Diferencia entre revisiones de «Coordenadas cilíndricas parabólicas (grupo 21)»

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(→‎Parametrizaciones de las líneas coordenadas \(\gamma_u\), \(\gamma_v\), \(\gamma_z\))
 
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{{ TrabajoED |Coordenadas cilíndricas parabólicas (grupo 21) | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC24/25|2024-25]] | Alberto Fidalgo<br>Alberto Barca<br>Andrea Carrera<br>Carmen Contreras<br>Enrique Echevarría}}
+
{{ TrabajoED | coordenadas cilíndricas parabólicas (Grupo 27) | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC25/26|2025-26]] | MARTA CUEVAS GARCÍA <br> ANDREA DANIELA DE SOUSA SEQUERA <br>       CLAUDIA GÁMEZ CASADO  <br>     CARLOTA SÁNCHEZ VARAS  <br>   Pablo Fernández Arce |}}
  
−
'''Trabajo F: Coordenadas Cilíndricas Parabólicas'''
+
===Introduccion===
 +
En este trabajo estudiaremos y aplicaremos las coordenadas cilíndricas parabólicas. Estas se denotan por  \((u, v, z)\) y su relación con las coordenadas cartesianas \((x_1, x_2, x_3)\) es:  
  
−
'''<big>Introducción</big>'''
+
<center><math>\begin{cases}x_1 = \left(\frac{u^2 - v^2}{2}\right)\\
−
 
+
x_2 = uv \\
−
En este trabajo vamos a estudiar las coordenadas cilíndricas parabólicas que son un sistema de coordenadas que resulta útil para estudiar campos físicos en situaciones donde las formas parabólicas estas presentes.<br>
+
x_3 = z
−
Este sistema permite describir de manera sencilla ciertos problemas relacionados con distintos campos (como por ejemplo los potenciales). Exploramos cómo funcionan estas coordenadas y su utilidad, tanto en contextos físicos, como en su aplicación a nuestra rama de la ingeniería.<br>
+
\end{cases}
−
La relación que vamos a utilizar es la siguiente:
+
</math>
−
* <math>x_1 = \left(\frac{u^2 - v^2}{2}\right)</math>
+
</center>
−
* <math>x_2 = \left(\ uv \right)</math>
+
−
* <math>x_3 = \left(\ z \right)</math>
+
  
  
 +
Como las coordenadas cilíndricas pueden verse como la extensión de las coordenadas polares en \(R^2\) a \(R^3\), definiendo la variable \(z\) como la altura cartesiana \(x_3\), de manera análoga, las coordenadas cilíndricas parabólicas generalizan un cambio de coordenadas en \(R^2\) a \(R^3\) respecto de las coordenadas parabólicas de \(R^2\).
  
 +
Sirven principalmente para simplificar ecuaciones y problemas cuya geometría natural está asociada a parábolas rotadas alrededor de un eje. Al elegir un sistema que coincide con la forma del problema, las ecuaciones (especialmente las diferenciales) se vuelven más fáciles de resolver.
  
 
== Parametrizaciones de las líneas coordenadas \(\gamma_u\), \(\gamma_v\), \(\gamma_z\) en cartesianas ==
 
== Parametrizaciones de las líneas coordenadas \(\gamma_u\), \(\gamma_v\), \(\gamma_z\) en cartesianas ==
−
=== Parametrizaciones de las líneas coordenadas \(\gamma_u\), \(\gamma_v\), \(\gamma_z\) ===
 
  
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===Linea coordenada \(\gamma_u\) ===
  
−
Dadas las relaciones entre las coordenadas cilíndricas parabólicas \((u, v, z)\) y las coordenadas cartesianas \((x_1, x_2, x_3)\), las líneas coordenadas son:
+
Manteniendo \(v\) y \(z\) constantes, y variando \(u\):
  
−
* '''Línea coordenada''' \(\gamma_u\): Manteniendo \(v\) y \(z\) constantes, y variando \(u\):
 
