Coordenadas elipsoidales

Summary

Las coordenadas elipsoidales[1]​ son un sistema de referencia tridimensional ortogonal, que generaliza el sistema de coordenadas elípticas bidimensional. A diferencia de la mayoría de los sistemas de coordenadas tridimensionales ortogonales que emplean funciones cuadráticas, el sistema de coordenadas elipsoidales se basa en secciones cónicas confocales.

Superficies coordenadas del sistema de coordenadas elipsoidal (η,θ,λ) con a=60 y b=40. El elipsoide azul corresponde a η=70, el hiperboloide rojo de una hoja corresponde a θ=50 y el hiperboloide amarillo de dos hojas corresponde a λ=30

Fórmulas básicas

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Sistema de coordenadas elipsoidal triaxial

Las coordenadas cartesianas   se pueden obtener a partir de las coordenadas elipsoidales   mediante las ecuaciones

 
 
 

donde se aplican los siguientes límites a las coordenadas

 

En consecuencia, las superficies de   constante son elipsoides

 

mientras que las superficies de   constante son hiperboloides de una hoja

 

porque el último término en la parte izquierda de la ecuación es negativo, y las superficies de   constante son hiperboloides de dos hojas

 

porque los dos últimos términos en la parte izquierda de la ecuación son negativos.

El sistema ortogonal de cuádricas utilizado para las coordenadas elipsoidales es confocal.

Para que esto sea posible, se debe cumplir que

 

Los cuadrados de las coordenadas se pueden determinar a partir de las tres ecuaciones anteriores:

 

Las coordenadas se pueden representar con las tres funciones jacobianas básicas  , seno–, coseno– o delta ampliada con el módulo elíptico   y el parámetro complementario   en función de tres parámetros α, β y γ:[2]: 663 

 

En esta representación debe recordarse que θ≥0 y que  .

Factores métricos, trayectoria y elementos de área y volumen

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Los vectores de una base covariante de la forma   se expresan como

 

que como es lógico son perpendiculares entre sí, y en este orden forman un sistema ortogonal.[3]​ Los factores métricos son las dimensiones de los vectores de base covariantes:[2]: 663 

 

En consecuencia, el sistema de coordenadas elipsoidal ortogonal es

 

Los elementos de arco, área y volumen dan como resultado:[4]: 18 [5]: 392 

 

Factores de escala y operadores diferenciales

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Para abreviar las ecuaciones siguientes, se introduce la función

 

donde   puede representar cualquiera de las tres variables  . Usando esta función, los factores de escala pueden escribirse como

 
 
 

Por lo tanto, el elemento de volumen infinitesimal es igual a

 

y el laplaciano se define por

 

Otros operadores diferenciales como   y   pueden expresarse en las coordenadas   sustituyendo los factores de escala en las fórmulas generales que se encuentran en el artículo dedicado a las coordenadas ortogonales.

Solución de las ecuaciones de Laplace y de Helmholtz

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En coordenadas elipsoidales es posible emplear el método de separación de variables para resolver la ecuación de Laplace y la ecuación de Helmholtz.

Enfoque de Moon y Spencer

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El punto de partida para el procedimiento es la matriz de Stäckel[4]: 41 

 

con el determinante

 

y los menores

 .

Esto significa que las condiciones necesarias y suficientes para una fácil separabilidad están de acuerdo con la ecuación escalar de Helmholtz

 

y

 

Los factores de separación   y las constantes de separación   se determinan a partir de[4]: 43 

 

En la ecuación de Helmholtz   con   y en la ecuación de Laplace se cumple para  .[4]: 6 

Enfoque de Morse y Feshbach

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Otro enfoque[2]: 663  utiliza la matriz de Stäckel

 

con el determinante

 

y los menores

 .

Los factores de separación   y las constantes de separación   resultan de las ecuaciones diferenciales

 

Aquí también,   hace que   para la ecuación de Helmholtz, y   lo hace para la ecuación de Laplace.[4]: 6 

Si   se reemplaza por   y   por  , surgen las mismas ecuaciones diferenciales del enfoque de Moon y Spencer. Las ecuaciones diferenciales determinadas con ambos métodos solo se diferencian en el tamaño de la constante de separación  .

Parametrización angular

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Existe una parametrización alternativa que sigue de manera parecida la parametrización angular de las coordenadas esféricas:[6]

 
 
 

Aquí,   parametriza los elipsoides concéntricos alrededor del origen y   y   son los ángulos polares y azimutales habituales de las coordenadas esféricas, respectivamente. El elemento de volumen correspondiente es

 

Véase también

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Referencias

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  1. Dino Boccaletti, Prof. Giuseppe Pucacco (2003). Theory of Orbits: Volume 1: Integrable Systems and Non-perturbative Methods. Springer Science & Business Media. pp. 325 de 392. ISBN 9783540589631. Consultado el 29 de julio de 2024. 
  2. a b c P. M. Morse, H. Feshbach (1953). Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill. 
  3. En Moon y Spencer (1971), p. 40, los componentes x y z se intercambian en comparación con la representación de Morse y Feshbach (1953), p. 663.
  4. a b c d e P. Moon, D.E. Spencer (1971). Field Theory Handbook (Including Coordinate Systems, Differential Equations and Their Solutions). 2. Aufl. Berlín, Heidelberg, Nueva York: Springer Verlag. p. 3 ff. ISBN 3-540-02732-7. 
  5. Wolfgang Werner (2019). Springer Vieweg Verlag, ed. Vektoren und Tensoren als universelle Sprache in Physik und Technik (Tensoralgebra und Tensoranalysis) 1. Wiesbaden. ISBN 978-3-658-25271-7. doi:10.1007/978-3-658-25272-4. 
  6. «Ellipsoid Quadrupole Moment». 

Bibliografía

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  • Morse PM, Feshbach H (1953). Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill. p. 663. 
  • Zwillinger D (1992). Handbook of Integration. Boston, MA: Jones and Bartlett. p. 114. ISBN 0-86720-293-9. 
  • Sauer R, Szabó I (1967). Mathematische Hilfsmittel des Ingenieurs. New York: Springer Verlag. pp. 101—102. LCCN 67025285. 
  • Korn GA, Korn TM (1961). Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill. p. 176. LCCN 59014456. 
  • Margenau H, Murphy GM (1956). The Mathematics of Physics and Chemistry. New York: D. van Nostrand. pp. 178—180. LCCN 55010911. 
  • Moon PH, Spencer DE (1988). «Ellipsoidal Coordinates (η, θ, λ)». Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions (corrected 2nd, 3rd print edición). New York: Springer Verlag. pp. 40—44 (Table 1.10). ISBN 0-387-02732-7. 

Convención inusual

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  • Landau LD, Lifshitz EM, Pitaevskii LP (1984). Electrodynamics of Continuous Media (Volume 8 of the Course of Theoretical Physics) (2nd edición). New York: Pergamon Press. pp. 19—29. ISBN 978-0-7506-2634-7.  Utiliza coordenadas (ξ, η, ζ), que tienen las unidades de distancia al cuadrado.

Enlaces externos

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  • Descripción de MathWorld de las coordenadas elipsoidales confocales
  •   Datos: Q1332363
  •   Multimedia: Elliptic coordinates / Q1332363