Diferencia entre revisiones de «Coordenadas Cilíndricas Parabólicas (GRUPO 01)»
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'''2. Faros y linternas'''<br> | '''2. Faros y linternas'''<br> | ||
Los faros de la calle o del coche y las linternas usan igualmente la propiedad de reflexión de las parábolas. Esto se emplea para evitar que la luz se disperse y permitir que el haz luminoso viaje más lejos y con mayor intensidad, proporcionando una iluminación eficaz en la oscuridad. <br> | Los faros de la calle o del coche y las linternas usan igualmente la propiedad de reflexión de las parábolas. Esto se emplea para evitar que la luz se disperse y permitir que el haz luminoso viaje más lejos y con mayor intensidad, proporcionando una iluminación eficaz en la oscuridad. <br> | ||
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'''3. Hornos solares'''<br> | '''3. Hornos solares'''<br> | ||
En un horno solar, la parábola se utiliza como pantalla reflectante para concentrar la luz solar en un punto focal .El recipiente de cocción se coloca en el foco, donde la energía solar se concentra para cocinar alimentos. A veces, son usados para tratamiento térmico de materiales como la madera, plásticos y productos químicos. Lo bueno del horno es que no funciona con combustible y utiliza el sol una fuente de energía renovable. | En un horno solar, la parábola se utiliza como pantalla reflectante para concentrar la luz solar en un punto focal .El recipiente de cocción se coloca en el foco, donde la energía solar se concentra para cocinar alimentos. A veces, son usados para tratamiento térmico de materiales como la madera, plásticos y productos químicos. Lo bueno del horno es que no funciona con combustible y utiliza el sol una fuente de energía renovable. | ||
Revisión del 17:37 4 dic 2025
| Trabajo realizado por estudiantes | |
|---|---|
| Título | Coordenadas Cilíndricas Parabólicas. Grupo 01 |
| Asignatura | Teoría de Campos |
| Curso | 2025-26 |
| Autores | Miguel Montano Reynoso, Héctor Mota Sánchez, Guillermo Verdejo García, Paola Villares Jordán |
| Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura | |
Las coordenadas cilíndricas parabólicas (u, v, z) son un sistema que generaliza las coordenadas planas al espacio tridimensional, definiendo la variable z como la altura. Este sistema es útil para la resolución de problemas con simetría parabólica, puesto que simplifica ecuaciones diferenciales parciales. Además de otros problemas de física e ingeniería como la difracción o el análisis de la distribución del potencial electrostático.
En el presente trabajo se estudiará este sistema partiendo de su transformación en cartesianas. La relación empleada, donde u > 0, es la siguiente:
El objetivo es analizar las magnitudes físicas del sistema, así como la obtención de expresiones para sus operadores vectoriales (gradiente, divergencia, rotacional). El análisis será explicado en detalle en los siguientes apartados.
Contenido
- 1 Parametrización de las líneas/curvas coordenadas \(\gamma_u\), \(\gamma_v\), \(\gamma_z\)
- 2 Cálculos teóricos
- 3 Matrices de cambios de base
- 4 Expresiones del campo de posición [math]\vec{r} [/math], en la base [math] (\vec{e_u}, \vec{e_v},\vec{e_z}) [/math]
- 5 Cálculo del gradiente
- 6 Calculo de la divergencia
- 7 Cálculo del rotacional
- 8 Superficies de nivel
- 9 Curvatura
- 10 Información sobre la parábola y su uso en la ingeniería
- 11 Bibliografía
1 Parametrización de las líneas/curvas coordenadas \(\gamma_u\), \(\gamma_v\), \(\gamma_z\)
1.1 Parametrización para cambio a cartesianas
A partir de la relación que vincula coordenadas cilíndricas parabólicas (u, v, z) con las cartesianas (x_1, x_2, x_3), se obtienen las siguientes expresiones:
- Línea coordenada \(\gamma_u\): se mantienen v y z fijas y varía u.
\(\gamma_u (t)\) = \(\gamma_u (t, v, z)\):[math](x_1, x_2, x_3) = \left( \frac{t^2 - v^2}{2} , tv , z \right)[/math]
- Línea coordenada \(\gamma_v\): se mantienen constantes u y z, varía v.
