Del em coordenadas cilíndricas e esféricas

Fonte: testwiki
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Esta é uma lista de algumas fórmulas de cálculo do vetor para trabalhar com sistemas comuns de coordenadas curvilíneasPredefinição:NotaNT.

Conversões de coordenadas

Conversão entre coordenadas cartesianas, cilíndricas e esféricas
De
Cartesiano Cilíndrico Esférico
Para Cartesiano x=xy=yz=z x=ρcosφy=ρsinφz=z x=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθ
Cilíndrico ρ=x2+y2φ=arctan(yx)z=z ρ=ρφ=φz=z ρ=rsinθφ=φz=rcosθ
Esférico r=x2+y2+z2θ=arctan(x2+y2z)φ=arctan(yx) r=ρ2+z2θ=arctan(ρz)φ=φ r=rθ=θφ=φ

Conversões de vetor unitário

Conversão entre vetores unitários em sistemas de coordenadas cartesianas, cilíndricas e esféricas em termos de coordenadas de destino
Cartesiano Cilíndrico Esférico
Cartesiano não aplicável 𝐱^=cosφρ^sinφφ^𝐲^=sinφρ^+cosφφ^𝐳^=𝐳^ 𝐱^=sinθcosφ𝐫^+cosθcosφθ^sinφφ^𝐲^=sinθsinφ𝐫^+cosθsinφθ^+cosφφ^𝐳^=cosθ𝐫^sinθθ^
Cilíndrico ρ^=x𝐱^+y𝐲^x2+y2φ^=y𝐱^+x𝐲^x2+y2𝐳^=𝐳^ não aplicável ρ^=sinθ𝐫^+cosθθ^φ^=φ^𝐳^=cosθ𝐫^sinθθ^
Esférico 𝐫^=x𝐱^+y𝐲^+z𝐳^x2+y2+z2θ^=(x𝐱^+y𝐲^)z(x2+y2)𝐳^x2+y2+z2x2+y2φ^=y𝐱^+x𝐲^x2+y2 𝐫^=ρρ^+z𝐳^ρ2+z2θ^=zρ^ρ𝐳^ρ2+z2φ^=φ^ não aplicável
Conversão entre vetores unitários em sistemas de coordenadas cartesianas, cilíndricas e esféricas em termos de coordenadas de "fonte"
Cartesiano Cilíndrico Esférico
Cartesiano não aplicável 𝐱^=xρ^yφ^x2+y2𝐲^=yρ^+xφ^x2+y2𝐳^=𝐳^ 𝐱^=x(x2+y2𝐫^+zθ^)yx2+y2+z2φ^x2+y2x2+y2+z2𝐲^=y(x2+y2𝐫^+zθ^)+xx2+y2+z2φ^x2+y2x2+y2+z2𝐳^=z𝐫^x2+y2θ^x2+y2+z2
Cilíndrico ρ^=cosφ𝐱^+sinφ𝐲^φ^=sinφ𝐱^+cosφ𝐲^𝐳^=𝐳^ não aplicável ρ^=ρ𝐫^+zθ^ρ2+z2φ^=φ^𝐳^=z𝐫^ρθ^ρ2+z2
Esférico 𝐫^=sinθ(cosφ𝐱^+sinφ𝐲^)+cosθ𝐳^θ^=cosθ(cosφ𝐱^+sinφ𝐲^)sinθ𝐳^φ^=sinφ𝐱^+cosφ𝐲^ 𝐫^=sinθρ^+cosθ𝐳^θ^=cosθρ^sinθ𝐳^φ^=φ^ não aplicável

