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Flussi di campi vettoriali, il teorema di Stokes e ilteorema della divergenza

Riccarda Rossi

Universita di Brescia

Analisi II

Riccarda Rossi (Universita di Brescia) Flussi, Stokes, Divergenza Analisi II 1 / 96

Richiami di teoria• Sia S una superficie, con rappresentazione parametrica data da T ⇢ R2

e�!r : T ! R3, �!r = �!r (u, v) regolare.

Il versore normale a S e

�!n =1��

@�!r@u

⇥ @�!r@v

��

✓@�!r@u

⇥ @�!r@v

Flusso di un campo vettoriale attraverso SSia A ⇢ R3 aperto, �!r (T ) ⇢ A,

�!F : A ! R3 di classe C1. Il flusso di

attraverso S e ZZ

�!F ·�!n dS

con · il prodotto scalare.

Quindi

�!F ·�!n dS =

�!F (�!r (u, v)) ·

✓@�!r@u

(u, v)⇥ @�!r@v

(u, v)

◆du dv

• Nel caso di S in forma cartesiana

S : z = f (x , y), (x , y) 2 T ⇢ R2

�!n =1s

��@f

��2

��@f

��2

✓�@f

�!i 1 �

�!i 2 + 1

�!i 3

quindiZZ

�!F ·�!n dS

�!F (x , y , f (x , y)) ·

✓�@f

�!i 1 �

�!i 2 + 1

�!i 3

◆dx dy

Es. 1.Calcolare il flusso di

�!F (x , y , z) = xy

�!i 1 + xy

�!i 2 + z

�!i 3

attraverso

(z = 1� x2 � y2,

z � 0

Es. 2.Calcolare il flusso del rotore di

�!F (x , y , z) = y

�!i 1 + z

�!i 2 + x

�!i 3

attraverso

(z = 1� x2 � y2,

z � 0

Il teorema di Stokes

Sia S una superficie, con rappr. parametrica

�!r : T ! R3, �!r = �!r (u, v) regolare e semplice.

e sia� = @S (curva semplice, chiusa, reg. tratti)

percorsa lasciando a sinistra il versore normale a S , A ⇢ R3, e

�!F : A ! R3 di classe C1.

Si ha ZZ

�!F ) ·�!n dS =

�!F · d�

Si passa da un integrale di superficie a un integrale curvilineo!

Es. 3. (e ancora l’Es. 2.)Il flusso del rotore di

�!F (x , y , z) = y

�!i 1 + z

�!i 2 + x

�!i 3

attraverso

(z = 1� x2 � y2,

z � 0

Stokes: ZZ

�!rot(

�!F ) ·�!n dS =

�=@S

�!F · d�

qui: � : x2 + y2 = 1

Es. 4.Il flusso del rotore del campo

�!F (x , y , z) = y

�!i 1 + 2z

�!i 2 + 3x

�!i 3

attraverso

(x2 + y2 + z2 = 1

z � 0

Es. 5.

Il flusso del rotore del campo

�!F (x , y , z) = xy

�!i 1 + xy

�!i 2 + 0

�!i 3

attraverso la regione piana S = S1 [ S2, con

S1 =n(x , y) 2 R2 : 0 x 1, 0 y sin

⇣⇡2x⌘o

S2 =n(x , y) 2 R2 : 1 x

p2, 0 y

p2� x2

Applichiamo la formula di Stokes studiamo � = @S

�1 segmento fra (0, 0) e (p2, 0)

�2 arco circonf. x2 + y2 = 2 da (p2, 0) a (1, 1)

�3 curva y = sin�⇡2 x

�da (1, 1) a (0, 0)

Es. 5.Calcolare ZZ

�!F ·�!n dS

con �!F (x , y , z) = x2

�!i +

�!j + z

�!k ,

S e il triangolo di vertici (0, 0, 0), (1, 1, 0) e (0, 0, 1) ed �!n e la normale

tale che �!n ·�!i > 0.

Richiami di teoria: il teorema della divergenza

V ⇢ R3 chiuso e limitato

S = @V superficie regolare chiusa�!F : A ⇢ R3 ! R3,

�!F 2 C 1(A) con A insieme aperto, V ⇢ A.

Allora ZZZ

�!F ) dxdydz =

�!F ·�!n dS

ove �!n e versore normale esterno a S e

div(�!F ) =

+@F2@y

+@F3@z

Es. 6.Calcolare il flusso di

�!F (x , y , z) = xy

�!i 1 + xy

�!i 2 + z

�!i 3

attraverso la superf. S1 [ S2, dove

(z = 1� x2 � y2

z � 0e S2 :

(z = 0

x2 + y2 1

Es. 7.

Calcolare il flusso di

�!F (x , y , z) = y

�!i + x

�!j + z3

attraverso la superficie sferica S di centro (0, 0, 0) e raggio 2.

Applichiamo il Teorema della divergenzaZZ

�!F ·�!n dS =

�!F dxdydz

doveV = {(x , y , z) 2 R3 : x2 + y2 + z2 4} .

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