No que se segue, serão dadas as linhas gerais para o cálculo do potencial gravítico causado por um paralelepípedo de densidade ρ. Este método seguirá de perto aquele apresentado no artigo Exterior gravitation of a polyhedron derived an compared with harmonic and mascon gravitation representations of Asteroid 4769 Castalia. Não é difícil concluir que o pontencial gravítico externo causado por um paralelepípedo de matéria é dado pelo integral triplo
V=Gρ∫l1−l1∫l2−l2∫l3−l3dz′dy′dx′√(x−x′)2+(y−y′)2+(z−z′)2
Aqui G representa a constante de gravitação e ρ, a densidade de matéria, assumida como constante ao longo do paralelepípedo. Aplica-se a substituição
{x−x′=ξy−y′=ηz−z′=ζ
de modo a que o integral anterior possa ser colocado na forma
∫x+l1x−l1∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3dζdηdξ√ξ2+η2+ζ2
Denota-se por r=√ξ2+η2+ζ2 e define-se o vector
→r=1r(ξ,η,ζ)
Não é difícil verificar que
{∂∂ξ(ξr)=1r−ξ2r3∂∂η(ηr)=1r−η2r3∂∂ζ(ζr)=1r−ζ2r3
e, portanto,
∇→r=∂∂ξ(ξr)+∂∂η(ηr)+∂∂ζ(ζr)=2r
O integral escreve-se como
V=12Gρ∫x+l1x−l1∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3(∂∂ξ(ξr)+∂∂η(ηr)+∂∂ζ(ζr))
Poder-se-ia aqui recorrer ao teorema da divergência para reduzir o integral de volume a um integral de superfície. No entanto, será aqui seguida uma abordagem diferente. O integral divide-se em três parcelas, nomeadamente,
I=I1+I2+I3
onde
I1=∫x+l1x−l1∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3∂∂ξ(ξr)dξdηdζI2=∫x+l1x−l1∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3∂∂η(ηr)dξdηdζI3=∫x+l1x−l1∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3∂∂ζ(ζr)dξdηdζ
Trocando a ordem de integração e aplicando o teorema fundamental do cálculo, vem
I1=12Gρ∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3[ξr]ξ=x+l1ξ=x−l1dζdηI2=12Gρ∫z+l1x−l1∫z+l3z−l3[ηr]η=y+l2η=y−l2dζdξI3=12Gρ∫x+l1x−l1∫y+l2y−l2[ζr]ζ=z+l3ζ=z−l3dζdη
Observando que
∂∂η(ηr)+∂∂ζ(ζr)=2r−η2+ζ2r=1r−ξ2r3
o integral I1 assume a forma
I1=12Gρ∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3[ξ(∂∂η(ηr)+∂∂ζ(ζr))]ξ=x+l1ξ=x−l1dζdη++12Gρ∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3[ξ3r3]ξ=x+l1ξ=x−l1dζdη
o qual, após aplicação do teorema fundamental do cálculo, se pode reduzir à soma de três parcelas
I1=I11+I12+I13
onde
I11=∫z+l3z−l3[ηr]η=y+l2ξ=x+l1η=y−l2ξ=x−l1dζI12=∫y+l2y−l2[ζr]ζ=z+l3ξ=x+l1ζ=z−l3ξ=x−l1dηI13=Gρ∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3[ξ3r3]ξ=x+l1ξ=x−l1dζdη
Os integrais I11 e I12 são fáceis de determinar. Por exemplo,
I11=12Gρ=[1√ξ2+η2arctan(ζ√ξ2+η2)]ξ=x+l1η=y+l2ζ=z+l3ξ=x−l1η=y−l2ζ=z−l3
O integral I12 é, em tudo, semelhante. Resta determinar o integral de superfície
I13=12Gρ∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3[ξ3(ξ2+η2+ζ2)32]ξ=x+l1ξ=x−l1dζdη
Efectua-se a transformação
λ=ζ+√ξ2+η2+ζ2
de onde,
λ2−2λζ−ξ2−η2=0
ou
ζ=λ2−ξ2−η22λ
e também
dζ=λ2+ξ2+η22λ2dλ
bem como
√ξ2+η2+ζ2=λ−ζ=λ2+ξ2+η22λ
A substituição no integral permite obter
I13=12Gρ∫y+l2y−l2∫z+l3z−l3[4ξ3λ(λ2+ξ2+η2)2]ξ=x+l1ξ=x−l1dζdη==−Gρ∫y+l2y−l2[ξ3λ2+ξ2+η2]ξ=x−l1λ=l′3ξ=x+l1λ=l3″
A aplicação da transformação inversa permite obter o integral
I_{13}=\int_{y-l_2}^{y+l_2}\left\lbrack\frac{\xi^3\zeta}{\left(\xi^2+\eta^2\right)\sqrt{\xi^2+\eta^2+\zeta^2}}\right\rbrack_{\begin{array}{l}\xi=x-l_1\\ \zeta=z-l_3\end{array}}^{\begin{array}{l}\xi=x+l_1\\ \zeta=z+l_3\end{array}}d\eta
O mesmo método acima aplicado permite determinar
I_{13}=\left\lbrack\xi^2\arctan{\frac{\eta\sqrt{\xi^2+\eta^2+\zeta^2}+\xi^2+\eta^2}{\xi\zeta}}\right\rbrack_{\begin{array}{l}\xi=x-l_1\\ \eta=y-l_2\\ \zeta=z-l_3\end{array}}^{\begin{array}{l}\xi=x+l_1\\ \eta=y+l_2\\ \zeta=z+l_3\end{array}}
Os demais integrais são em tudo semelhantes, obtendo-se uma expressão algo elaborada para o valor do potencial do cubo.