Divergencia de Un Tensor 1.0
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Divergencia de un tensor Luis Roberto Ríos Álvarez
Facultad de Ciencias, UNAM
Relatividad
Introducción.
El propósito de este trabajo es describir el Teorema de la Divergencia para tensores,
explicando primero el mismo teorema para un campo vectorial y repasar términos como
flujo y la derivada covariante de un tensor. Todo esto de la manera más clara posible sin
demostrar de manera formal y contundente todas las definiciones que se muestren, el
objetivo es mostrar al lector la matemática y la teoría de manera simple y sólo con los
detalles más importantes.
Derivada Covariante.
Comenzamos resolviendo el problema que resulta ser el derivar un tensor, ya que esta
derivada debe comportarse como un tensor para que nuestras ecuaciones tensoriales sean
independientes del sistema de coordenadas. Primero definimos a los tensores de la forma:
(1)
Si aplicamos la derivada como la conocemos a este tensor T obtenemos:
(2)
Usando la regla de la cadena y reacomodando llegamos a:
(3)
Aquí el segundo término representa un problema pues no se comporta como un tensor,
es necesario redefinir la derivada para que este término desaparezca, para esto el
matemático Elwin Bruno Christoffel ideó los llamados símbolos de Christoffel que se
agregan a la derivada del tensor y que sirven para eliminar el término del que hablamos.
Estos símbolos están definidos como:
(4)
Donde el término g es el tensor métrico definido como:
(5)
Los símbolos de Christoffel poseen muchas propiedades útiles que podrían ser
demostradas pero en esta sección nos limitaremos a definir términos que serán utilizados
para entender mejor la divergencia de un tensor.
Ahora que sabemos cómo eliminar el término que nos molesta en la definición de la
derivada podemos definir la derivada covariante de un tensor, esta tiene una forma si el
tensor es contravariante y otra si es covariante, las cuales son respectivamente:
(6) y
(7)
Donde la coma indica una derivada ordinaria y el punto y coma una derivada covariante.
Divergencia de un Campo Vectorial.
Un campo vectorial es algo que podemos imaginar como una infinidad de vectores en un
espacio tridimensional, en donde a cada punto en el espacio se le asigna un vector en
específico. Donde hay un campo podemos trazar una superficie y encontrar el flujo neto
de fuerza que atraviesan esta superficie, solo contamos las líneas que cortan, no las
tangenciales. El flujo entonces lo podemos escribir como la intensidad de flujo de vectores
F por el área que atraviesa:
Φ=F·A (8)
Para encontrar el flujo cuando la dirección de los vectores varía y el área es curva
dividimos la superficie de manera que a cada pedazo se le pueda ver como una lámina
plana y le asignamos una dirección a cada superficie con un vector normal a su plano
tangente. Así el flujo está dado por:
ΔΦ=F·ΔS para una división (9)
Φ= ΣF·ΔS= ∫FΔS para toda la superficie (10)
Si las líneas provienen de dentro del espacio encerrado por la superficie se dice que hay
una divergencia positiva, si entran la divergencia es negativa. Si el flujo neto esto quiere
decir que para cada línea que entra hay una que sale, para que esto ocurra no es necesario
que la superficie sea esférica, puede tener cualquier forma siempre y cuando sea cerrada.
En la física un campo eléctrico puede ser expresado con líneas que salen de una partícula,
si encerramos a una carga negativa dentro de una superficie cerrada tendríamos una
divergencia positiva pues estas líneas que definen nuestro campo provienen de dentro de
la superficie. Si un campo externo afectara a una partícula encerrada dentro de una
superficie la divergencia sería negativa. Un caso muy interesante es el del campo
magnético, siempre que encerremos un imán en una superficie cerrada encontraremos
que la divergencia de su campo es cero, pues los imanes no tienen monopolos, en el
siguiente diagrama podemos apreciar la forma del campo y resulta claro entonces que por
cada línea que sale del imán otra entra:
Figura 1. Campo magnético de un imán.
