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Rotacional. Teorema de Stokes

Rotacional

DEFINIÇÃO

Seja F:R3→R3F: \R^3 \to \R^3 um campo vetorial de classe C1C^1.

Definimos o rotacional de FF, rot⁡F\rot F ( ou ∇×F\nabla \times F), como

rot⁡F=∇×F=∣e1e2e3∂∂x∂∂y∂∂zF1F2F3∣=(∂F3∂y−∂F2∂z,−∂F3∂x+∂F1∂z,∂F2∂x−∂F1∂y)\begin{aligned} \rot F = \nabla \times F &= \begin{vmatrix} e_1 & e_2 & e_3\\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z}\\ F_1 & F_2 & F_3 \end{vmatrix}\\ &=\left(\frac{\partial F_3}{\partial y}- \frac{\partial F_2}{\partial z}, -\frac{\partial F_3}{\partial x} + \frac{\partial F_1}{\partial z}, \frac{\partial F_2}{\partial x} - \frac{\partial F_1}{\partial y} \right) \end{aligned}

Como simples exemplos, podemos tomar os campos vetoriais F1F_1 e F2F_2,

F1(x,y,z)=(−y,x,z)F2(x,y,z)=(x2,3x2,y+z)\begin{array}{ll} F_1(x,y,z) = (-y,x,z) & F_2(x,y,z)=(x^2, 3x^2, y+z) \end{array}

e de seguida calcular os seus rotacionais:

rot⁡F1=∣e1e2e3∂∂x∂∂y∂∂z−yxz∣=(0,0,1+1)=(0,0,2)rot⁡F2=∣e1e2e3∂∂x∂∂y∂∂zx23x2y+z∣=(1,0,6x)\begin{aligned} \rot F_1 &= \begin{vmatrix} e_1 & e_2 & e_3\\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z}\\ -y & x & z \end{vmatrix} = (0,0, 1+1) = (0,0,2)\\ \rot F_2 &= \begin{vmatrix} e_1 & e_2 & e_3\\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z}\\ x^2 & 3x^2 & y+z \end{vmatrix} =(1,0,6x) \end{aligned}

Propriedades do Rotacional

  1. Seja um campo vetorial F∈C2F \in C^2, F:R3→R3F: \R^3 \to \R^3 e o seu rotacional rot⁡F:R3→R3\rot F: \R^3 \to \R^3, então

    div⁡(rot⁡F)=0\ondiv(\rot F) = 0
    Demonstração
    rot⁡F=(∂F3∂y−∂F2∂z,−∂F3∂x+∂F1∂z,∂F2∂x−∂F1∂y)\rot F =\left(\frac{\partial F_3}{\partial y}- \frac{\partial F_2}{\partial z}, -\frac{\partial F_3}{\partial x} + \frac{\partial F_1}{\partial z}, \frac{\partial F_2}{\partial x} - \frac{\partial F_1}{\partial y} \right)
    div⁡(rot⁡F)=∂∂x(∂F3∂y−∂F2∂z)+∂∂y(−∂F3∂x+∂F1∂z)+∂∂z(∂F2∂x−∂F1∂y)=0\begin{aligned} \ondiv(\rot F) &= \frac{\partial}{\partial x} \left(\frac{\partial F_3}{\partial y} - \frac{\partial F_2}{\partial z}\right)\\ &+ \frac{\partial}{\partial y} \left(-\frac{\partial F_3}{\partial x} + \frac{\partial F_1}{\partial z}\right)\\ &+ \frac{\partial}{\partial z} \left(\frac{\partial F_2}{\partial x} - \frac{\partial F_1}{\partial y}\right)\\ &= 0 \end{aligned}

    Se div⁡G≠0\ondiv G \ne 0, então GG não pode ser um rotacional.

  2. Se rot⁡F=(0,0,0)\rot F = (0,0,0), então FF é fechado, pois

    ∂F3∂y=∂F2∂z∂F3∂x=∂F1∂z∂F2∂x=∂F1∂y\begin{array}{lll} \frac{\partial F_3}{\partial y} = \frac{\partial F_2}{\partial z} & \frac{\partial F_3}{\partial x} = \frac{\partial F_1}{\partial z} & \frac{\partial F_2}{\partial x} = \frac{\partial F_1}{\partial y} \end{array}
  3. Se rot⁡F=0\rot F = 0 e domínio de FF for simplesmente conexo então F⃗\vec F é gradiente (e conservativo).

Orientação do Bordo de uma Superfície

Considerando uma superfície orientada SS em R3\R^3, em que ∂S\partial S é bordo da superfície (uma linha).

Podemos definir uma orientação para o bordo através da Regra da Mão Direita.

