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Encontrar la densidad de carga en un sólido

Un objeto ocupa la región sólida en el primer octante delimitado por los planos de coordenadas y dos cilindros $x^2 + y^2 = 4$ y $y^2 + z^2 = 4$ Si la densidad de carga en cualquier punto es $x$ ¿Cuál es la carga total?


Así que sé $Q = pV$ , donde $p$ es la densidad de carga y $V$ es el volumen.

Creo que tengo que hacerlo en coordenadas esféricas, pero no estoy muy seguro. Defino $f(x, y, z) = x$ Entonces tengo $f( \theta, \phi) = ??$

Nunca he utilizado coordenadas esféricas. Estoy aprendiendo cálculo multivariable a través del autoestudio, así que cualquier ayuda sería apreciada. Creo que mi integral será algo así

$$\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi} f(\theta, \phi) d\theta d\phi \cdot x,$$

pero no estoy seguro de cómo conseguir la función. Se agradece cualquier ayuda.

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Damian Puntos 4588

En primer lugar, $Q=pV$ sólo se sostiene si la densidad de carga es uniforme. En este caso $p(\vec{x})=x$ por lo que varía espacialmente y en su lugar debemos evaluar la carga total mediante una integral. Para ello, integramos la densidad de carga sobre el volumen cargado;

$$Q=\int_{V}p(\vec{x})dV$$

Donde $V$ es el volumen que has descrito.

Ahora tenemos que elegir un sistema de coordenadas y describir $V$ en términos de ello. No creo que las coordenadas esféricas o cilíndricas funcionen aquí (la unión de los cilindros es un poco complicada de describir), así que nos quedaremos con las viejas coordenadas cartesianas.

Ya que para cualquier punto $(x, y, z)$ tenemos $x^{2}+y^{2}=4$ y como $x\geq 0$ como estamos en el primer octante, debemos tener;

$$0\leq x\leq\sqrt{4-y^{2}}$$

De la misma manera, $0\leq y\leq\sqrt{4-z^{2}}$ . Para $z$ sabemos que estamos en el primer octante y desde $z^{2}+y^{2}=4$ sabemos que $z\leq 2$ por lo que nuestra desigualdad final es $0\leq z\leq 2$ .

Ahora tenemos nuestro volumen $V$ descrito en términos de tres desigualdades en coordenadas cartesianas, por lo que nuestra integral se convierte

$$Q=\int_{0}^{2}\int_{0}^{\sqrt{4-z^{2}}}\int_{0}^{\sqrt{4-y^{2}}}xdxdydz$$

Las dos primeras integrales son bastante fáciles;

$$ Q = \int_{0}^{2}\int_{0}^{\sqrt{4-z^{2}}}\int_{0}^{\sqrt{4-y^{2}}}xdxdydz = \frac{1}{2}\int_{0}^{2}\left(4\sqrt{4-z^{2}}-\frac{1}{3}(4-z^{2})^{\frac{3}{2}}\right)dz $$

La última se puede resolver con la sustitución trigonométrica $x=2\sin(\theta)$ (hazme saber si necesitas ayuda con esto), y es bastante desordenado. Sin embargo, se puede hacer, y el resultado final es $Q=\frac{3\pi}{2}$ .

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Maxim Puntos 146

El trazado de la región de integración ayuda mucho; hace que sea fácil ver cómo dividir el sólido en trozos suaves. Algebraicamente, uno puede notar que hay dos desigualdades, $x^2 + y^2 < 4$ y $y^2 + z^2 < 4$ y asumiendo $z < x$ o $z > x$ elimina uno de ellos. Entonces para el primer caso podemos cambiar a coordenadas cilíndricas $(x, y, z) = (r \cos t, r \sin t, z)$ y para el segundo caso a coordenadas cilíndricas $(x, y, z) = (x, r \sin t, r \cos t)$ , obteniendo $$\int_{\mathbb R^3} x \,[x^2 + y^2 < 4 \land y^2 + z^2 < 4 \land x > 0 \land y > 0 \land z > 0] \,dV = \\ \int_0^2 \int_0^{\pi/2} \int_0^{r \cos t} r^2 \cos t \,d z dt dr + \int_0^2 \int_0^{\pi/2} \int_0^{r \cos t} x r \,d x dt dr.$$

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