Ir al contenido principal

¿Cómo hallar el centro de masa de una lámina con integrales dobles? 1

A petición de un suscriptor y seguidor voy a mostrar dos ejercicios para el cálculo del centro de masa con integrales dobles, comencemos:

El primer ejercicio es:

1. Hallar el centro de masa de una lámina que tiene la forma de la región en el primer cuadrante limitada por la circunferencia $x^{2}+y^{2}=a^{2}$ y los ejes coordenados, la densidad varía con la suma de las distancias, desde las aristas rectas.

Primero vamos a representar el área, al cuál vamos a hallar el centro de masa (voy a utilizar Geogebra).

Dicha región en verde corresponde a un cuarto de circunferencia, así la forma de hallar el centro de masa está dada por las formulas:
\[\bar{x}=\frac{\int \int_R x\rho(x,y)dxdy}{\int \int_R \rho(x,y)dxdy}\quad \wedge\quad \bar{y}=\frac{\int \int_R y\rho(x,y)dxdy}{\int \int_R \rho(x,y)dxdy}\]
Antes de utilizar las expresiones anteriores debemos saber como es la forma de $\rho(x,y)$, y de acuerdo al enunciado corresponde a la suma de las distancias, así que la podemos expresar cómo:
\[\rho(x,y)=x+y\]
Para integrar sobre toda la lámina, pasamos a coordenadas polares de acuerdo a las leyes de transformación:
\[x=rcos\theta\quad\wedge\quad y=rsen\theta\]
Así $\rho(x,y)$ toma la forma:
\[\rho(x,y)=\rho(rcos\theta,rsen\theta)=r(cos\theta+sen\theta)\]
Y la integral respecto a $\rho(x,y)$ será:
\[\int \int_R\rho(x,y)dxdy=\int \int_R\rho(x(r,\theta),y(r,\theta))\begin{vmatrix}\frac{\partial (x,y)}{\partial(r,\theta)}\end{vmatrix}dr d\theta\] 
Dondé $\begin{vmatrix}\frac{\partial (x,y)}{\partial(r,\theta)}\end{vmatrix}$ corresponde al jacobiano que para este caso esta definido cómo:
\[\begin{vmatrix}\frac{\partial (x,y)}{\partial(r,\theta)}\end{vmatrix}=det\begin{vmatrix}\frac{\partial x}{\partial r} &\frac{\partial x}{\partial \theta} \\ \frac{\partial y}{\partial r} &\frac{\partial y}{\partial \theta}\end{vmatrix}=det\begin{vmatrix}cos\theta & -rsen\theta\\sen\theta &rcos\theta\end{vmatrix}=r\]
Así se transforma la doble integral desde coordenadas rectangulares a polares:
\[\int \int_R\rho(x,y)dxdy=\int\int\rho(rcos\theta,rsen\theta)rdrd\theta\]
El hecho de escoger coordenadas polares me facilita (en este caso) escoger los límites de integración, que corresponden en $\theta$ de $0$ a $\frac{\pi}{2}$ y en $r$ de $0$ a $a$, luego:
\[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}\rho(rcos\theta,rsen\theta)rdrd\theta\]
Primero hallamos la doble integral más sencilla, por lo que he visto la más sencilla es aquella donde sólo está $\rho$, y luego integramos la que viene acompañada por $x$ y $y$ (cambiando a coordenadas polares claramente)
\[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}r(cos\theta+sen\theta)rdrd\theta\]
De acuerdo al teorema de fubini el orden por el que vayamos a integrar no va a importar, así que integramos respecto a $r$ primero dejando a $\theta$ constante evaluando en los respectivos límites de integración y finalizando la integración respecto a $\theta$ evaluando finalmente en los límites de integración:
\[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\left[\int_{0}^{a}r^{2}(cos\theta+sen\theta)dr\right]d\theta\]
Realizando la integración fundamental de acuerdo a lo aprendido en los cursos de cálculo integral, con su respectiva evaluación en los límites:
\[\frac{a^{3}}{3}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}(cos\theta+sen\theta)d\theta\]
\[\int \int_R\rho(x,y)dxdy=\frac{2a^{3}}{3}\]
Ahora integramos aquellas dos expresiones que nos faltan (transformando a coordenadas polares):
\[\int \int_R x\rho(x,y)dxdy=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}rcos\theta\rho(rcos\theta,rsen\theta)rdrd\theta\]
\[=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}rcos\theta r(cos\theta+sen\theta)rdrd\theta\]
\[=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}r^{3}(cos^{2}\theta+cos\theta sen\theta)drd\theta\]
Aplicando el teorema de Fubini y realizando la evaluación de cada integral llegamos al resultado:
\[\int \int_R x\rho(x,y)dxdy=\frac{a^{4}}{4}\left[\frac{2\pi-4}{8}\right]\]
y finalmente integramos:
\[\int \int_R y\rho(x,y)dxdy=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}rsen\theta\rho(rcos\theta,rsen\theta)rdrd\theta\]
\[=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}rsen\theta r(cos\theta+sen\theta)rdrd\theta\]
\[=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int_{0}^{a}r^{3}(sen\theta cos\theta+ sen^{2}\theta+)drd\theta\]
Volviendo a aplicar el teorema de fubini y realizando la evaluación en cada integral llegamos al resultado:
\[\int \int_R y\rho(x,y)dxdy=\frac{a^{4}}{4}\left[\frac{4-2\pi}{8}\right]\]
Con los resultados podemos hallar finalmente el centro de masa de la lámina:
\[\bar{x}=\frac{\int \int_R x\rho(x,y)dxdy}{\int \int_R \rho(x,y)dxdy}\quad \wedge\quad \bar{y}=\frac{\int \int_R y\rho(x,y)dxdy}{\int \int_R \rho(x,y)dxdy}\]
Realizando el álgebra correspondiente obtenemos los siguientes dos valores:
\[\bar{x}=\frac{3a}{32}\left[\pi-2\right]\]
\[\bar{y}=\frac{3a}{32}\left[2-\pi\right]\]


