Teoria: Flusso, teorema della divergenza e teorema del rotoreIl flusso di F attraverso una superficie orientata è ∬ F·n dσ = ∬ F(r)·(r_u ∧ r_v) du dv (grafico: ∬ F·(−f_x,−f_y,1) dx dy). Teorema della divergenza: per un solido Ω il flusso uscente da ∂Ω è ∭ div F; nel piano ∬ div F = ∮ F·n ds. Teorema del rotore (Stokes): ∬ rot F·n dσ = ∮ F·T ds sul bordo orientato; su una superficie chiusa il flusso del rotore è 0. Da div rot F = 0 vengono i campi solenoidali e il potenziale vettore.Flusso, teorema della divergenza e teorema del rotore →.
Testo
Sia F(x,y,z)=(x,y,z2) e Ω={(x,y,z): −1≤z≤−x2−y2}. Sia S=∂Ω con normale uscente.
(ia) Disegnare Ω e calcolare il flusso uscente da S con la definizione.
(ib) Calcolare lo stesso flusso con il teorema della divergenza.
(iia) Calcolare il flusso di rotF uscente dalla sola parte parabolica S2 usando il teorema di Stokes.
(iib) Calcolare lo stesso flusso direttamente.
Soluzione
La geometria. Ω sta sotto il paraboloide z=−x2−y2 (vertice nell'origine, concavità verso il basso) e sopra il piano z=−1; l'intersezione è la circonferenza x2+y2=1, z=−1. Il bordo è S=S1∪S2: S1 è il disco di base z=−1 (normale uscente −e3), S2 è la calotta parabolica (normale uscente verso l'alto). Sul piano xy si proietta nel disco V={x2+y2≤1}.
Grafico interattivo: Sezione di Ω nel piano (x, z): sotto z = −x², sopra z = −1
(ia) Flusso con la definizione
Base S1. Parametrizzata da (x,y,−1) su V, con ne=(0,0,−1) e dσ=dxdy. Il campo vale (x,y,1) e F⋅ne=−1, quindi Φ1=−area(V)=−π.
Calotta S2. È il grafico di f=−x2−y2; la normale uscente è verso l'alto, N=(−fx,−fy,1)=(2x,2y,1). Il campo sulla calotta è F=(x,y,(x2+y2)2) e
F⋅N=2x2+2y2+(x2+y2)2=2ρ2+ρ4.
In polari, Φ2=∫02π∫01(2ρ2+ρ4)ρdρdθ=2π(42+61)=2π⋅32=34π.
Totale: Φ=−π+34π=3π.
(ib) Con il teorema della divergenza
divF=1+1+2z=2+2z. Per fili (z da −1 a −ρ2):
∫−1−ρ2(2+2z)dz=[2z+z2]−1−ρ2=(−2ρ2+ρ4)−(−1)=1−2ρ2+ρ4.
Φ=∫02π∫01(1−2ρ2+ρ4)ρdρdθ=2π(21−21+61)=3π,
lo stesso valore, con un calcolo solo.
(iia) Flusso del rotore su S2 con Stokes
S2 è una superficie con bordo: la circonferenza x2+y2=1, z=−1. Con la normale verso l'alto, il bordo orientato positivamente è antiorario visto dall'alto: r(t)=(cost,sint,−1), r′=(−sint,cost,0). Il campo lungo di essa è (cost,sint,1) e
F⋅r′=−costsint+sintcost=0,
quindi Φ2rot=∮F⋅dr=0.
(iib) Direttamente
rotF=(∂y(z2)−∂z(y), ∂z(x)−∂x(z2), ∂x(y)−∂y(x))=(0,0,0): il campo è irrotazionale su R3, quindi il flusso del rotore è 0 su qualunque superficie, in accordo con (iia).
Risultati. Φ=3π (con entrambi i metodi), flusso del rotore su S2 uguale a 0.