Colocando a mão direita com a palma voltada para a superfície e com o polegar a apontar no sentido da normal, ficamos com os dedos a apontar na orientação do bordo da superfície.

Podemos tomar como exemplos as superfícies SS e TT:

S={x2+y2+z2=1,z>0},n⃗z>0S = \{x^2 + y^2 + z^2 = 1, z > 0 \}, \quad \vec n_z > 0

Orientação do bordo de S pela regra da mão direita

T={x2+y2=1,0≤z≤1},normal exteriorT = \{x^2 + y^2 = 1 , 0 \leq z \leq 1 \}, \quad \text{normal exterior}

Orientação do bordo de T pela regra da mão direita

Teorema de Stokes

DEFINIÇÃO

Seja S⊂R3S \subset \R^3 uma superfície orientada e FF um campo vetorial C1C^1, então

∫Srot⁡F⋅n⃗=∫∂SF⃗ ⁣dg\int_S \rot F \cdot \vec n = \int_{\partial S} \vec F \d g

em que ∂S\partial S tem a orientação dada pela regra da mão direita.

Exemplos

Considere a superfície SS com normal n⃗\vec n com a primeira componente negativa e o campo vetorial SS,

S={x=−1+y2+z2,x≤0}F=(xy,zex,−y)\begin{array}{ll} S = \{ x = -1 + y^2 + z^2, x \leq 0 \} & F = (xy, ze^x, -y) \end{array}

Qual o valor de ∫Srot⁡F⋅n⃗\int_S \rot F \cdot \vec n?

Representação 3D da superfície S

A normal está apontada para fora da taça.

∂S={x=0,y2+z2=1}\partial S = \{ x = 0, y^2 + z^2 = 1 \} com orientação no sentido horário

∫Srot⁡F⋅n⃗=∫∂SF⃗ ⁣dg=∫∂S(0,z,−y) ⁣dg\int_S \rot F \cdot \vec n = \int_{\partial S} \vec F \d g = \int_{\partial S} (0, z , -y) \d g

Parametrizar:

{x=0y=cos⁡tz=sin⁡t\begin{cases} x = 0\\ y = \cos t\\ z = \sin t \end{cases}
g(t)=(0,cos⁡t,sin⁡t)g′(t)=(0,−sin⁡t,cos⁡t)F⃗(g(t))=(0,sin⁡t,−cos⁡t)F⃗(g(t))⋅g′(t)=−sin⁡2t−cos⁡2t=−1\begin{array}{ll} g(t) = (0, \cos t, \sin t) & g'(t) = (0, -\sin t, \cos t)\\ \vec F (g(t)) = (0, \sin t, -\cos t) & \vec F(g(t)) \cdot g'(t) = -\sin^2 t - \cos^2 t = -1 \end{array}

Como a orientação da parametrização é a errada,

∫∂SF⃗ ⁣dg=−∫02π−1 ⁣dt=2π\int_{\partial S} \vec F \d g = - \int_0^{2\pi} -1 \d t = 2\pi

Podemos fazer a seguinte observação:

Se F=rot⁡AF = \rot A e SS for uma superfície sem bordo, então, pelo Teorema de Stokes, temos que

∫SF⋅n⃗=∫Srot⁡A⋅n⃗=∫∂SA⋅ ⁣dg⃗=0\int_S F \cdot \vec n = \int_S \rot A \cdot \vec n = \int_{\partial S} A \cdot \d \vec g = 0

Conjunto Aberto Estrelado

DEFINIÇÃO

Seja A⊂RnA \subset \R^n um conjunto aberto. O conjunto AA diz-se em estrela (ou estrelado) se existir x0∈Ax_0 \in A (e.g. centro da estrela) tal que o segmento que une x0x_0 a qualquer ponto de A está contido em AA.

Qualquer conjunto aberto estrelado é um conjunto aberto simplesmente conexo (mas o contrário não é sempre verdade).

Exemplos:

Conjunto Estrelado e Não Estrelado

TEOREMA

Se G:D⊂R3→R3G: D \subset \R^3 \to \R^3 com div⁡G=0\ondiv G = 0 e o domínio de GG é um aberto em estrela, então existe F:R3→R3F: \R^3 \to \R^3 tal que

rot⁡F=G\rot F = G

Obter o Campo Vetorial de um Rotacional

Tomando G:R3→R3G: \R^3 \to \R^3 com div⁡G=0\ondiv G = 0, então, como R3\R^3 é um aberto em estrela, G=rot⁡FG = \rot F.

