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Coordenadas elípticas


Las coordenadas elípticas son un sistema bidimensional de coordenadas curvilíneas ortogonales en los que las líneas coordenadas son elipses confocales e hipérbolas. Los dos focos \({\displaystyle F_{1}}\) y \({\displaystyle F_{2}}\) están generalmente fijos en las posiciones \({\displaystyle x=-a}\) y \({\displaystyle x=+a}\), respectivamente, sobre el eje \({\displaystyle OX}\) de un sistema cartesiano cuyos ejes son ejes de simetría de las líneas coordenadas hiperbólicas y elípticas.

Las coordenadas elípticas cilíndricas son un sistema tridimensional obtenido haciendo rotar el sistema anterior alrededor del eje de focos y añadiendo una coordenada angular polar adicional.

Índice

Relación con Coordenadas Cartesianas


Para un espacio lR2
La transformación a coordenadas elípticas es un cambio en lR2 que viene dado por (x,y) = Φ (r,φ) donde:[1]

Φ: lR2 → lR2
(r,φ) → Φ (r,φ) = (ar cosφ, br sinφ)

donde a y b son constantes. Entonces:

x = a r cosφ
y = b r sinφ


Se puede apreciar que la transformación a elípticas no es más que la composición una transformación a polares seguida de una dilatación por un factor a según el eje x y por un factor b según el eje y. Por ello, es inyectiva en el mismo conjunto que la transformación a polares, es decir, en (0,∞) x [0,2π)

El jacobiano de la transformación es:

J Φ (r,φ) = abr

dA = J Φ (r,φ) = abr dr dφ

En un espacio lR3
Se define el sistema de coordenadas elipsoidales (x,y,z) = Φ (r,θ,φ) mediante las siguientes coordenadas de transformación:[2]

x = a r sinφ cosθ
y = b r sinφ sinθ
z = c r cosφ


El volumen de un elemento en coordenadas elipsoidales equivale al producto del jacobiano de la transformación, multiplicado por los tres diferenciales, y el Jacobiano es la fracción de las derivadas parciales de las coordenadas cartesianas por las derivadas parciales de las coordenadas elípticas, por lo que:

J Φ (r,φ,θ) = d(x,y,x)/d(r,φ,θ) = abc r2 cos2φsinφ + abc r2 sin3φ = abc r2 sinφ(cos2φ + sin2φ) = abc r2 sinφ

Por lo tanto:

dV = J Φ (r,φ,θ) = abc r2 sinφ dr dφ dθ

Definición


La definición más común de las coordenadas elípticas bidimensionales \({\displaystyle (\mu ,\nu )}\) es:

\({\displaystyle {\begin{cases}x=a\ \cosh \mu \ \cos \nu \\y=a\ \sinh \mu \ \sin \nu \end{cases}}}\)

Donde:

\({\displaystyle \mu \,}\) es un número real no negativo y
\({\displaystyle \nu \in [0,2\pi )\,}\).

En el plano complejo, existe una relación equivalente dada por:

\({\displaystyle x+iy=a\ \cosh(\mu +i\nu )}\)

Estas definiciones corresponde a elipses e hipérbolas. La identidad trigonométrica:

\({\displaystyle {\frac {x^{2}}{a^{2}\cosh ^{2}\mu }}+{\frac {y^{2}}{a^{2}\sinh ^{2}\mu }}=\cos ^{2}\nu +\sin ^{2}\nu =1}\)

muestra que las curvas con \({\displaystyle \mu \,}\) constante son elipses, mientras que las la identidad trigonométrica hiperbólica:

\({\displaystyle {\frac {x^{2}}{a^{2}\cos ^{2}\nu }}-{\frac {y^{2}}{a^{2}\sin ^{2}\nu }}=\cosh ^{2}\mu -\sinh ^{2}\mu =1}\)

muestra que las curvas con \({\displaystyle \nu \,}\) constante son hipérbolas.

Aplicaciones


Las aplicaciones clásicas de las coordenadas elípticas son resolución de ecuaciones en derivadas parciales como la ecuación de Laplace o la ecuación de Helmholtz, para las que las coordenadas elípticas admiten separación de variables. Un ejemplo típico es la carga eléctrica que rodea a un conductor plano de anchura 2a. O el campo de dos cargas eléctricas puntuales del mismo signo a una distancia 2a.

Véase también


Referencias











Categorías: Sistemas de coordenadas




A partir de: 04.12.2020 03:27:01 CET

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