 
<math>
 
<math>
−
\gamma_u(w): \begin{cases}
+
\gamma_u(t): \begin{cases}
−
x_1 = \left( \frac{w^2 - v^2}{2}\right) \\
+
x_1 = \left( \frac{t^2 - v^2}{2}\right) \\
−
x_2 = wv \\
+
x_2 = tv \\
 
x_3 = z
 
x_3 = z
 
\end{cases}
 
\end{cases}
 
</math>
 
</math>
  
−
* '''Línea coordenada''' \(\gamma_v\): Manteniendo \(u\) y \(z\) constantes, y variando \(v\):
+
===Linea coordenada \(\gamma_v\) ===
 +
 
 +
Manteniendo \(u\) y \(z\) constantes, y variando \(v\):
 +
 
 
<math>
 
<math>
−
\gamma_\v(w): \begin{cases}
+
\gamma_v(t): \begin{cases}
−
x_1 = \left( \frac{u^2 - w^2}{2}\right) \\
+
x_1 = \left( \frac{u^2 - t^2}{2}\right) \\
−
x_2 = uw \\
+
x_2 = ut \\
 
x_3 = z
 
x_3 = z
 
\end{cases}
 
\end{cases}
 
</math>
 
</math>
  
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* '''Línea coordenada''' \(\gamma_z\): Manteniendo \(u\) y \(v\) constantes, y variando \(z\):
+
===Linea coordenada \(\gamma_z\) ===
 +
 
 +
Manteniendo \(u\) y \(v\) constantes, y variando \(z\):
 +
 
 
<math>
 
<math>
−
\gamma_z(w): \begin{cases}
+
\gamma_z(t): \begin{cases}
 
x_1 = \left( \frac{u^2 - v^2}{2}\right) \\
 
x_1 = \left( \frac{u^2 - v^2}{2}\right) \\
 
x_2 = uv \\
 
x_2 = uv \\
−
x_3 = w
+
x_3 = t
 
\end{cases}
 
\end{cases}
 
</math>
 
</math>
  
−
=== Código MATLAB y gráfica ===
+
===Gráficas y códigos MATLAB en 2D y 3D ===
−
[[Archivo:Graficac.png|650px|thumb|right ]]
+
 
 +
Las curvas coordenadas asociadas a \(u\) y \(v\) tienen forma de parábolas parametrizadas por \(u\) y \(v\).
 +
 
 +
[[Archivo:Campos2.jpg|700px|sinmarco|centro|Líneas coordenadas asociadas en 2 dimensiones]]
  
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
−
clear,clc
+
%Líneas coordenadas de u y v en 2D
−
  %Parametrizaciones de las lineas coordenadas
+
clear;clc
−
u = linspace(0.1, 2, 50); % Valores de u
+
 
−
v = linspace(0.1, 2, 50); % Valores de v
+
figure;
−
%Dibujo de las lineas coordenadas
+
hold on;
−
figure;
+
 
−
hold on;
+
%Vectores interés
−
+
u=linspace(0.5, 5, 100); % Valores de u
−
% Curvas γ_u (variando u, con v fijo)
+
v=linspace(0.5, 5, 100); % Valores de v
 +
 
 +
%Curva γ_u: fijando v, (queda libre u)  
 
v_fixed = 1;
 
v_fixed = 1;
 
x1_u = (u.^2 - v_fixed^2) / 2;
 
x1_u = (u.^2 - v_fixed^2) / 2;
 
x2_u = u .* v_fixed;
 
x2_u = u .* v_fixed;
−
plot(x1_u, x2_u, 'g', 'LineWidth', 1.5);
+
plot(x1_u, x2_u, 'r', 'LineWidth', 1.5);
  