Como podemos calcular o potencial vetor de FF?
Seguimos os seguintes passos:

  1. Fazer um sistema com as componentes da definição de rotacional, igualadas ao valor conhecido do rotacional, isto é, GG.

    rotF=∇×F=∣e1e2e3∂∂x∂∂y∂∂zF1F2F3∣=(∂F3∂y−∂F2∂z,−∂F3∂x+∂F1∂z,∂F2∂x−∂F1∂y)rot F = \nabla \times F = \begin{vmatrix} e_1 & e_2 & e_3\\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z}\\ F_1 & F_2 & F_3 \end{vmatrix} = \left(\frac{\partial F_3}{\partial y} - \frac{\partial F_2}{\partial z}, - \frac{\partial F_3}{\partial x} + \frac{\partial F_1}{\partial z}, \frac{\partial F_2}{\partial x} - \frac{\partial F_1}{\partial y}\right)
    {∂F3∂y−∂F2∂z=G1∂F1∂z−∂F3∂x=G2∂F2∂x−∂F1∂y=G3\begin{cases} \frac{\partial F_3}{\partial y} - \frac{\partial F_2}{\partial z} = G_1\\ \frac{\partial F_1}{\partial z} - \frac{\partial F_3}{\partial x} = G_2\\ \frac{\partial F_2}{\partial x} - \frac{\partial F_1}{\partial y} = G_3 \end{cases}
  2. Se G=rot⁡FG = \rot F e ϕ:R3→R\phi: \R^3 \to \R

    rot⁡(F+∇ϕ)=rot⁡F+rot⁡(∇ϕ)=rot⁡F+0=G\rot (F + \nabla \phi) = \rot F + \rot (\nabla \phi) = \rot F + 0 = G
  3. Seja ϕ=−∫F1(x,y,z) ⁣dx\phi = - \int F_1 (x,y,z) \d x (isto é, ϕ\phi é o simétrico da primitiva de F1F_1 em ordem a xx)

    • rot⁡(F+∇ϕ)=G\rot(F + \nabla \phi) = G
    • A primeira coordenada de F+∇ϕF + \nabla \phi é F1+∂ϕ∂x=F1−F1=0F_1 + \frac{\partial \phi}{\partial x} = F_1 - F_1 = 0

    Logo, existe um potencial vetor com a primeira componente nula.
    O mesmo é válido com qualquer componente, pelo que sabemos que existe sempre pelo menos uma componente nula.

É mais fácil perceber através de um exemplo:

Exemplo

Seja o campo vetorial F(x,y,z)=(xey,−2ey,zey)F(x,y,z) = (x e^y, -2e^y, ze^y).

  1. Será que FF é um rotacional?

    • div⁡F=ey−2ey+ey=0\ondiv F = e^y - 2e^y + e^y = 0
    • Domínio de F=R3F = \R^3 é aberto em estrela

    Logo, FF é um rotacional.

  2. Qual o valor de AA tal que F=rot⁡AF = \rot A?

    Tomando, por exemplo, A2A_2 = 0,

    {∂A3∂y−∂A2∂z=xey∂A1∂z−∂A3∂x=−2ey∂A2∂x−∂A1∂y=zey⇔{∂A3∂y=xey−∂A1∂y=−zey⇔{A3=∫xey ⁣dy=xey+C1(x,z)(−ey+∂C2∂z)−(ey+∂C1∂x)=−2eyA1=−zey+C2(x,z)⇔{−−2ey+∂C2∂z−∂C1∂x=−2ey−⇔{−∂C2∂z=∂C1∂x−\begin{aligned} &\begin{cases} \frac{\partial A_3}{\partial y} - \frac{\partial A_2}{\partial z} = x e^y\\ \frac{\partial A_1}{\partial z} - \frac{\partial A_3}{\partial x} = -2e^y\\ \frac{\partial A_2}{\partial x} - \frac{\partial A_1}{\partial y} = z e^y \end{cases}\\ \Leftrightarrow & \begin{cases} \frac{\partial A_3}{\partial y} = x e^y\\ \huge -\\ \frac{\partial A_1}{\partial y} = - z e^y \end{cases}\\ \Leftrightarrow & \begin{cases} A_3 = \int x e^y \d y = x e^y + C_1(x,z)\\ (-e^y + \frac{\partial C_2}{\partial z}) - (e^y + \frac{\partial C_1}{\partial x}) = -2 e^y\\ A_1 = -z e^y + C_2(x,z) \end{cases}\\ \Leftrightarrow & \begin{cases} \huge -\\ -2e^y + \frac{\partial C_2}{\partial z} - \frac{\partial C_1}{\partial x}= -2 e^y\\ \huge - \end{cases}\\ \Leftrightarrow & \begin{cases} -\\ \frac{\partial C_2}{\partial z} = \frac{\partial C_1}{\partial x}\\ \huge - \end{cases} \end{aligned}

    Escolhendo C1=C2=0C_1 = C_2 = 0, temos A=(−zey,0,xey)A = (-z e^y, 0, xe^y)

  3. Considerando S={x2+z2=y2:1<y<2}S = \{x^2 + z^2 = y^2: 1 < y < 2\} e n⃗y<0\vec n_y < 0, qual o valor de ∫SF⋅n⃗\int_S F \cdot \vec n?