Fórmula Del

Tabela com o operador del em coordenadas cartesianas, cilíndricas e esféricas
Operação Coordenadas cartesianas Predefinição:Math Coordenadas cilíndricas Predefinição:Math Coordenadas esféricas Predefinição:Math, onde φ é o polar e θ é o ângulo azimutal Predefinição:Ref
campo vetorial Predefinição:Math Ax𝐱^+Ay𝐲^+Az𝐳^ Aρρ^+Aφφ^+Az𝐳^ Ar𝐫^+Aθθ^+Aφφ^
Gradiente Predefinição:Math fx𝐱^+fy𝐲^+fz𝐳^ fρρ^+1ρfφφ^+fz𝐳^ fr𝐫^+1rfθθ^+1rsinθfφφ^
Divergência Predefinição:Math Axx+Ayy+Azz 1ρ(ρAρ)ρ+1ρAφφ+Azz 1r2(r2Ar)r+1rsinθθ(Aθsinθ)+1rsinθAφφ
Rotacional Predefinição:Math (AzyAyz)𝐱^+(AxzAzx)𝐲^+(AyxAxy)𝐳^ (1ρAzφAφz)ρ^+(AρzAzρ)φ^+1ρ((ρAφ)ρAρφ)𝐳^ 1rsinθ(θ(Aφsinθ)Aθφ)𝐫^+1r(1sinθArφr(rAφ))θ^+1r(r(rAθ)Arθ)φ^
Operador de Laplace Predefinição:Math 2fx2+2fy2+2fz2 1ρρ(ρfρ)+1ρ22fφ2+2fz2 1r2r(r2fr)+1r2sinθθ(sinθfθ)+1r2sin2θ2fφ2
Vetor de Laplace Predefinição:Math 2Ax𝐱^+2Ay𝐲^+2Az𝐳^

(2AρAρρ22ρ2Aφφ)ρ^+(2AφAφρ2+2ρ2Aρφ)φ^+2Az𝐳^

(2Ar2Arr22r2sinθ(Aθsinθ)θ2r2sinθAφφ)𝐫^+(2AθAθr2sin2θ+2r2Arθ2cosθr2sin2θAφφ)θ^+(2AφAφr2sin2θ+2r2sinθArφ+2cosθr2sin2θAθφ)φ^ }}

Derivada materialPredefinição:Ref[1] Predefinição:Math 𝐀Bx𝐱^+𝐀By𝐲^+𝐀Bz𝐳^ (AρBρρ+AφρBρφ+AzBρzAφBφρ)ρ^+(AρBφρ+AφρBφφ+AzBφz+AφBρρ)φ^+(AρBzρ+AφρBzφ+AzBzz)𝐳^

(ArBrr+AθrBrθ+AφrsinθBrφAθBθ+AφBφr)𝐫^+(ArBθr+AθrBθθ+AφrsinθBθφ+AθBrrAφBφcotθr)θ^+(ArBφr+AθrBφθ+AφrsinθBφφ+AφBrr+AφBθcotθr)φ^ }}

tensor divergente Predefinição:Math

(Txxx+Tyxy+Tzxz)𝐱^+(Txyx+Tyyy+Tzyz)𝐲^+(Txzx+Tyzy+Tzzz)𝐳^

[Tρρρ+1ρTφρφ+Tzρz+1ρ(TρρTφφ)]ρ^+[Tρφρ+1ρTφφφ+Tzφz+1ρ(Tρφ+Tφρ)]φ^+[Tρzρ+1ρTφzφ+Tzzz+Tρzρ]𝐳^

[Trrr+2Trrr+1rTθrθ+cotθrTθr+1rsinθTφrφ1r(Tθθ+Tφφ)]𝐫^+[Trθr+2Trθr+1rTθθθ+cotθrTθθ+1rsinθTφθφ+TθrrcotθrTφφ]θ^+[Trφr+2Trφr+1rTθφθ+1rsinθTφφφ+Tφrr+cotθr(Tθφ+Tφθ)]φ^

Deslocamento diferencial Predefinição:Math dx𝐱^+dy𝐲^+dz𝐳^ dρρ^+ρdφφ^+dz𝐳^ dr𝐫^+rdθθ^+rsinθdφφ^
Área normal diferencial Predefinição:Math dydz𝐱^+dxdz𝐲^+dxdy𝐳^ ρdφdzρ^+dρdzφ^+ρdρdφ𝐳^ r2sinθdθdφ𝐫^+rsinθdrdφθ^+rdrdθφ^
Volume diferencialPredefinição:Math dxdydz ρdρdφdz r2sinθdrdθdφ
Predefinição:Note Esta página usa θ para o ângulo polar e φ para o ângulo azimutal, que é uma notação comum na física. A fonte que é usada para essas fórmulas usa θ para o ângulo azimutal e φ para o ângulo polar, que é uma notação matemática comum. Para obter as fórmulas de matemática, altere θ e φ nas fórmulas mostradas na tabela acima.

