Operador nabla en coordenades cilíndriques i esfèriques

De testwiki
Salta a la navegació Salta a la cerca

En càlcul vectorial, l'operador nabla és un operador diferencial vectorial representat amb el símbol nabla ∇. En coordenades cartesianes tridimensionals R3 amb coordenades (x, y, z), l'operador nabla es pot definir com:

=(x,y,z)

En els sistemes de coordenades cilíndriques i esfèriques les expressions esdevenen més complexes i es detallen en la següent llista de fórmules de càlcul vectorial.

Notes

  • Aquest article utilitza la notació estàndard ISO 80000-2, que reemplaça la ISO 31-11, pel sistema de coordenades esfèriques (altres fonts poden haver revertit la definició dels angles θ i φ):
    • L'angle polar es denota amb la lletra grega θ: es tracta de l'angle entre l'eix positiu z i el radial del vector que connecta l'origen amb el punt en qüestió.
    • L'angle azimutal es denota amb la lletra grega φ i és l'angle entre l'eix x positiu i la projecció del vector radial en el pla xy.
  • La funció atan2(x,y) es pot utilitzar en comptes de la funció matemàtica arctan (y/x), atesos el seu domini i imatge. Mentre la clàssica funció arctan té una imatge de (−π/2, +π/2), atan2 es defineix amb una imatge de (−π, π].

Conversions de sistemes de coordenades

Conversions entre sistemes de coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques
De
Cartesià Cilíndric Esfèric
A Cartesià Plantilla:N/a x=ρcosφy=ρsinφz=z x=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθ
Cilíndric ρ=x2+y2φ=arctan(yx)z=z Plantilla:N/a ρ=rsinθφ=φz=rcosθ
Esfèric r=x2+y2+z2θ=arccos(zr)φ=arctan(yx) r=ρ2+z2θ=arctan(ρz)φ=φ Plantilla:N/a

Conversions de vectors unitaris

Conversió entre vectors unitaris en sistemes de coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques en termes de coordenades de destinació
Cartesià Cilíndric Esfèric
Cartesià Plantilla:N/a 𝐱^=cosφρ^sinφφ^𝐲^=sinφρ^+cosφφ^𝐳^=𝐳^ 𝐱^=sinθcosφ𝐫^+cosθcosφθ^sinφφ^𝐲^=sinθsinφ𝐫^+cosθsinφθ^+cosφφ^𝐳^=cosθ𝐫^sinθθ^
Cilíndric ρ^=x𝐱^+y𝐲^x2+y2φ^=y𝐱^+x𝐲^x2+y2𝐳^=𝐳^ Plantilla:N/a ρ^=sinθ𝐫^+cosθθ^φ^=φ^𝐳^=cosθ𝐫^sinθθ^
Esfèric 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^ Plantilla:N/a
Conversió entre vectors unitaris en sistemes de coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques en termes de coordenades de d'origen
Cartesià Cilíndric Esfèric
Cartesià Plantilla:N/a 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
Cilíndric ρ^=cosφ𝐱^+sinφ𝐲^φ^=sinφ𝐱^+cosφ𝐲^𝐳^=𝐳^ Plantilla:N/a ρ^=ρ𝐫^+zθ^ρ2+z2φ^=φ^𝐳^=z𝐫^ρθ^ρ2+z2
Esfèric 𝐫^=sinθ(cosφ𝐱^+sinφ𝐲^)+cosθ𝐳^θ^=cosθ(cosφ𝐱^+sinφ𝐲^)sinθ𝐳^φ^=sinφ𝐱^+cosφ𝐲^ 𝐫^=sinθρ^+cosθ𝐳^θ^=cosθρ^sinθ𝐳^φ^=φ^ Plantilla:N/a

Fórmules amb l'operador nabla

Taula amb l'operador nabla en coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques
Operació Coordenades cartesianes Plantilla:Math Coordenades cilíndriques Plantilla:Math Coordenades esfèriques Plantilla:Math, on θ és l'angle polar i Plantilla:Math és l'angle azimutalPlantilla:Ref
Un camp vectorial Plantilla:Math Ax𝐱^+Ay𝐲^+Az𝐳^ Aρρ^+Aφφ^+Az𝐳^ Ar𝐫^+Aθθ^+Aφφ^
Gradient Plantilla:Math fx𝐱^+fy𝐲^+fz𝐳^ fρρ^+1ρfφφ^+fz𝐳^ fr𝐫^+1rfθθ^+1rsinθfφφ^
Divergència Plantilla:Math Axx+Ayy+Azz 1ρ(ρAρ)ρ+1ρAφφ+Azz 1r2(r2Ar)r+1rsinθθ(Aθsinθ)+1rsinθAφφ
Rotacional Plantilla: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 laplacià Plantilla:Math 2fx2+2fy2+2fz2 1ρρ(ρfρ)+1ρ22fφ2+2fz2 1r2r(r2fr)+1r2sinθθ(sinθfθ)+1r2sin2θ2fφ2
Vector laplacià Plantilla:Math 2Ax𝐱^+2Ay𝐲^+2Az𝐳^

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

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

Derivada materialPlantilla:Ref[1] Plantilla: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 de divergència Plantilla: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^
Desplaçament diferencial Plantilla:Math dx𝐱^+dy𝐲^+dz𝐳^ dρρ^+ρdφφ^+dz𝐳^ dr𝐫^+rdθθ^+rsinθdφφ^
Normal d'àrea diferencial Plantilla:Math dydz𝐱^+dxdz𝐲^+dxdy𝐳^ ρdφdzρ^+dρdzφ^+ρdρdφ𝐳^ r2sinθdθdφ𝐫^+rsinθdrdφθ^+rdrdθφ^
Volum diferencial Plantilla:Math dxdydz ρdρdφdz r2sinθdrdθdφ
Plantilla:Note Aquesta pàgina utilitza θ per l'angle polar i φ per l'angle azimutal, que és la notació habitual en física. La font que s'utilitza per aquestes fórmules utilitza θ per l'azimut i φ per l'angle polar, que és la notació habitual en matemàtiques. Per tal d'obternir les fórmules en notació matemàtica, canviï's θ i φ en les fórmules de la taula.

Normes de càlcul no trivials

  1. divgradff2f (Operador laplacià)
  2. curlgradf×f=𝟎
  3. divcurl𝐀(×𝐀)=0
  4. curlcurl𝐀×(×𝐀)=(𝐀)2𝐀
  5. 2(fg)=f2g+2fg+g2f

Derivació cartesiana

Element infinitesimal en coordenades cartesianes

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

Les expressions per (curl𝐀)y i (curl𝐀)z s'obtenen de la mateixa manera.

Derivació cilíndrica

Element infinitesimal en coordenades cilíndriques


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^

Derivació esfèrica

Element infinitesimal en coordenades esfèriques.

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^

Vegeu també

Referències

Plantilla:Referències