Cálculo com vectores

A derivada dum vector de magnitude(módulo) constante é sempre perpendicular ao vector.

b · b = | b | 2 = const .    ⇒    | b | 2 t 2 b · b t = 0    ∴ b t b

Existe assim um vector velocidade angular ω b , perpendicular ao plano formado por b   e b t , de forma a poder-se escrever b t = ω b × b . Como | b t | = θ t | b | , conclui-se que | ω b |= θ t .

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Exemplo-1:

Quando se usam  coordenadas cilíndricas {ρ, θ,  z} (ditas polares no plano horizontal), o referencial formado em cada ponto { ρ o θ o z o } pelas direcções tangentes às curvas que se obtêem fazendo variar  uma das coordenadas do ponto, enquanto se mantêem as outras constantes, diz-se naturalmente adaptado a estas coordenadas. Para os movimentos dos versores de base deste referencial, pode-se definir um vector único ω c tal que:

ω c = θ t e z

e ρ t = ω c × e ρ = θ t e z × e ρ θ t e θ   ;   e θ t = ω c × e θ = θ t e z × e θ θ t e ρ   ;   e z t = ω c × e z 0

Exemplo-2:

No caso de se usarem coordenadas esféricas {r, θ, φ} no espaço, o movimento dos versores de base é controlado por um vector ω s . Neste caso:

ω s = ϕ t e z + θ t e ϕ ϕ t ( cos ( θ ) e r sin ( θ ) e θ ) + θ t e ϕ

e r t = ω s × e r = ϕ t sin ( θ ) e θ × e r + θ t e ϕ × e r ϕ t sin ( θ ) e ϕ + θ t e θ

e θ t = ω s × e θ = ϕ t cos ( θ ) e r × e θ + θ t e ϕ × e θ ϕ t cos ( θ ) e ϕ θ t e r

e ϕ t = ω s × e ϕ = ϕ t ( cos ( θ ) e r × e ϕ sin ( θ ) e θ × e ϕ ) ϕ t cos ( θ ) e θ ϕ t sin ( θ ) e r

Resumo das derivadas de versores móveis

e ρ t θ t e θ e θ t θ t e ρ e z t 0 Coord . Cilíndricas             e r t ϕ t sin ( θ ) e ϕ + θ t e θ e θ t ϕ t cos ( θ ) e ϕ θ t e r e ϕ t ϕ t cos ( θ ) e θ ϕ t sin ( θ ) e r Coord . Esféricas

Velocidade e aceleração

Decomposição radial transversal

r = | r | e r r e r      ;      v r t r t e r + | r | e r t r t e r + ω × r

v | v | = s t lim Δt 0 | Δ r | Δt

v = ρω = ( r t ) 2 + r 2 ( sin ( θ ) 2 ( ϕ t ) 2 + ( θ t ) 2 )

Decomposição tangente normal

v | v | e t v e t

a = v t = v t e t + Ω × v = a t e t + a n e       Curvatura κ e Raio de Curvatura ρ : κ =1ρ = | v × a | v 3 a n v 2

Ω ( r ) é um vector perpendicular ao plano osculador da trajectória no ponto r . A sua magnitude é | Ω | | ϕ t | .

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Curvatura e velocidade para curva 3D.

© Amaro Rica da Silva, Prof. Dep. Física-IST with Mathematica  (September 20, 2005) Valid XHTML 1.1!