Comentarios

Entradas populares de este blog

Problema de probabilidad 1

A un mono se le dan 9 bloques: 3 en forma de cuadrados ,3 como rectángulos y 3 como triángulos. si saca tres de cada clase en orden, es decir, tres triángulos, luego la misma cantidad de cuadrados y así sucesivamente. ¿ sospecharía usted que el mono asoció figuras que tengan forma idéntica?. calcule la probabilidad de este evento. Como tenemos 3 figuras, debemos tener en cuenta todas las posibles formas de organizarlas, Luego una forma de representar este orden es de la siguiente manera: Tomamos $C$ como Cuadrado, $R$ como Rectángulo, y $T$ como Triángulo \[CRT \quad RTC \quad TCR\] \[CTR \quad RCT \quad TRC\] Que corresponden a $6$ formas de organizar las tres figuras, este procedimiento se puede representar fácilmente con la operación factorial, para nuestro caso queda definido como: \[3!=3 \times 2 \times 1 = 6\] Luego por cada vez que el mono saca tres bloques, estos vendrán organizados de $3!$ formas, y como son 3 tandas de veces que el mono va a sacar cantidades

¿Cómo resolver la ecuación diferencial de un oscilador armónico simple con gravedad?

En este caso vamos a solucionar la ecuación diferencial para un oscilador armónico unidimensional que solo tiene el movimiento en el eje y, y además está en presencia de la gravedad, su ecuación diferencial es la siguiente: \[\ddot{y}+\omega^{2}y=g\] Esta es una ecuación diferencial no homogénea y la vamos a resolver por el método de variación de parámetros. Para este método necesitamos resolver la ecuación diferencial homogenea: \[\ddot{y}+\omega^{2}y=0\] Que ya la hemos resuelto en este enlace  aunque resuelta con la coordenada $x$, pero eso no va a importar, porque va a ser la misma solución, solo que cambiamos de $x$ a $y$: \[y(t)=c_{1}cos(\omega t)+c_{2}sen(\omega t)\] Para resolver la ecuación diferencial debemos hallar el wronskiano: \[W(f(t),g(t))=\begin{vmatrix}f(t) & g(t)\\f'(t) & g'(t)\end{vmatrix}\] Identificamos las funciones $f(t)=c_{1}cos(\omega t)$ y $g(t)=c_{2}sen(\omega t)$, hallamos las derivadas $f'(t)=-c_{1}\omega sen(\omega t)$ y $g'(t)=c_{

¿Cómo realizar una sustitución para integrar una función en términos de arcoseno?

La integral que queremos resolver es la siguiente: \[\sqrt{\frac{m}{2E}}\int \frac{dx}{\sqrt{1-\frac{1}{2}\frac{k}{E}x^{2}}}\] Realizamos un cambio de variable de la siguiente forma: \[\frac{k}{2E}x^{2}=y^{2}\] Para poder hallar la derivada sacamos raíz cuadrada a ambos términos: \[\sqrt{\frac{k}{2E}}x=y\] Sacamos las derivadas y obtenemos: \[\sqrt{\frac{k}{2E}}dx=dy\] Luego pasando el factor que multiplica el $dx$ al lado del dy: \[dx=\sqrt{\frac{2E}{k}}dy\] Por tanto la integral queda de la forma: \[\sqrt{\frac{m}{2E}}\sqrt{\frac{2E}{k}}\int\frac{dy}{\sqrt{1-y^{2}}}\] \[\sqrt{\frac{m}{k}}\int\frac{dy}{\sqrt{1-y^{2}}}\] Que corresponde a una integral de arcoseno, por lo tanto la respuesta nos queda como: \[\sqrt{\frac{m}{k}}\int\frac{dy}{\sqrt{1-y^{2}}}=\sqrt{\frac{m}{k}}arcsen(y)+C\] Deshaciendo el cambio de variable, obtenemos finalmente el resultado de nuestra integral: \[\sqrt{\frac{m}{2E}}\int \frac{dx}{\sqrt{1-\frac{1}{2}\frac{k}{E}x^{2}}}=\sqrt{\frac{m}{k}}arcse