\(\gamma_v(t)\) = \(\gamma_v(u, t, z)\): [math](x_1, x_2, x_3) = \left( \frac{u^2 - t^2}{2}, ut, z \right)[/math]
- Línea coordenada \(\gamma_z\): se mantienen constantes u y v, varía z.
\(\gamma_z(t)\) = \(\gamma_z(u, v, t)\): [math](x_1, x_2, x_3) = \left( \frac{u^2 - v^2}{2}, uv, t \right)[/math]
1.2 Códigos y gráficas en Matlab
Representación gráfica lineas u y v en 2D (sin contar con z)
clear;
clc;
figure;
hold on;
%Creación de los vectores
u = 0.5 : 0.05 : 5;
v = 0.5 : 0.05 : 5;
for i=1:5
u_variable = i;
v_variable = i;
%Representación de la curva u, con v fijado
x1_u = (u_variable.^2 - v.^2) / 2;
x2_u = u_variable .* v;
plot(x1_u, x2_u, 'm', 'LineWidth', 2);
%Representación de la curva v, con u fijado
x1_v = (u.^2 - v_variable.^2) / 2;
x2_v = u .* v_variable;
plot(x1_v, x2_v, 'r', 'LineWidth', 2);
end
%Configuración de la gráfica
title('Lineas u y v con distintos valores dados en 2D');
xlabel('Eje x_1');
ylabel('Eje x_2');
legend({'Curva \gamma_u', 'Curva \gamma_v'});
grid on;
axis equal;
hold off;Representación de plano con z constante
clear;
clc;
figure;
%Creacion de los vectores
u = linspace(0, 2, 20);
v = linspace(0, 2, 20);
[U, V] = meshgrid(u, v);
%Ecuaciones
X = (U.^2 - V.^2) / 2;
Y = U .* V;
Z = zeros(size(X));
%Configuración de la gráfica
s = surf(X, Y, Z, 'FaceAlpha', 0.5, 'EdgeColor', 'm');
s.FaceColor = 'r';
title('Plano que forman los distintos valores de u y v en z=0');
xlabel('Eje x_1'); ylabel('Eje x_2'); zlabel('Eje x_3');
axis equal;
grid on;2 Cálculos teóricos
2.1 Cálculo de los campos de velocidad
Los campos de velocidad son obtenidos mediante la derivación de las líneas coordenadas, cada una respecto de la variable que cambiaba con el tiempo.
- Derivada respecto de u
[math] \begin{cases} \frac{\partial x_1}{\partial u}=u\\ \frac{\partial x_2}{\partial u}=v\\ \frac{\partial x_3}{\partial u}=0 \end{cases} \Rightarrow \gamma'_u=u\vec{i}+v\vec{j} [/math]
- Derivada respecto de v
[math] \begin{cases} \frac{\partial x_1}{\partial v}=-v\\ \frac{\partial x_2}{\partial v}=u\\ \frac{\partial x_3}{\partial v}=0 \end{cases} \Rightarrow \gamma'_v=-v\vec{i}+u\vec{j} [/math]
- Derivada respecto de z
[math] \begin{cases} \frac{\partial x_1}{\partial z}=0\\ \frac{\partial x_2}{\partial z}=0\\ \frac{\partial x_3}{\partial z}=1 \end{cases} \Rightarrow \gamma'_v=\vec{k} [/math]
2.2 Cálculo de los módulos o factores de escala
Para obtener los vectores tangentes unitarios a las curvas, primero necesitamos las normas de cada campo de velocidad.
Para \(\gamma'_u\)→ [math] |\gamma'_u|= h_u = \sqrt{u^2 + v^2} [/math]
Para \(\gamma'_v\)→ [math] |\gamma'_v|= h_v = \sqrt{(-v)^2 + u^2} = \sqrt{v^2 + u^2}= \sqrt{u^2+v^2} [/math]
Para \(\gamma'_z\)→ [math] |\gamma'_z|= h_z = 1 [/math]
2.3 Cálculo de los vectores tangentes a las líneas coordenadas
Los vectores unitarios tangentes se calcularan dividiendo los campos de velocidad por sus respectivas normas.
