considerando como superfície o hemisfériosuperiordasuperfícieesféricadeequaçãox +y +z 9vistoque asuaintersecçãocomoplanozéacurva. Temos então xy ( dx+xdy+zdz xy,x,z dxdydz ( xy,x,z d r T. tokes (,,1 xy N ds rot ( xy,x,z N ds
5 ROÁRIO LAUREANO 5 visto que rot ( xy,x,z Uma parametrização de é e x y xy x z z (,,1 xy. r(θ,ϕ x(θ,ϕ3cosθsinϕ y(θ,ϕ3sinθsinϕ z(θ,ϕ3cosϕ para(θ,ϕ emque é o rectângulo no plano θoϕ dado por [,π[ [, π ]. omo vetor normal temos então N r θ r ϕ ( 3sinθsinϕ,3cosθsinϕ, (3cosθcosϕ,3sinθcosϕ, 3sinϕ e 3sinθsinϕ 3cosθsinϕ 3cosθcosϕ 3sinθcosϕ 3sinϕ ( 9cosθsin ϕ, 9sinθsin ϕ, 9sin θsinϕcosϕ 9cos θsinϕcosϕ ( 9cosθsin ϕ, 9sinθsin ϕ, 9sinϕcosϕ. Para que o vetor normal seja exterior à superfície consideramos o vetor.portanto, xy dx+xdy+zdz π π ( N (9cosθsin ϕ,9sinθsin ϕ,9sinϕcosϕ. (,,1.9sinθcosθsin ϕ (9cosθsin ϕ,9sinθsin ϕ,9sinϕcosϕdθdϕ ( (1.9sinθcosθsin ϕ(9sinϕcosϕdθ dϕ (9sinϕcosϕ 16sinθcosθsin 3 ϕcosϕdθ dϕ π π [ 9θsinϕcosϕ 16sin θsin 3 ϕcosϕ ] θπ θ dϕ [ sin ϕ 18πsinϕcosϕdϕ18π ] ϕ π ϕ 9π.
6 ROÁRIO LAUREANO 6 Outra possibilidade seria parametrizar o hemisfério superior da superfície esféricax +y +z 9por r(u,v x(u,vu y(u,vv z(u,v 9 u v para(u,v emqueéocírculonoplanouovdeequaçãox +y 9. omovetornormal temos então ( r N v u v 1,, (,1, 9 u v 9 u v Portanto, e u 1 9 u v v 1 9 u v xy dx+xdy+zdz u v ( 9 u v, 9 u v,1. (,,1 uv ( u v 9 u v, 9 u v,1dudv (1 uvdudv. Aplicando coordenadas polares temos xy dx+xdy+zdz [ 9 (1 uvdudv ( 3 (1 rcosθrsinθrdr dθ [ ] r r3 r4 cosθsinθ dθ r ( 9 81 cosθsinθ dθ θ 81 sin ] θπ θ 9π. θ Exercise 5 UseoTeoremadetokesparacalcularovalordointegraldelinha ( x yz dx+ ( y xz dy+ ( z xy dz sendo aelipsedeequaçãoxacosθ,ybsinθ existentenoxy-plano.
7 ROÁRIO LAUREANO 7 Temos ( x yz dx+ ( y xz dy+ ( z xy dz (x yz,y xz,z xy d r T. tokes (,, N ds visto que rot ( x yz,y xz,z xy e x y z x yz y xz z xy (,,. Exercise 6 VerifiqueoTeoremadetokesparaocampodevetores F(x,y,z3y xz e +yz e 3 sendoasuperfíciedeequaçãozx +y limitadopeloplanozorientada para fora. A superfície corresponde a um paraboloíde que se desenvolve ao longo do z-eixocomvértice(,,. ParaaplicaroTeoremadetokesconsideremosacurva deequação x +y 4 z porserestaacurvadeintersecçãodoparaboloíde comoplanoz. Temos então que verificar a igualdade F d r rot F N ds (3y, xz,yz d r rot(3y, xz,yz N ds (3y, xz,yz d r (z +x,, z 3 N ds visto que rot ( 3y, xz,yz e1 e x y z 3y xz yz (z +x,, z 3. alculemos em primeiro lugar o integral de linha (3y, xz,yz d r.