−
% Curvas γ_v (variando v, con u fijo)
+
%Curva γ_v: fijando u (queda libre v)  
 
u_fixed = 1;
 
u_fixed = 1;
 
x1_v = (u_fixed^2 - v.^2) / 2;
 
x1_v = (u_fixed^2 - v.^2) / 2;
 
x2_v = (u_fixed) .* v;
 
x2_v = (u_fixed) .* v;
−
plot(x1_v, x2_v, 'y', 'LineWidth', 1.5);
+
plot(x1_v, x2_v, 'b', 'LineWidth', 1.5);
  
−
% Estilo del gráfico
+
%EditGráfico
−
title('Líneas coordenadas en el plano z = 0');
+
title('Líneas coordenadas');
−
xlabel('EJE x_1');
+
xlabel('Eje x_1');
−
ylabel('EJE x_2');
+
ylabel('Eje x_2');
−
legend({'Líneas γ_u (u varía)', 'Líneas γ_v (v varía)'});
+
legend({'línea γ_u', 'líneas γ_v'});
 
grid on;
 
grid on;
 
axis equal;
 
axis equal;
Línea 82: Línea 93:
 
}}
 
}}
  
−
== CÁLCULOS TEÓRICOS \(\gamma_u\), \(\gamma_v\) y \(\gamma_z\)  ==
+
[[Archivo:Cuevas1.jpg|700px|sinmarco|centro|líneas coordenadas en 3 dimensiones]]
−
===Campos de Velocidad Lineas Coordenadas ===
+
−
⇒γ_u <br>
+
−
<math>\gamma'_u = \left( u, v, 0 \right)</math><br>
+
−
⇒γ_v <br>
+
−
<math>\gamma'_v = \left( -v, u, 0 \right)</math><br>
+
−
⇒γ_z <br>
+
−
<math>\gamma'_z = \left( 0, 0, 1 \right)</math>
+
  
−
===Factores de Escala ===
+
{{matlab|codigo=
 +
% Rango de variables
 +
u = linspace(0, 2, 10);
 +
v = linspace(0, 2, 10);
  
−
Los factores de escala \( h_u, h_v, h_z \) asociados con las coordenadas \( u, v, z \) corresponden a los módulos de los campos de velocidad:
+
% Creación de mallas
 +
[U, V] = meshgrid(u, v);
  
−
<math>
+
% Línea coordenada de u
−
h_u = |\gamma_u'(u)| = \sqrt{u^2 + v^2} ,
+
u_const = 1; % Fijamos u  
−
h_v = |\gamma_v'(v)| = \sqrt{u^2 + v^2} ,
+
x1_f1 = (u_const.^2 - V.^2) / 2;
−
h_z = |\gamma_z'(z)| = 1
+
x2_f1 = u_const .* V;
−
</math>
+
x3_f1 = 0;
  
−
===Vectores Tangentes ===
+
% Línea coordenada de v
 +
v_const = 1; % Fijamos v
 +
x1_f2 = (U.^2 - v_const.^2) / 2;
 +
x2_f2 = U .* v_const;
 +
x3_f2 = 0;
  
−
⇒<math>\mathbf{e}_u = \frac{\gamma'_u}{h_u} = \frac{1}{\sqrt{u^2 + v^2}} \left( u, v, 0 \right)</math><br>
+
% Crear una figura combinada
−
⇒<math>\mathbf{e}_v = \frac{\gamma'_v}{h_v} = \frac{1}{\sqrt{u^2 + v^2}} \left( -v, u, 0 \right)</math><br>
+
figure;
−
⇒<math>\mathbf{e}_z = \left( 0, 0, 1 \right)</math><br>
+
  
−
===Comprobación de Ortonormalidad ===
+
% Superficie de línea coordenada de u
 +
surf(x1_f1, x2_f1, x3_f1 .* ones(size(x1_f1)), 'FaceAlpha', 0.5);
 +
hold on;
  