[math] \vec{e_u}= \frac {\gamma'_u}{h_u} = \frac{1}{\sqrt{u^2 +v^2}}(u \vec{i} +v \vec{j}) [/math]
[math] \vec{e_v}= \frac {\gamma'_v}{h_v} = \frac{1}{\sqrt{u^2 +v^2}}(-v \vec{i} +u \vec{j}) [/math]
[math] \vec{e_z}= \frac {\gamma'_z}{h_z} = \vec{k} [/math] (ya era unitario)
2.4 Comprobación de la base ortonormal orientada positivamente
Para comprobar la ortonormalidad se calculan los productos escalares y las normas, cuyos resultados tienen que ser 0 y 1, respectivamente.
\(\vec{e_u} \cdot \vec{e_v}\) = [math]\frac{1}{\sqrt{u^2 + v^2}}(u \vec{i} +v \vec{j})\cdot\frac{1}{\sqrt{v^2 + u^2}}(-v \vec{i} +u \vec{j}) =0[/math]
\(\vec{e_v} \cdot \vec{e_z}\) = [math]\frac{1}{\sqrt{u^2 + v^2}}(-v \vec{i} +u \vec{j})\cdot(\vec{k}) =0[/math]
\(\vec{e_z} \cdot \vec{e_u}\) = [math](\vec{k})\cdot\frac{1}{\sqrt{v^2 + u^2}}(u \vec{i} +v \vec{j})=0[/math]
[math]|\vec{e_u}|=|\vec{e_v}|=|\vec{e_z}|= 1 [/math]
En cuanto orientación, hay que comprobar que [math] \vec{e_z}=\vec{k}=\vec{e_u} \times \vec{e_v} [/math] , puesto que su signo depende de está operación. Es decir, que si el valor calculado con el producto vectorial coincide con el ya calculado en el apartado 2.3 ,[math] \vec{e_z} [/math] ,estará orientado positivamente.
[math] \vec{e_u} \times \vec{e_v}=\begin{bmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ \frac{u}{\sqrt{u^2 + v^2}} & \frac{v}{\sqrt{u^2 + v^2}} & 0 \\ \frac{-v}{\sqrt{u^2 + v^2}} & \frac{u}{\sqrt{u^2 + v^2}} & 0 \end{bmatrix} = \vec{k} = \vec{e_z} [/math]
2.5 Códigos y gráficas de Matlab: vectores tangentes a las líneas coordenadas
clear;clc
%Vectores a emplear
u=linspace(0.5,5,100); %Valores de u
v=linspace(0.5,5,100);%Valores de v
%Punto donde se cortan las curvas (interes para los vectores unitarios)
u_punto=1; %(u0,v0)
v_punto=1;
%Coordenadas cartesianas del punto (x1,x2)
x1_punto=(u_punto^2-v_punto^2)/2;
x2_punto=u_punto*v_punto;
%Lineas de coordenadas
%Curva Y_u: fijamos v(v_fijo) y es u quien se mueve en el tiempo (u=libre)
v_fijo=v_punto;
x1_u=(u.^2-v_fijo^2)/2;
x2_u=u.*v_fijo;
%Curva Y_v: fijamos u(u_fijo) y v es quien se mueve en el tiempo (v=libre)
u_fijo=u_punto;
x1_v=(u_fijo^2-v.^2)/2;
x2_v=(u_fijo).*v;
%Vectores tangentes (unitarios): e_u y e_v
%Vectores
vu=[u_punto,v_punto];
vv=[-v_punto,u_punto];
%Norma común
n=norm(vu);
%Unitarios
e_u=vu/n;
e_v=vv/n;
%Gráfico
figure;
hold on; grid on;
%Linea coordenada Y_u
plot(x1_u,x2_u,'b','LineWidth',1.5);
%Línea coordenada Y_v
plot(x1_v,x2_v,'r', 'LineWidth',1.5);
%Vector tangente unitario a Y_u
quiver(x1_punto,x2_punto,e_u(1),e_u(2),'c','LineWidth',1.5);
%Vector tangente unitario a Y_v
quiver(x1_punto,x2_punto,e_v(1),e_v(2),'m','LineWidth',1.5);
%Estética del gráfico
