Diferencia entre revisiones de «Coordenadas Cilíndricas Parabólicas (GRUPO 01)»

Revisión del 17:24 1 dic 2025

1 Introducción

Breve explicación del tema y objetivos.

2 Definición del sistema de coordenadas

2.1 Transformación a cartesianas

2.2 Geometría de las curvas coordenadas

2.3 Ejemplo visual con MATLAB

3 Factores de escala y vectores base

3.1 Derivadas del campo posición

3.2 Factores de escala

3.3 Vectores unitarios y ortonormalidad

4 Operadores diferenciales

4.1 Gradiente

4.2 Divergencia

4.3 Rotacional

5 Superficies de nivel y aplicaciones

5.1 Visualización con MATLAB

5.2 Superficies regladas en ingeniería

6 Curvatura de parábolas

6.1 Fórmula general

6.2 Ejemplo con MATLAB

7 Aplicaciones en ingeniería

7.1 Óptica y telecomunicaciones

7.2 Arquitectura y estructuras

7.3 Dinámica y trayectorias

8 Conclusiones

9 Pregunta 7: Rotacional

El rotacional en coordenadas cilíndrico-parabólicas se calcula particularizando en la siguiente fórmula:

[math] rot( \vec{F})=\frac{1}{h_u h_v h_z} \left | \begin {matrix} h_u·\vec{e_u} & h_v·\vec{e_v} & h_z·\vec{e_z} \\ \frac{\partial}{\partial u} & \frac{\partial}{\partial v} & \frac{\partial}{\partial z} \\ h_u·\vec{F_u} & h_v·\vec{F_v} & h_z·\vec{F_z} \end {matrix} \right | [/math]

Sustituyendo las componentes del campo vectorial \(\vec{r}\):

[math] r_u = \frac{u^3 + u·v^2}{\sqrt{u^2 + v^2}}, \quad r_v = \frac{v·u^2 + v^3}{\sqrt{u^2 + v^2}}, \quad r_z = z. [/math]

Y también los factores de escala:

[math] h_u = \sqrt{u^2+v^2} , \quad h_v = \sqrt{u^2+v^2} , \quad h_z = 1. [/math]

Se obtiene la siguiente expresión tras operar:

[math] rot(\vec{r})=\frac{1}{u^2+v^2} \left | \begin{matrix} \sqrt{u^2+v^2}·\vec{e_u} & \sqrt{u^2+v^2}·\vec{e_v} & \vec{e_z} \\ \frac{\partial}{\partial u} & \frac{\partial}{\partial v} & \frac{\partial}{\partial z} \\ \frac{1}{2}(u^3+u·v^2) & \frac{1}{2}(v^3+u^2·v) & z \end {matrix} \right | [/math]

Por comodidad a la hora de mostrar los resultados, se calculará por componentes a continuación:

[math] \vec{e_u} = \sqrt {u^2+v^2} · \left ( \frac {\partial}{\partial v} (z) - \frac {\partial}{\partial z} (\frac {1}{2}(v^3+u^2·v)\right ) = 0 [/math]

[math] \vec{e_v} = \sqrt {u^2+v^2} · \left (\frac {\partial}{\partial u} (z) - \frac {\partial}{\partial z} (\frac {1}{2}(u^3+u·v^2))\right ) = 0 [/math]

[math] \vec{e_z} = \left ( \frac {\partial}{\partial u} (\frac {1}{2}(v^3+u^2·v) - \frac {\partial}{\partial v} (\frac {1}{2}(u^3+u·v^2)\right ) = u·v - u·v = 0 [/math]

Como el resultado del gradiente es [math] 0 [/math], se puede concluir que se trata de un campo irrotacional.

[math] rot (\vec {r}) = \nabla × \vec{r}= 0·\vec{e_u} + 0·\vec{e_v} + 0·\vec{e_z}= 0 [/math]

10 Pregunta 9: Curvatura

Dada la parábola:

[math] y=-Ax^2+B; [/math] dónde [math] A=3 y B=1; x ∈ [−1, 1] [/math]

Resultando:

[math] y=-3x^2+1; x ∈ [−1, 1] [/math]

La fórmula de la curvatura es:

[math] \kappa(x)=\frac{|\vec{v}(x)×\vec{a}(x)|}{|\vec{v}(x)|^3} [/math]

Para nuestro caso, en el plazo z=0, tomamos y=f(x) y x=x resultando: [math] \vec{r}= x\vec{i}+f(x)\vec{j}+0\vec{k} [/math]

[math] \vec{v}(x)=\vec{r}'=\vec{i}+f'(x)\vec{j} [/math]

[math] \vec{a}(x)=\vec{r}''=f''(x)\vec{j} [/math]

Haciendo el productor escalar de la velocidad y la aceleración obtenemos el numerador de la fórmula de la curvatura: [math] \vec{v}(x)×\vec{a}(x) = \left|\begin{matrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ 1 & f'(x) & 0 \\ 0 & f''(x) & 0 \end{matrix}\right|= f''(x)\vec{k} [/math]

Para obtener el denominador de la fórmula de la curvatura, se eleva al cubo el módulo de la velocidad: [math]|\vec{v}(x)|^3 = \left(\sqrt{1^2 + (f'(x))^2}\right)^3[/math]

[math] f(x)=-3x^2+1 [/math]

[math] f'(x)= 6x [/math]

[math] f''(x)= 6 [/math]

Sustituyendo, la curvatura finalmente es:

[math] \kappa(x)=\frac{6}{(1+36x^2)^{3/2}} [/math]

Ahora, evaluamos los puntos críticos de la parábola, que son: x=-1, x=1, x=0.

1. Para [math]x = -1[/math]: [math] k(-1) = \frac{6}{(1 + 36)^{3/2}} = 0,027 [/math]

2. Para [math]x = 1[/math]: [math] k(1) = \frac{6}{(1 + 36)^{3/2}} = 0,027 [/math]

3. Para [math]x = 0[/math]: [math] k(0) = \frac{6}{(1)^{3/2}} = 6 [/math]

11 Bibliografía