−
===Representación Gráfica ===
+
% Superficie de línea coordenada de v
−
[[Archivo:Graficaa.png|500px|thumb|right ]]
+
surf(x1_f2, x2_f2, x3_f2' .* ones(size(x1_f2)), 'FaceAlpha', 0.5);
−
{{matlab|codigo=
+
  
−
clear;clc
+
% Configuración de la figura combinada
−
 
+
xlabel('x_1'); ylabel('x_2'); zlabel('x_3');
−
%Puntos de interes
+
title('curvas coordenadas de u y v con z fijado en x_3=0 ');
−
u=1;
+
axis equal;
−
v=1;
+
−
 
+
−
%Coordenadas cartesianas de las líneas coordenadas en z=0
+
−
x1_u =(u.^2-v.^2)/2;
+
−
x2_u =u.*v;
+
−
 
+
−
%Vectores unitarios en ese punto
+
−
h=sqrt(u^2+v^2);
+
−
eu=[u/h,v/h,0]; % Vector e_u
+
−
ev=[-v/h,u/h,0]; % Vector e_v
+
−
 
+
−
%GráficoCoordenadas
+
−
figure;
+
−
hold on;
+
−
quiver(x1_u,x2_u,eu(1),eu(2),'g','LineWidth',1.5);
+
−
quiver(x1_u,x2_u,ev(1),ev(2),'c','LineWidth',1.5);
+
−
plot(x1_u,x2_u,'k--','LineWidth',1); % Línea coordenada
+
−
title('Vectores Unitarios en z=0');
+
−
xlabel('Eje x_1');
+
−
ylabel('Eje x_2');
+
−
legend({'e_u','e_v'});
+
 
grid on;
 
grid on;
−
axis equal;
+
legend('Línea coordenada de u', 'Línea coordenada de v');
 
hold off;
 
hold off;
 
}}
 
}}
−
 
−
== Matrices de cambio de base ==
 
−
== Expresar el campo posición \(\vec{r}\) en el sistema cilíndrico parabólico ==
 
−
 
−
Las coordenadas cilíndricas parabólicas son un sistema de coordenadas en el espacio tridimensional \( \mathbb{R}^3 \) que extiende las coordenadas polares del plano a tres dimensiones usando una parábola. Estas coordenadas se denotan como \( (u, v, z) \), y su relación con las coordenadas cartesianas \( (x_1, x_2, x_3) \) es la siguiente:
 
−
 
−
 
−
<math>
 
−
x_1 = \frac{u^2 - v^2}{2}, \quad x_2 = uv, \quad x_3 = z.
 
−
</math>
 
−
 
−
 
−
-Los factores de escala \( h_u, h_v, h_z \) asociados a las coordenadas \( u, v, z \) son:
 
−
 
−
 
−
<math>
 
−
h_u = \sqrt{u^2 + v^2}, \quad h_v = \sqrt{u^2 + v^2}, \quad h_z = 1.
 
−
</math>
 
−
 
−
 
−
''' Derivadas parciales '''
 
−
 
−
Las derivadas parciales de las coordenadas cartesianas \( x_1, x_2, x_3 \) con respecto a las coordenadas \( u, v, z \) son las siguientes:
 
−
 
−
<math>
 
−
\frac{\partial x_1}{\partial u} = u, \quad \frac{\partial x_1}{\partial v} = -v, \quad \frac{\partial x_1}{\partial z} = 0
 
−
</math>
 
−
 
−
<math>
 
−
\frac{\partial x_2}{\partial u} = v, \quad \frac{\partial x_2}{\partial v} = u, \quad \frac{\partial x_2}{\partial z} = 0
 
−
</math>
 
−
 
−
<math>
 
−
\frac{\partial x_3}{\partial u} = 0, \quad \frac{\partial x_3}{\partial v} = 0, \quad \frac{\partial x_3}{\partial z} = 1.
 