title('Vectores unitarios tangentes a las líneas coordenadadas');
xlabel('x_1');
ylabel('x_2');
xlim([-2 2]);
ylim([0 2]);
legend('Línea \gamma_u','Línea \gamma_v','Vector e_u','Vector e_v','Location','southeast');
axis equal;
hold off;3 Matrices de cambios de base
La matriz Q que transforma los vectores de la base [math] (\vec{e_u}, \vec{e_v},\vec{e_z}) [/math] a la base cartesiana [math] (\vec{i}, \vec{j},\vec{k}) [/math] es:
[math] Q=\begin{bmatrix} \vec{e_u}|& \vec{e_v}|& \vec{e_z} \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \frac{u}{h_u} & \frac{-v}{h_v} & 0 \\ \frac{v}{h_v} & \frac{u}{h_u} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \frac{u}{\sqrt{u^2 + v^2}} & \frac{-v}{\sqrt{u^2 + v^2}} & 0 \\ \frac{v}{\sqrt{u^2 + v^2}} & \frac{u}{\sqrt{u^2 + v^2}} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} [/math]
Para pasar un vector de coordenadas cilíndricas a cartesianas se llevará a cabo la siguiente operación:
[math] \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \\ v_3 \end{bmatrix}= Q · \begin{bmatrix} v_u \\ v_v \\ v_z \end{bmatrix} [/math]
La matriz inversa [math] Q^{-1} = Q^t [/math] , transforma vectores del sistema cartesiano al cilíndrico parabólico.
[math]
Q^{-1}=\begin{bmatrix}
\frac{u}{h_u} & \frac{v}{h_v} & 0 \\
\frac{-v}{h_v} & \frac{u}{h_u} & 0 \\
0 & 0 & 1
\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}
\frac{u}{\sqrt{u^2 + v^2}} & \frac{v}{\sqrt{u^2 + v^2}} & 0 \\
\frac{-v}{\sqrt{u^2 + v^2}} & \frac{u}{\sqrt{u^2 + v^2}} & 0 \\
0 & 0 & 1
\end{bmatrix}
[/math]
Mediante la misma operación anterior conseguimos un vector en coordenadas cilíndricas parabólicas.
[math] \begin{bmatrix} v_u \\ v_v \\ v_z \end{bmatrix}= Q^{-1} · \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \\ v_3 \end{bmatrix} [/math]
4 Expresiones del campo de posición [math]\vec{r} [/math], en la base [math] (\vec{e_u}, \vec{e_v},\vec{e_z}) [/math]
Primero usamos la relación entre cartesianas y cilíndricas parabólicas:
Estas coordenadas definirán mi vector [math]\vec{v}=v_1\vec{i} + v_2\vec{j} + v_3\vec{k}[/math], que se sustituirá en la fórmula que transforma vectores del sistema cartesiano al cilíndrico parabólico:
[math] \begin{bmatrix} v_u \\ v_v \\ v_z \end{bmatrix}= Q^{-1} · \begin{bmatrix} \frac{u^2-v^2}{2}\\ uv \\ z \end{bmatrix}=\frac{1}{\sqrt{u^2 +v^2}}\begin{bmatrix} u & v & 0 \\ -v & u & 0 \\ 0 & 0 & \sqrt{u^2 + v^2} \end{bmatrix} · \begin{bmatrix} \frac{u^2-v^2}{2}\\ uv \\ z \end{bmatrix} =\begin{bmatrix} \frac{u^3 + uv^2}{2\sqrt{u^2 + v^2}} \\ \frac{u^2v + v^3}{2\sqrt{u^2 + v^2}} \\ z \end{bmatrix} [/math]
Por lo tanto, [math] \vec{r}(u, v, z)=\frac{u^3 + uv^2}{2\sqrt{u^2 + v^2}} \vec{e_u} + \frac{u^2v + v^3}{2\sqrt{u^2 + v^2}} \vec{e_v} + z \vec{e_z} [/math].
