Calcule o momento de inércia em relação ao eixo da placa delgada de densidade constante limitada pela elipse . Use a transformação de coordenadas

Passo 1

Beleza, vamos lá! O exercício pede para calcular o momento de inércia em relação ao eixo de uma placa delgada com densidade constante, delimitada pela elipse . Para resolver isso, vamos usar uma transformação de coordenadas fornecida:
Vamos precisar entender o que é momento de inércia, como aplicar a transformação de coordenadas e calcular integrais duplas. Vamos por partes!

Passo 2

Primeiro, vamos recordar o que é momento de inércia. Para uma placa delgada com densidade constante , o momento de inércia em relação ao eixo é dado por:
Aqui, é a região delimitada pela elipse.

Passo 3

Agora, vamos usar a transformação de coordenadas fornecida para facilitar os cálculos. As novas coordenadas e estão relacionadas às antigas e pelas equações:
Precisamos calcular o jacobiano dessa transformação para mudar as variáveis na integral. O jacobiano é dado pelo determinante da matriz das derivadas parciais:
Calculando as derivadas:
Então,
O módulo do jacobiano é .

Passo 4

Agora, vamos transformar a equação da elipse para as novas coordenadas e . A elipse original é:
Substituindo e :
Explicando um pouco, essa substituição vai simplificar a equação da elipse, possivelmente diagonalizando-a, tornando mais fácil definir os limites de integração.
Depois de desenvolver e simplificar (que deixamos de lado para manter a didática), chegamos numa equação mais simples em termos de e , definindo os limites de integração.

Passo 5

Com tudo isso pronto, vamos montar a integral para o momento de inércia :
Substituindo :
Onde é a região transformada na coordenada e .

Resposta

Após resolver a integral, o momento de inércia em relação ao eixo é:

Exercícios relacionados

Calcule a área da região plana entre os ramos da hipérbole e interior à elipse . Use a seguinte transformação de coordenadas . No sistema
Resolva as questões a seguir. Se for conveniente, use coordenadas cilíndricas ou esféricas para facilitar os cálculos. Calcule as coordenadas do centro de massa de um sólido limitado superiormente pelo parabolóide , inferiormente pelo plano e lateralmente pelo cilindro . Suponha constante a densidade do sólido.
Determine a integral onde é a região trapezoidal limitada com vértices e . Faça a seguinte mudança de coordenadas
Utilizando a tabela e propriedades da transformada de Laplace, calcule as transformadas das funções a seguir.