Ejemplo, cómo calcular el flujo saliente a través de una superficie
Problema n° 15 de integrales
Enunciado del ejercicio n° 15
Calcular el flujo saliente del campo anterior a través del embudo determinado por las superficies:
| S1: x² + y² = 1 | → | 0 ≤ z ≤ 1 |
| S2: x² + y² - z² = 0 | → | 1 ≤ z ≤ 4 |
Desarrollo
Fórmulas:
∬S F(x) = ∬D F(X(u, v))·(Xu ∧ Xv)·du·dv
Solución
Gráfico del dominio para el cálculo de la superficie
Aplicamos la fórmula para las superficies por separado, luego el flujo total será la suma de ambos flujos.
Parametrizamos la primera superficie:
X(θ, z) = (cos θ, sen θ, z)
| D1: 0 ≤ z ≤ 1 → | 0 ≤ θ ≤ 2·π 0 ≤ z ≤ 1 |
Calculamos n:
Xθ = (- sen θ, cos θ, 0)
Xz = (0, 0, 1)
| n = | E1 | -E2 | E3 | = (cos θ, -(-sen θ), 0) = (cos θ, sen θ, 0) |
| - sen θ | cos θ | 0 | ||
| 0 | 0 | 1 |
n = (cos θ, sen θ, 0)
F(X(θ, z)) = (cos θ, sen θ, 2·π - cos θ - sen θ)
El flujo saliente de la primera superficie será:
Flujo1 = ∬S1 F(x)
Flujo1 = ∬D1 F(X(θ, z))·n·dθ·dz
Flujo1 = ∬D1 (cos θ, sen θ, 2·π - cos θ - sen θ)·(cos θ, sen θ, 0)·dθ·dz
Flujo1 = ∬D1 (cos² θ + sen² θ)·dθ·dz
Flujo1 = ∬D1 dθ·dz
| Flujo1 = ∫ | 2·π | dθ∫ | 1 | ·dz |
| 0 | 0 |
| Flujo1 = 2·π·(z) | 1 |
| 0 |
Flujo1 = 2·π
Parametrizamos la segunda superficie:
X(θ, z) = (z·cos θ, z·sen θ, z)
| D2: 1 ≤ z ≤ 4 → | 0 ≤ θ ≤ 2·π 1 ≤ z ≤ 4 |
Calculamos n:
Xθ = (- z·sen θ, z·cos θ, 0)
Xz = (cos θ, sen θ,1)
| n = Xθ ∧ Xz = | E1 | -E2 | E3 | = [z·cos θ, -(- sen θ), -z·(sen θ)·(sen θ) - z·(cos θ)·(cos θ)] |
| - z·sen θ | z·cos θ | 0 | ||
| cos θ | sen θ | 1 |
n = (z·cos θ, z·sen θ, - z·sen² θ - z·cos² θ)
n = (z·cos θ, z·sen θ, - z·(sen² θ + z·cos² θ)) = (z·cos θ, z·sen θ, - z)
F(X(θ, z)) = (z·cos θ, z·sen θ, 2·z - z·cos θ - z·sen θ)
El flujo saliente de la segunda superficie será:
Flujo2 = ∬S2 F(x)
Flujo2 = ∬D2 F(X(θ, z))·n·dθ·dz
Flujo2 = ∬D2 (z·cos θ, z·sen θ, 2·z - z·cos θ - z·sen θ)·(z·cos θ, z·sen θ, -z)·dθ·dz
Flujo2 = ∬D2 (z²·cos² θ + z²·sen² θ - z·(2·z - z·cos θ - z·sen θ))·dθ·dz
Flujo2 = ∬D2 (z²·(cos² θ + sen² θ) - 2·z² + z²·cos θ + z²·sen θ)·dθ·dz
Flujo2 = ∬D2 (z² - 2·z² + z²·cos θ + z²·sen θ)·dθ·dz
Flujo2 = ∬D2 z²·(- 1 + cos θ + sen θ)·dθ·dz
| Flujo2 = ∫ | 2·π | dθ∫ | 4 | z²·(-1 + cos θ + sen θ)·dz |
| 0 | 1 |
| Flujo2 = ∫ | 2·π | (⅓·z³) | 4 | ·(-1 + cos θ + sen θ)·dθ |
| 0 | 1 |
| Flujo2 = ∫ | 2·π | (⅓·4³ - ⅓·1³)·(-1 + cos θ + sen θ)·dθ |
| 0 |
| Flujo2 = ∫ | 2·π | (⅓·64 - ⅓)·(-1 + cos θ + sen θ)·dθ |
| 0 |
| Flujo2 = ∫ | 2·π | ⅓·63·(-1 + cos θ + sen θ)·dθ |
| 0 |
| Flujo2 = 21·∫ | 2·π | (-1 + cos θ + sen θ)·dθ |
| 0 |
| Flujo2 = 21·[-θ + sen θ + (-cos θ)] | 2·π |
| 0 |
Flujo2 = 21·(-2·π + (sen 2·π - sen 0) - (-0 + cos 2·π - cos 0))
Flujo2 = 21·(-2·π - (1 - 1))
Flujo2 = -42·π
El flujo total es:
Flujo = Flujo1 + Flujo2
Resultado, el flujo saliente del campo es:
Flujo = 2·π - 42·π
Flujo = -40·π
Autor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)
San Martín. Buenos Aires. Argentina.
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