5 Cálculo del gradiente
Sea [math]f : D \subset \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}[/math] un campo escalar, expresamos el gradiente [math]\nabla f[/math] como la suma de las derivadas parciales respecto de cada coordenada del sistema, y teniendo en cuenta también los factores de escala [math]h_u[/math], puesto que se está trabajando en un sistema de coordenadas diferente al cartesiano. Ésta es la expresión general del gradiente:
[math] \begin{align} \nabla f &= \sum_{i=1}^{3} \frac{1}{h_i} \frac{\partial f}{\partial q_i} \hat{\mathbf{e}}_i \end{align} [/math]
Aquí, [math]q_i[/math] son las [math]i[/math] coordenadas del sistema en cuestión, al estar en [math]\mathbb{R}^3[/math], [math]i[/math] tomará los valores [math]i = 1,2,3[/math], y [math]\hat{e}_i[/math] son los vectores de la base, es decir forman la base física del sistema. Para las coordenadas cilíndricas parabólicas, la expresión del gradiente es la siguiente:
[math] \begin{align} \nabla f &= \frac{\partial f}{\partial u} \frac{1}{h_u} \hat{\mathbf{e}}_u + \frac{\partial f}{\partial v} \frac{1}{h_v} \hat{\mathbf{e}}_v + \frac{\partial f}{\partial z} \frac{1}{h_z} \hat{\mathbf{e}}_z \end{align} [/math]
Se nos da un campo escalar en coordenadas cartesianas, que fácilmente pasamos a coordenadas parabólicas sustituyendo: [math]f(x_1,x_2,x_3) = x_2 = uv[/math], y un punto [math] \text{P} = (x_1,x_2,x_3) = (0,1,1)[/math]. Para pasar P a coordenadas cilíndricas parabólicas, tenemos dos opciones. La más sencilla, sustituir el punto en el sistema de coordenas directamente, y hallas los valores de u y v resolviendo un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas. Sin embargo, conociendo la transformación inversa de coordendas cartesianas a parabólicas, podemos sustituir en dichas ecuación y hallar también de esa manera P(u,v,z). Sustituyendo directamente[math] \text{P} = (x_1,x_2,x_3) = (0,1,1)[/math] en el sistema:
[math] \begin{align} u^2 - v^2 = 0 &\Rightarrow u^2 =v^2 \\ u v = 1 &\Rightarrow u=1, v=1 \\ z &= z = 1 \end{align} [/math]
Por tanto, el punto P en coordenadas cilíndricas parabólicas es [math] P(u,v,z) = (1,1,1)[/math].
Alternativamente, se define la transformación inversa:
[math] \begin{align} \\ \boxed{ u = \sqrt{\sqrt{(x^1)^2 + (x^2)^2} + x^1}\\ v = \sqrt{\sqrt{(x^1)^2 + (x^2)^2} - x^1}\\ z = z\\ } \\ \end{align} [/math]
Si sustituimos (0,1,1) por (x1,x2,x3), hallamos la misma solución [math]P(u,v,z) = (1,1,1)[/math]. Realizando las derivadas parciales, y sustituyendo los factores de escala, calculados previamente en el apartado 2.2, obtenemos,
[math] \begin{align} \nabla f &= \frac{1}{h_u} v \, \hat{\mathbf{e}}_u +\frac{1}{h_v} u \, \hat{\mathbf{e}}_v + \frac{1}{h_z} 0 \\ &= \frac{v}{\sqrt{u^2+v^2}} \bar{\mathbf{e}}_u + \frac{u}{\sqrt{u^2+v^2}} \bar{\mathbf{e}}_v \\ \end{align} [/math]
Ese sería el gradiente independientemente del punto en el que estemos, ahora sustituimos en nuestro punto [math] P(u,v,z) = (1,1,1)[/math]:
[math] \begin{align} \nabla f (\text{P}) &= (\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},0) \\ \end{align} [/math]
Otra forma de calcularlo, que no es pedida, es hallando el gradiente en coordenadas cartesianas. Al ser un campo vectorial, podemos pasar el vector de la base cartesiana a la base cilíndrica parabólica mediante la matriz de cambio de base inversa [math]Q^{-1}[/math], definida en el apartado 3.