−
</math>
 
−
 
−
 
−
 
−
''' Matriz de cambio de base '''
 
−
 
−
La matriz de cambio de base se utiliza para transformar las coordenadas cartesianas en las correspondientes coordenadas en el sistema cilíndrico parabólico. Dicha matriz \( Q^{-1} \) se expresa como:
 
−
 
−
 
−
<math>
 
−
Q^{-1} = \frac{1}{\sqrt{u^2 + v^2}} \begin{bmatrix} u & v & 0 \\ -v & u & 0 \\ 0 & 0 & \sqrt{u^2 + v^2} \end{bmatrix}.
 
−
</math>
 
−
 
−
 
−
 
−
 
−
'''Transformación de las coordenadas cartesianas a coordenadas \( (u, v, z) \) '''
 
−
 
−
Utilizando el vector de coordenadas cartesianas \( \vec{r} \), dado por:
 
−
 
−
 
−
<math>
 
−
\vec{r} = \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \frac{u^2 - v^2}{2} \\ uv \\ z \end{bmatrix},
 
−
</math>
 
−
 
−
 
−
produce las coordenadas \( r_u, r_v, r_z \) en la base \( \{ \vec{e}_u, \vec{e}_v, \vec{e}_z \} \). La multiplicación de la matriz de cambio de base \( Q^{-1} \) por el vector \( \vec{r} \) da como resultado:
 
−
 
−
<math>
 
−
r_u = \frac{u^3 + u v^2}{2 \sqrt{u^2 + v^2}}, \quad r_v = \frac{v u^2 + v^3}{2 \sqrt{u^2 + v^2}}, \quad r_z = z.
 
−
</math>
 
−
 
−
 
−
''' Conclusión '''
 
−
 
−
En el sistema de coordenadas cilíndricas parabólicas \( (u, v, z) \) las coordenadas se calculan aplicando la matriz inversa \( Q^{-1} \) al vector de coordenadas cartesianas \( \vec{r} \). Esta transformación resulta útil cuando las coordenadas cartesianas no facilitan la resolución de un problema, permitiendo simplificar los cálculos en contextos donde las geometrías parabólicas son mas relevantes.
 
−
 
−
== Gradiente de un campo escalar==
 
−
== Divergencia de un campo vectorial ==
 
−
== Rotacional de un campo vectorial ==
 
−
== Superficies de nivel==
 
−
== Curvatura de una parábola==
 
−
== Uso de la parábola en ingeniería==
 
−
=== Puentes ===
 
−
=== Elementos arquitectónicos===
 
−
=== Presas ===
 
−
=== Carreteras ===
 
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=== Ventajas generales de la parábola ===
 
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[[Categoría:Teoría de Campos]]
 
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[[Categoría:TC24/25]]
 

Revisión actual del 14:06 3 dic 2025

Trabajo realizado por estudiantes
Título coordenadas cilíndricas parabólicas (Grupo 27)
Asignatura Teoría de Campos
Curso 2025-26
Autores MARTA CUEVAS GARCÍA
ANDREA DANIELA DE SOUSA SEQUERA
CLAUDIA GÁMEZ CASADO
CARLOTA SÁNCHEZ VARAS
Pablo Fernández Arce
Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura


1 Introduccion

En este trabajo estudiaremos y aplicaremos las coordenadas cilíndricas parabólicas. Estas se denotan por \((u, v, z)\) y su relación con las coordenadas cartesianas \((x_1, x_2, x_3)\) es:

[math]\begin{cases}x_1 = \left(\frac{u^2 - v^2}{2}\right)\\ x_2 = uv \\ x_3 = z \end{cases} [/math]


Como las coordenadas cilíndricas pueden verse como la extensión de las coordenadas polares en \(R^2\) a \(R^3\), definiendo la variable \(z\) como la altura cartesiana \(x_3\), de manera análoga, las coordenadas cilíndricas parabólicas generalizan un cambio de coordenadas en \(R^2\) a \(R^3\) respecto de las coordenadas parabólicas de \(R^2\).