Regras de cálculo não triviais

  1. divgradff2f
  2. curlgradf×f=𝟎
  3. divcurl𝐀(×𝐀)=0
  4. curlcurl𝐀×(×𝐀)=(𝐀)2𝐀 (Fórmula de Lagrange para del)
  5. 2(fg)=f2g+2fg+g2f

Derivação cartesiana

Elemento infinitesimal em coordenadas cartesianas

div𝐀=limV0V𝐀d𝐒VdV=Ax(x+dx)dydzAx(x)dydz+Ay(y+dy)dxdzAy(y)dxdz+Az(z+dz)dxdyAz(z)dxdydxdydz=Axx+Ayy+Azz


(curl𝐀)x=limS𝐱^0S𝐀dSdS=Az(z+dz)dzAz(z)dz+Ay(y)dyAy(y+dy)dydydz=AzyAyz

As expressões para (curl𝐀)y e (curl𝐀)z são encontradas da mesma maneira.Predefinição:NotaNT

Derivação cilíndrica

Elemento infinitesimal em coordenadas cilíndricas

div𝐀=limV0V𝐀d𝐒VdV=Aρ(ρ+dρ)(ρ+dρ)dϕdzAρ(ρ)ρdϕdz+Aϕ(ϕ+dϕ)dρdzAϕ(ϕ)dρdz+Az(z+dz)dρ(ρ+dρ/2)dϕAz(z)dρ(ρ+dρ/2)dϕ(ρ+dρ/2)dϕdρdz=1ρ(ρAρ)ρ+1ρAϕϕ+Azz

(curl𝐀)ρ=limSρ^0S𝐀dSdS=Aϕ(z)(ρ+dρ)dϕAϕ(z+dz)(ρ+dρ)dϕ+Az(ϕ+dϕ)dzAz(ϕ)dz(ρ+dρ)dϕdz=Aϕz+1ρAzϕ

(curl𝐀)ϕ=limSϕ^0S𝐀dSdS=Az(ρ)dzAz(ρ+dρ)dz+Aρ(z+dz)dρAρ(z)dρdρdz=Azρ+Aρz

(curl𝐀)z=limS𝒛^0S𝐀dSdS=Aρ(ϕ)dρAρ(ϕ+dϕ)dρ+Aϕ(ρ+dρ)(ρ+dρ)dϕAϕ(ρ)ρdϕ(ρ+dρ/2)dρdϕ=1ρAρϕ+1ρ(ρAϕ)ρ

curl𝐀=(curl𝐀)ρρ^+(curl𝐀)ϕϕ^+(curl𝐀)z𝒛^=(1ρAzϕAϕz)ρ^+(AρzAzρ)ϕ^+1ρ((ρAϕ)ρAρϕ)𝒛^

Derivação esférica

Elemento infinitesimal em coordenadas esféricas

div𝐀=limV0V𝐀d𝐒VdV=Ar(r+dr)(r+dr)dθ(r+dr)sinθdϕAr(r)rdθrsinθdϕ+Aθ(θ+dθ)sin(θ+dθ)rdrdϕAθ(θ)sin(θ)rdrdϕ+Aϕ(ϕ+dϕ)(r+dr/2)drdθAϕ(ϕ)(r+dr/2)drdθdrrdθrsinθdϕ=1r2(r2Ar)r+1rsinθ(Aθsinθ)θ+1rsinθAϕϕ

(curl𝐀)r=limS𝒓^0S𝐀dSdS=Aθ(ϕ)rdθ+Aϕ(θ+dθ)rsin(θ+dθ)dϕAθ(ϕ+dϕ)rdθAϕ(θ)rsin(θ)dϕrdθrsinθdϕ=1rsinθ(Aϕsinθ)θ1rsinθAθϕ

(curl𝐀)θ=limSθ^0S𝐀dSdS=Aϕ(r)rsinθdϕ+Ar(ϕ+dϕ)drAϕ(r+dr)(r+dr)sinθdϕAr(ϕ)drdrrsinθdϕ=1rsinθArϕ1r(rAϕ)r

(curl𝐀)ϕ=limSϕ^0S𝐀dSdS=Ar(θ)dr+Aθ(r+dr)(r+dr)dθAr(θ+dθ)drAθ(r)rdθ(r+dr/2)drdθ=1r(rAθ)r1rArθ

curl𝐀=(curl𝐀)r𝒓^+(curl𝐀)θθ^+(curl𝐀)ϕϕ^=1rsinθ((Aϕsinθ)θAθϕ)𝒓^+1r(1sinθArϕ(rAϕ)r)θ^+1r((rAθ)rArθ)ϕ^

Notas

Predefinição:Refbegin Predefinição:Reflist Predefinição:Refend

Predefinição:Referências

Predefinição:Esboço-matemática

Predefinição:Análise

Predefinição:Portal3