Representação 3D de S

Pelo Teorema de Stokes, sabemos que

∫SF⋅n⃗=∫Srot⁡A⋅n⃗=∫∂SA ⁣dg=∫C1A ⁣dg+∫C2A ⁣dg\int_S F \cdot \vec n = \int_S \rot A \cdot \vec n = \int_{\partial S} A \d g = \int_{C_1} A \d g + \int_{C_2} A \d g

C1:x2+z2=1,y=1C_1: x^2+z^2 = 1, y = 1

g(t)=(cos⁡t,1,sin⁡t)g′(t)=(−sin⁡t,0,cos⁡t)A(g(t))=(−esin⁡t,0,ecos⁡t)\begin{array}{ll} g(t) = (\cos t, 1, \sin t) & g'(t) = (-\sin t, 0, \cos t)\\ A(g(t)) = (-e \sin t, 0, e\cos t) & \end{array}
∫C1A ⁣dg=−∫02πA(g(t))⋅g′(t) ⁣dt=−2πe\int_{C_1} A \d g = - \int_0^{2 \pi} A(g(t)) \cdot g'(t) \d t = - 2\pi e

C2:x2+z2=4,y=2C_2: x^2+z^2 = 4, y = 2

g(t)=(2cos⁡t,2,2sin⁡t)g′(t)=(−2sin⁡t,0,2cos⁡t)A(g(t))=(−2e2sin⁡t,0,2e2cos⁡t)\begin{array}{ll} g(t) = (2\cos t, 2, 2\sin t) & g'(t) = (-2\sin t, 0, 2\cos t)\\ A(g(t)) = (-2e^2 \sin t, 0, 2e^2\cos t) & \end{array}
∫C2A ⁣dg=∫02πA(g(t))⋅g′(t) ⁣dt=∫02π4e2 ⁣dt=8πe2\int_{C_2} A \d g = \int_0^{2 \pi} A(g(t)) \cdot g'(t) \d t = \int_0^{2 \pi} 4 e^2 \d t = 8\pi e^2

Logo,

∫SF⋅n⃗=8πe2−2πe\int_S F \cdot \vec n = 8\pi e^2 - 2\pi e

Significado Geométrico de Rotacional

Sejam o campo vetorial FF e x0x_0,

F:R3→R3F∈C1x0∈R3\begin{array}{lll} F: \R^3 \to \R^3 & F \in C^1 & x_0 \in \R^3 \end{array}
∫Sϵrot⁡F⋅n⃗=∫∂SϵF ⁣dg\int_{S_{\epsilon}} \rot F \cdot \vec n = \int_{\partial S_{\epsilon}} F \d g
∫Sϵrot⁡F⋅n⃗≈rot⁡F(x0)⋅n⃗∫Sϵ1 ⁣dS=rot⁡F(x0)⋅n⃗  aˊrea(Sϵ)\int_{S_{\epsilon}} \rot F \cdot \vec n \approx \rot F(x_0) \cdot \vec n \int_{S_{\epsilon}} 1 \d S = \rot F(x_0) \cdot \vec n\ \text{ área}(S_{\epsilon})
rot⁡F(x0)⋅n⃗=lim⁡ϵ→01aˊrea(Sϵ)∫∂SϵF ⁣dg\rot F(x_0) \cdot \vec n = \lim_{\epsilon \to 0} \frac{1}{\text{área}(S_{\epsilon})} \int_{\partial S_{\epsilon}} F \d g

rot⁡F(x0)⋅n⃗\rot F(x_0) \cdot \vec n (o trabalho de FF) é máximo quando n⃗\vec n tem a mesma direção e sentido de rot⁡F(x0)\rot F(x_0)

A intensidade do trabalho de FF vai ser

rot⁡F(x0)⋅rot⁡F(x0)∣∣rot⁡F(x0)∣∣=∣∣rot⁡F(x0)∣∣2∣∣rot⁡F(x0)∣∣=∣∣rot⁡F(x0)∣∣\rot F(x_0) \cdot \frac{\rot F(x_0)}{|| \rot F(x_0)||} = \frac{||\rot F(x_0)||^2}{|| \rot F(x_0)||} = ||\rot F(x_0)||

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