Sirven principalmente para simplificar ecuaciones y problemas cuya geometría natural está asociada a parábolas rotadas alrededor de un eje. Al elegir un sistema que coincide con la forma del problema, las ecuaciones (especialmente las diferenciales) se vuelven más fáciles de resolver.

2 Parametrizaciones de las líneas coordenadas \(\gamma_u\), \(\gamma_v\), \(\gamma_z\) en cartesianas

2.1 Linea coordenada \(\gamma_u\)

Manteniendo \(v\) y \(z\) constantes, y variando \(u\):

[math] \gamma_u(t): \begin{cases} x_1 = \left( \frac{t^2 - v^2}{2}\right) \\ x_2 = tv \\ x_3 = z \end{cases} [/math]

2.2 Linea coordenada \(\gamma_v\)

Manteniendo \(u\) y \(z\) constantes, y variando \(v\):

[math] \gamma_v(t): \begin{cases} x_1 = \left( \frac{u^2 - t^2}{2}\right) \\ x_2 = ut \\ x_3 = z \end{cases} [/math]

2.3 Linea coordenada \(\gamma_z\)

Manteniendo \(u\) y \(v\) constantes, y variando \(z\):

[math] \gamma_z(t): \begin{cases} x_1 = \left( \frac{u^2 - v^2}{2}\right) \\ x_2 = uv \\ x_3 = t \end{cases} [/math]

2.4 Gráficas y códigos MATLAB en 2D y 3D

Las curvas coordenadas asociadas a \(u\) y \(v\) tienen forma de parábolas parametrizadas por \(u\) y \(v\).

Líneas coordenadas asociadas en 2 dimensiones 

%Líneas coordenadas de u y v en 2D
clear;clc

figure;
hold on;

%Vectores interés
u=linspace(0.5, 5, 100); % Valores de u
v=linspace(0.5, 5, 100); % Valores de v

%Curva γ_u: fijando v, (queda libre u) 
v_fixed = 1;
x1_u = (u.^2 - v_fixed^2) / 2;
x2_u = u .* v_fixed;
plot(x1_u, x2_u, 'r', 'LineWidth', 1.5);

%Curva γ_v: fijando u (queda libre v) 
u_fixed = 1;
x1_v = (u_fixed^2 - v.^2) / 2;
x2_v = (u_fixed) .* v;
plot(x1_v, x2_v, 'b', 'LineWidth', 1.5);

%EditGráfico
title('Líneas coordenadas');
xlabel('Eje x_1');
ylabel('Eje x_2');
legend({'línea γ_u', 'líneas γ_v'});
grid on;
axis equal;
hold off;


líneas coordenadas en 3 dimensiones 

% Rango de variables
u = linspace(0, 2, 10);
v = linspace(0, 2, 10);

% Creación de mallas 
[U, V] = meshgrid(u, v);

% Línea coordenada de u
u_const = 1; % Fijamos u 
x1_f1 = (u_const.^2 - V.^2) / 2;
x2_f1 = u_const .* V;
x3_f1 = 0;

% Línea coordenada de v
v_const = 1; % Fijamos v
x1_f2 = (U.^2 - v_const.^2) / 2;
x2_f2 = U .* v_const;
x3_f2 = 0;

% Crear una figura combinada
figure;

% Superficie de línea coordenada de u
surf(x1_f1, x2_f1, x3_f1 .* ones(size(x1_f1)), 'FaceAlpha', 0.5);
hold on;

% Superficie de línea coordenada de v
surf(x1_f2, x2_f2, x3_f2' .* ones(size(x1_f2)), 'FaceAlpha', 0.5);

% Configuración de la figura combinada
xlabel('x_1'); ylabel('x_2'); zlabel('x_3');
title('curvas coordenadas de u y v con z fijado en x_3=0 ');
axis equal;
grid on;
legend('Línea coordenada de u', 'Línea coordenada de v');
hold off;
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