[math] \begin{align} \\ \mathbf{v} = \nabla f (x_1, x_2, x_3) = \mathbf{j} \rightarrow \begin{pmatrix} \mathbf{v}_u \\ \mathbf{v}_v \\ \mathbf{v}_z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{u}{\sqrt{u^2+v^2}} &\frac{v}{\sqrt{u^2+v^2}} &0 \\ \frac{-v}{\sqrt{u^2+v^2}} &\frac{u}{\sqrt{u^2+v^2}} &0 \\ 0 &0 &1 \\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0\\ 1\\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{v}{\sqrt{u^2+v^2}} \\ \frac{u}{\sqrt{u^2+v^2}} \\ 0 \end{pmatrix} \end{align} [/math]
Y ahora sustituyendo en P, obtenemos la misma solución:
[math] \begin{align} \mathbf{v}(1,1,1)&= (\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},0) \\ \end{align} [/math]
[math] \begin{align} \mathbf{r}_{\text{cart.}} (u,v,z) &= (\frac{u^2-v^2}{2}, uv, z) \\ \mathbf{r}_{\text{cil. par.}} (u,v,z) &= (\frac{u^3+uv^2}{2\sqrt{u^2+v^2}}, \frac{u^2v+v^3}{2\sqrt{u^2+v^2}}, z) \\ \nabla \mathbf{r} &= \frac{1}{h_u h_v h_z} \left[ \frac{\partial}{\partial u} (h_v h_z r_u) + \frac{\partial}{\partial v} (h_u h_z r_v) + \frac{\partial}{\partial z} (h_u h_v r_z) \right] \\ r_u &= \frac{u^3 + uv^2}{2\sqrt{u^2+v^2}}, \quad r_v = \frac{u^2v + v^3}{2 \sqrt{u^2+v^2}}, \quad r_z = z \\ h_u &= \sqrt{u^2 + v^2}, \quad h_v = \sqrt{u^2+v^2}, \quad h_z = 1 \\ \nabla &\equiv \frac{\mathbf{e}_1}{h_1} \frac{\partial}{\partial x^1} + \frac{\mathbf{e}_2}{h_2} \frac{\partial}{\partial x^2} + \frac{\mathbf{e}_3}{h_3} \frac{\partial}{\partial x^3} \\ \nabla \cdot \mathbf{r} &= \frac{1}{(u^2+v^2)} \left( \frac{\partial}{\partial u} \left( \frac{u^3 + uv^2}{2} \right) + \frac{\partial}{\partial v} \left( \frac{u^2v+v^3}{2} \right) + \frac{\partial}{\partial z} ((u^2+v^2)z) \right) \\ &= \frac{1}{u^2+v^2} \left( \frac{3u^2+v^2}{2} + \frac{u^2+3v^2}{2} + (u^2+v^2) \right) \\ &= \frac{1}{u^2+v^2} \frac{6u^2+6v^2}{2} = 3 \\ \end{align} [/math]
[math] \begin{align} \text{Dominio} \begin{cases} 0 &\leqq u \lt + \infty \\ -\infty &\lt v \lt + \infty \\ - \infty &\lt z \lt + \infty \end{cases} u &=\text{cte.}: \quad \text{confocal rotacionalmente simétricos paraboloides} \\ v &= \text{cte.}: \quad \text{confocal rotacionalmente simétricos paraboloides} \\ z &= \text{cte.}: \quad \text{planos paralelos} \end{align} [/math]
[math] \begin{align} \mathbf{g}_i = \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial x^i} \end{align} [/math]
6 Calculo de la divergencia
7 Cálculo del 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]
8 Superficies de nivel
9 Curvatura
9.1 Cálculo de la 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]
9.2 Función de la curvatura en matlab
Representación gráfica de la funcíon de la curvatura cuando x∈[−1,1]
clear;
clc;
figure;
%Asignación de valores
x = linspace(-1, 1, 1000);
derf1 = -6 * x;
derf2 = -6;
%Curvatura
n = abs(derf2);
d = (1 + derf1.^2).^(3/2);
k = n ./ d;
%Configuración del gráfico
plot(x, k, 'm', 'LineWidth', 2);
title('representación de la función de curvatura');
xlabel('x');
ylabel('Curvatura');
xlim([-1 1]);
grid on;10 Información sobre la parábola y su uso en la ingeniería
10.1 ¿Qué es la parábola?