8 ROÁRIO LAUREANO 8 Uma parametrização da curva é r(t x(tcost y(tsint z(t parat [,π[ a que corresponde o vetor tangente Assim o integral pode ser escrito como (3y, xz,yz d r d r dt ( sint,cost,. (6sint, 4cost,8sint ( sint,cost,dt ( 1sin t 8cos tdt 4 (3sin t+cos tdt cos(t + 1+cos(t dt (6(1 cos(t+4(1+cos(tdt (1 cos(tdt [1t sin(t] tπ t π Quanto ao cálculo do integral de superfície, uma parametrização da superfície é x(u,vu r(u,v y(u,vv z(u,v u +v para(u,v sendoocírculodeequaçãou +v 4.omovetornormaltemos r N v (1,,u (,1,v e 1 u 1 v ( u, v,1.
9 ROÁRIO LAUREANO 9 O integral pode ser então calculado como (z +x,, z 3 N ds ( (u +v +u,, u +v 3 ( u, v,1dudv ( ( u +v u u u +v 3 dudv ( ( ( r rcosθ +r cos θ+ r +3 rdr dθ ( ( r 6 [ r 7 4 cosθ+r3 cos θ+ r3 +3r 8 cosθ+r4 4 cos θ+ r4 8 +3r [ cosθ+4cos θ+8 ] r [ 3 7 sinθ+θ+sin(θ+8θ dθ r ] θπ θ ] r r dr dθ dθ 4π 16π π. Exercise 7 VerifiqueoTeoremadetokesparaocampodevetores F(x,y,zy +z e +x e 3 sendo asuperfíciedeumtetraedroirregular devértices A(,,1, B(,1,, (1,,eO(,,aoqualseexcluiuaface[BO],orientadoparafora. A superfície é seccionalmente regular e corresponde à união de três superfíciesregulares 1, e 3 queseencontram,respectivamente,sobreosplanos x+y+z1,x,ey. ParaaplicaroTeoremadetokesconsideremosacurvafechada queune opontooaoponto,oponto aopontobeopontobaopontoo. Temos então que verificar a igualdade F d r rot F N ds (y,z,x d r rot(y,z,x N ds (y,z,x d r ( 1, 1, 1 N ds
10 ROÁRIO LAUREANO 1 visto que rot(y,z,x e x y y z x z ( 1, 1, 1. alculemos emprimeiro lugarointegral de linha (y,z,x d r. Acurva é seccionalmente regularsendo uniãode 3arcos regulares: OB, B e O. Uma parametrização do arco OB é r(t x(tt y(t z(t parat [,1] aquecorrespondeovetortangente d r dt (1,,.Umaparametrizaçãodoarco B é x(t1 t r(t y(tt parat [,1] z(t aque corresponde ovetortangente d r ( 1,1,. Umaparametrizaçãodo dt arcooé x(t r(t y(t t parat [ 1,] z(t aquecorrespondeovetortangente d r dt (, 1,.Assim,ointegralpodeser escrito como (y,z,x d r (y,z,x d r + (y,z,x d r OB B + (y,z,x d r 1 O (,,t (1,,dt [ t 1 ( t,, (, 1,dt dt+ ] t1 t 1 1. tdt+ dt 1 (t,,1 t ( 1,1,dt 1 tdt Quantoaocálculodointegraldesuperfície,háqueconsiderarque 1
11 ROÁRIO LAUREANO Umaparametrizaçãodasuperfície 1 é r(u,v x(u,vu y(u,vv z(u,v1 u v para(u,v sendo o triângulo de vértices[ob]. omo vetor normal temos r N v (1,, 1 (,1, 1 e (1,1,1. Umaparametrizaçãodasuperfície é r(u,v x(u,v y(u,vu z(u,vv para(u,v sendo otriângulodevértices[ao].omovetornormaltemos r N v (,1, (,,1 e 1 1 (1,,. Vamosusarovetornormal N ( 1,,. Umaparametrizaçãodasuperfície 3 é x(u,vu r(u,v y(u,v para(u,v z(u,vv sendo otriângulodevértices[abo].omovetornormaltemos r N v (1,, (,,1 e 1 1 (,1,. Vamosusarovetornormal N (, 1,. Ointegralpodeserentãocalculado
12 ROÁRIO LAUREANO 1 como ( 1, 1, 1 N ds ( 1, 1, 1 N ds+ ( 1, 1, 1 N ds 1 + ( 1, 1, 1 N ds 3 ( 1, 1, 1 (1,1,1dudv+ ( 1, 1, 1 ( 1,,dudv + ( 1, 1, 1 (, 1,dudv 3dudv+ 1dudv+ 1dudv 1 ( u+1 1 ( u+1 1 ( u+1 3 dv du+ dv du+ dv du 1 ( u+1 1 dv du 1 ( u+1du [ u +u [v] v u+1 v du ] u1 u (
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