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
editar
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
editar
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
editar
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
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
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
editar
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
editar
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
↑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. ISBN9783540589631. Consultado el 29 de julio de 2024.
↑ abcP. M. Morse, H. Feshbach (1953). Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill.
↑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.
↑ abcdeP. 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. ISBN3-540-02732-7.
↑Wolfgang Werner (2019). Springer Vieweg Verlag, ed. Vektoren und Tensoren als universelle Sprache in Physik und Technik (Tensoralgebra und Tensoranalysis)1. Wiesbaden. ISBN978-3-658-25271-7. doi:10.1007/978-3-658-25272-4.
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. ISBN0-86720-293-9.
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). ISBN0-387-02732-7.
Convención inusual
editar
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. ISBN978-0-7506-2634-7. Utiliza coordenadas (ξ, η, ζ), que tienen las unidades de distancia al cuadrado.
Enlaces externos
editar
Descripción de MathWorld de las coordenadas elipsoidales confocales