En matemáticas, la parábola es la sección cónica resultante de cortar un cono recto con un plano paralelo a una generatriz. También se puede definir como el lugar geométrico de los puntos del plano que equidistan a la recta llamada directriz y un punto llamado foco. En geometría proyectiva, la parábola se define como la curva envolvente de las rectas que unen pares de puntos homólogos en una proyectividad semejante.
10.2 Aplicaciones de la parábola en ingeniería civil y arquitectura
Tanto en ingeniería civil y arquitectura es muy fácil encontrar parábolas. Esto se debe a: la forma en U de la parábola que distribuye la cargas uniformemente, el aprovechamiento de los recursos (materiales de construcción) para producir muy pocos residuos, el atractivo visual de su diseño (patrones elegantes y armónicos), etc.
1. Puentes
2. Presas
3. Carreteras
4. Túneles y muros de contención
5. Elementos arquitectónicos
10.3 Otros usos de la parábola
10.3.1 Por sus características mecánicas (movimiento y fuerzas que lo provocan)
Uno de los movimientos más estudiados en física es el parabólico, que se puede descomponer en un movimiento rectilíneo uniforme el eje de las x (en horizontal) y el un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado en el eje de las y (en vertical) por la acción de la gravedad. Su análisis sirve para predecir trayectorias de proyectiles o balones, por ello es constantemente empleado en las ramas de deportes, balística, aviación e ingeniería aeroespacial.
10.3.2 Por sus características ópticas (comportamiento de la luz)
Las parábolas tienen una propiedad de reflexión única: cualquier rayo que entra perpendicular a la directriz (paralelo al eje focal) se refleja y pasa directamente por el foco. Si se estudia a la inversa, se observa que todo rayo originado en el foco es paralelo al eje focal. A continuación se expondrán algunos ejemplos donde se tiene en cuenta está propiedad:
1. Antenas parabólicas
La antena parabólica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico (forma de plato cóncavo). Se utiliza para enfocar las ondas electromagnéticas en un punto específico, conocido como foco, o para emitirlas de forma concentrada. Esta capacidad de concentrar la energía en una dirección específica (o de un punto específico) le otorga una alta directividad y, por lo tanto, una alta ganancia de señal. Las antenas parabólicas pueden ser transmisoras, receptoras o full dúplex (reciben y transmiten simultáneamente). Este tipo de tecnología es esencial para la comunicación vía satélite y radioastronomía.
2. Faros y linternas
Los faros de la calle o del coche y las linternas usan igualmente la propiedad de reflexión de las parábolas. Esto se emplea para evitar que la luz se disperse y permitir que el haz luminoso viaje más lejos y con mayor intensidad, proporcionando una iluminación eficaz en la oscuridad.
3. Hornos solares
En un horno solar, la parábola se utiliza como pantalla reflectante para concentrar la luz solar en un punto focal .El recipiente de cocción se coloca en el foco, donde la energía solar se concentra para cocinar alimentos. A veces, son usados para tratamiento térmico de materiales como la madera, plásticos y productos químicos. Lo bueno del horno es que no funciona con combustible y utiliza el sol una fuente de energía renovable.
11 Bibliografía
https://prezi.com/svobrghsek68/la-parabola-en-la-ingenieria/
3879-Article Text-7638-1-10-20240929.pdf
https://www.almisat.com/servicios/antenas-parabolicas/#:~:text=La%20antena%20parab%C3%B3lica%20es%20un,transmisoras%20o%20como%20antenas%20receptoras.
https://es.scribd.com/document/424637282/Antena-Parabolica
https://mathspace.co/textbooks/syllabuses/Syllabus-465/topics/Topic-8712/subtopics/Subtopic-115384/?activeTab=theory