Thomas 11ed , Capítulo 16 , Seção 16.7 , Exercício 18

Índice do Banco de Exercícios de Cálculo 3 -> Teorema de Stokes

Enunciado

Exercício 18

Use a integral de superfície no Teorema de Stokes para calcular o fluxo do rotacional do campo F através da superfície S na direção da normal n exterior, onde o campo F é dado por.

F(x,y,z)

e a superfície S é parametrizado por

r(phi,theta)

com phi no intervalo [0, e theta no intervalo [0, .

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Solução


A superfície S corresponde à parametrização, usando coordenadas esféricas, do hemisfério superior da esfera de raio 2 e centro na origem, conforme ilustra a figura abaixo, que ilustra ainda uma uma normal exterior n .

[Maple

O fluxo do rotacional do campo F através da superfície S na direção da normal n exterior é dado pela integral

e é necessário determinar as quantidades indicadas a seguir.

1) O rotacional do campo, que é dado por

Em um ponto r(phi,theta) da superfície, o rotacional é dado por

2) A normal unitária n . Como se trata de um hemisfério de raio 2, a normal unitária exterior é dada por

Em um ponto r(phi,theta) da superfície, a normal é dada por

3) O elemento de área dS. Esse elemento é dado pelo módulo do produto vetorial abs(abs(r[phi]*x*r[theta])) . Calculando, obtém-se que

Após esses cálculos, segue-se que

e portanto

Esse resultado pode ser verificado da seguinte maneira. Pelo teorema de Stoks, tem-se que

onde C é o bordo da superfícia S , orientado no sentido anti-horário. Como S é o hemisfério de raio 2, o seu bordo pode ser parametrizado por P(t) , com t no intervalo [0, . Assim,

em concordância com o resultado obtido anteriormente.


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Pablo Santiago


Publicado em: 31/08/2009
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