Enunciado

A água do mar tem densidade 1025   k g / m 3 e escoa com velocidade v = y i + x j , onde x , y   e   z são medidas em metros e as componentes de v em metros por segundo. Encontre a taxa de vazão para fora do hemisfério x 2 + y 2 + z 2 = 9 ,   z ≥ 0 .

Passo 1

E aiii galera, belezinha!? Vamos nessa!

Vamos entender com calma a questão, beleza!

Precisamos determinar a taxa de vazão de água do mar (com densidade 1025   k g / m 3 ) que escoa com velocidade v = y i + x j para fora do hemisfério:

x 2 + y 2 + z 2 = 9 ,   z ≥ 0 .

Galera, quando tratamos de vazões, se soubermos o valor da densidade em qualquer ponto e a velocidade nesse mesmo ponto, a taxa de vazão da substância através de uma superfície S pode ser dada por:

∬ F . d S

onde F = ρ x , y , z v ( x , y , z ) e S é orientada positivamente.

Nessa questão, a densidade da água do mar é ρ = 1025   k g / m 3 e a velocidade de escoamento é v = y i + x j . Portanto,

F = 1025 ( y i + x j )

Como se trata de uma esfera de raio 3, podemos ter a seguinte parametrização:

Um ponto de bastante atenção aqui, porque ele deixa claro que quer a parte do hemisfério z ≥ 0 . Assim, temos que:

0 ≤ u ≤ 2 π

0 ≤ v ≤ π 2

Agora já podemos colocar mão na massa! Bora lá!

Passo 2

Vamos começar lembrando da parametrização da esfera.

S : r u , v = 3 sen ⁡ v cos ⁡ u i + 3 sen ⁡ v sen ⁡ u j + 3 cos ⁡ v k

Onde,

0 ≤ u ≤ 2 π

0 ≤ v ≤ π 2

A integral que devemos calcular é a seguinte:

∬ F . d S

E sabemos que:

F = 1025 ( y i + x j )

Parametrizando F , vamos ter:

F r u , v = 1025 3 sen ⁡ v sen ⁡ u i + 3 sen ⁡ v cos ⁡ u j

Notemos que podemos expressar a integral desse jeito:

∬ F . d S = ∬ F . n d S

onde n é o vetor unitário normal e d S = r u × r v d A .

O fluxo através da superfície é definido somente se a superfície for orientável. Note que se a superfície é orientável, terão dois vetores normais em todos os pontos. Podemos escrever:

d S = n d A = ± r u × r v r u × r v   r u × r v d A = ± r u × r v d A

Onde, r u × r v representa um produto vetorial das derivadas parciais de r em relação a u e v .

Passo 3

Agora, vamos calcular as derivadas parciais de r .

r u = d r d u = - 3 sen ⁡ v sen ⁡ u i + 3 sen ⁡ v cos ⁡ u j

r v = d r d v = 3 cos ⁡ v cos ⁡ u i + 3 cos ⁡ v sen ⁡ u j - 3 sen ⁡ v k

Calculando o produto vetorial na forma matricial:

r u × r v = i j k - 3 sen ⁡ v sen ⁡ u 3 sen ⁡ v cos ⁡ u 0 3 cos ⁡ v cos ⁡ u 3 cos ⁡ v sen ⁡ u - 3 sen ⁡ v

Aplicando o determinante vamos ter como resposta:

r u × r v = - 9 sen 2 ⁡ v cos ⁡ u i - 9 sen 2 ⁡ v sen ⁡ u - 9 sen ⁡ v cos ⁡ v k

Logo, d S é:

d S = - r u × r v d A = 3 sen ⁡ v 3 sen ⁡ v cos ⁡ u i + 3 sen ⁡ v sen ⁡ u j + 3 cos ⁡ v k d A

Agora é só substituir na integral!

Passo 4

Substituindo na integral, vamos ter:

∬ 1025 3 sen ⁡ v sen ⁡ u i + 3 sen ⁡ v cos ⁡ u j ∙ 3 sen ⁡ v 3 sen ⁡ v cos ⁡ u i + 3 sen ⁡ v sen ⁡ u j + 3 cos ⁡ v k d A

Resolvendo o produto escalar e simplificando o máximo possível, vamos ter:

3075 ∬ 2 s e n 3 ⁡ v s e n ⁡ u cos ⁡ u d A

3075 ∬ s e n 3 ⁡ v s e n ⁡ 2 u d A

O segredo para chegar nessa expressão reduzida, é utilizar a relação trigonométrica a seguir:

s e n 2   x + cos 2 ⁡ x = 1

s e n   2 x = 2 cos ⁡ x s e n   x

Agora nosso objetivo é resolver a integral. Mas antes vamos substituir os intervalos de integração da superfície:

0 ≤ u ≤ 2 π

0 ≤ v ≤ π 2

Assim, temos:

3075 ∫ 0 2 π ∫ 0 π 2 s e n 3 ⁡ v s e n ⁡ 2 u d v d u

Passo 5

Observe que os termos u e v são independentes um do outro. Isso nos permite escrever a integral desse jeito:

3075 ∫ 0 2 π s e n ⁡ 2 u d u ∫ 0 π 2 s e n 3 ⁡ v d v

Assim, podemos resolver as integrais separadas e simultaneamente. E obtemos a resposta apenas multiplicando o resultado de cada integral.

Um recurso muito utilizado, quando é possível separar as variáveis de integração.

Na primeira integral, devemos fazer uma substituição do tipo:

x = 2 u

d x 2 = d u

Para a segunda devemos escrever da seguinte forma:

s e n   v   s e n 2   v

E substituir s e n 2   pela relação:

s e n 2   x = 1 - cos 2 ⁡ x

Fazendo isso, a integral fica:

3075 ∫ 0 2 π sen ⁡ x d x 2 ∫ 0 π 2 s e n   v ( 1 - cos 2 ⁡ v ) d v

A primeira integral esta tranquila de resolver. Já na segunda, vamos ter que separar as integrais e aplicar uma substituição:

3075 ∫ 0 2 π sen ⁡ x d x 2 ∫ 0 π 2 s e n   v   d v + ∫ 0 π 2 - s e n   v cos 2 ⁡ v d v

Vamos fazer a substituição do tipo:

w = cos ⁡ v

d w = - s e n   v   d v

Agora, ficamos com:

3075 ∫ 0 2 π sen ⁡ x d x 2 ∫ 0 π 2 s e n   v   d v + ∫ 0 π 2 w 2 d w

Passo 6

Integrando tudo e voltando para as variáveis u e v , vamos ter:

3075 - cos ⁡ 2 u 2 0 2 π cos ⁡ v + cos 3 ⁡ v 3   0 π 2

Observe uma coisa. Vamos aplicar os limites de integração apenas no primeiro termo, desse jeito:

3075 - cos ⁡ 2 2 π 2 + cos ⁡ 2 0 2 cos ⁡ v + cos 3 ⁡ v 3   0 π 2

Resolvendo, temos que:

3075 - 1 2 + 1 2 cos ⁡ v + cos 3 ⁡ v 3   0 π 2

Repare que deu zero o valor da primeira integral, logo concluímos que o fluxo vai ser zero. Nem precisa a gente aplicar os limites de integração dos demais termos.

A taxa de vazão é igual a:

V a z ã o = 0

Resposta

V a z ã o = 0

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