Processing math: 90%

segunda-feira, 6 de junho de 2022

Determinação do potencial gravítico causado por um paralelepípedo

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=Gρl1l1l2l2l3l3dzdydx(xx)2+(yy)2+(zz)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

{xx=ξyy=ηzz=ζ

de modo a que o integral anterior possa ser colocado na forma

x+l1xl1y+l2yl2z+l3zl3dζdηdξξ2+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)=1rξ2r3η(ηr)=1rη2r3ζ(ζr)=1rζ2r3

e, portanto,

r=ξ(ξr)+η(ηr)+ζ(ζr)=2r

O integral escreve-se como

V=12Gρx+l1xl1y+l2yl2z+l3zl3(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+l1xl1y+l2yl2z+l3zl3ξ(ξr)dξdηdζI2=x+l1xl1y+l2yl2z+l3zl3η(ηr)dξdηdζI3=x+l1xl1y+l2yl2z+l3zl3ζ(ζr)dξdηdζ

Trocando a ordem de integração e aplicando o teorema fundamental do cálculo, vem

I1=12Gρy+l2yl2z+l3zl3[ξr]ξ=x+l1ξ=xl1dζdηI2=12Gρz+l1xl1z+l3zl3[ηr]η=y+l2η=yl2dζdξI3=12Gρx+l1xl1y+l2yl2[ζr]ζ=z+l3ζ=zl3dζdη

Observando que

η(ηr)+ζ(ζr)=2rη2+ζ2r=1rξ2r3

o integral I1 assume a forma

I1=12Gρy+l2yl2z+l3zl3[ξ(η(ηr)+ζ(ζr))]ξ=x+l1ξ=xl1dζdη++12Gρy+l2yl2z+l3zl3[ξ3r3]ξ=x+l1ξ=xl1dζdη

o qual, após aplicação do teorema fundamental do cálculo, se pode reduzir à soma de três parcelas

I1=I11+I12+I13

onde

I11=z+l3zl3[ηr]η=y+l2ξ=x+l1η=yl2ξ=xl1dζI12=y+l2yl2[ζr]ζ=z+l3ξ=x+l1ζ=zl3ξ=xl1dηI13=Gρy+l2yl2z+l3zl3[ξ3r3]ξ=x+l1ξ=xl1dζdη

Os integrais I11 e I12 são fáceis de determinar. Por exemplo,

I11=12Gρ=[1ξ2+η2arctan(ζξ2+η2)]ξ=x+l1η=y+l2ζ=z+l3ξ=xl1η=yl2ζ=zl3

O integral I12 é, em tudo, semelhante. Resta determinar o integral de superfície

I13=12Gρy+l2yl2z+l3zl3[ξ3(ξ2+η2+ζ2)32]ξ=x+l1ξ=xl1dζdη

Efectua-se a transformação

λ=ζ+ξ2+η2+ζ2

de onde,

λ22λζξ2η2=0

ou

ζ=λ2ξ2η22λ

e também

dζ=λ2+ξ2+η22λ2dλ

bem como

ξ2+η2+ζ2=λζ=λ2+ξ2+η22λ

A substituição no integral permite obter

I13=12Gρy+l2yl2z+l3zl3[4ξ3λ(λ2+ξ2+η2)2]ξ=x+l1ξ=xl1dζdη==Gρy+l2yl2[ξ3λ2+ξ2+η2]ξ=xl1λ=l3ξ=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.