De esto podemos deducir una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales son muy
importantes para la física, esta nos dice que la divergencia del Campo magnético B es
siempre cero:
(11)
La divergencia es un escalar, así que para que al operar ∇ (Nabla) con un campo vectorial
esto requiere que ∇ sea un operador tensorial, lo cual nos será importante para la siguiente
sección. La divergencia de un campo vectorial sobre una superficie cerrada se da como:
(12)
Y definamos ahora la divergencia de un campo vectorial pero usando tensores, esta se
escribe entonces como:
(13)
Nota: El tensor métrico en esta definición aparece en algunos libros, textos y
publicaciones con un signo negativo, esto se empleaba para indicar que si el tensor
métrico era negativo se debía cambiar su signo para no tener un complejo en nuestra
definición, mas con el tiempo las razones de su uso se han dejado de explicar y esto puede
resultar confuso.
La divergencia de un Campo Tensorial.
Ahora extenderemos la divergencia a los tensores, para esto definamos primero la
divergencia de un tensor contravariante de orden 1 de la siguiente manera:
∇·T = ∂μTμ = ∂Tμ/∂xμ =∂T1/∂x1 + ∂T2/∂x2 + ∂T3/∂x3 + ... (14)
Para la divergencia de un tensor de segundo orden T obtenemos un vector y se expresa de
la forma:
(15)
Ahora definimos la divergencia de un campo tensorial de orden superior como:
(16)
Teorema de la divergencia.
El teorema de la divergencia se expresa mediante la ecuación:
(17)
Si queremos extender el teorema a la Relatividad necesitamos definir la divergencia en
un espacio de 4 dimensiones, para ello requerimos escribir este teorema de forma
tensorial, como:
(18)
Ahora usaremos la definición de F y dV como:
(19) y
(20)
Así al sustituir ambos términos del lado izquierdo obtenemos una nueva ecuación, del
lado derecho solo debemos considerar que dS se escribirá como:
(21)
ya que las derivadas de ese lado no son covariantes. Entonces obtenemos nuestra
ecuación final:
(22)
Conclusiones.
Hemos logrado llegar a ecuaciones de vital importancia para la física a través de
demostraciones que usan poca matemática, la mayoría de las definiciones dadas en este
documento carecen de una demostración apropiada para poder ser utilizadas, mas ese no
es el punto de este trabajo, un escrito con tales demostraciones y con una formalidad justa
y necesaria requeriría de muchas más hojas y de un manejo bastante avanzado del tema
para los lectores, siendo este un curso básico de relatividad solo se pretende acercar al
lector de una manera gentil al tema, ya que exponerlo a matemáticas tan avanzadas podría
resultar contraproducente. Teniendo esto en cuenta podemos afirmar que el camino por
el que hemos llevado al lector fue el apropiado.
Habiendo aclarado las razones por las que se trató el tema de esa manera veamos entonces
a lo que llegamos: Definimos conceptos básicos para que al pasar de la divergencia de un
campo vectorial a uno tensorial no se sintiera tan forzada debido a la ausencia de
demostraciones formales y en el camino encontramos aplicaciones para la física y algunas
notas importantes que son útiles al momento de entender la notación en las definiciones.
Finalmente es importante destacar que los resultados obtenidos son válidos para tensores
que no son mixtos, si quisiéramos definir todo para estos es posible mas la notación se
haría más confusa y se podría perder al lector, por lo que se invita a este a adentrarse más
en el tema tomando como primer paso las referencias al final del documento.
Referencias
[1] La Teoría de la Relatividad. Disponible en http://teoria-de-la-relatividad.blogspot.mx/2009/03/24-la-divergencia-del-tensor-t.html [2] La Teoría de la Relatividad. Disponible en http://teoria-de-la-relatividad.blogspot.mx/2009/03/23b-la-derivada-covariante-de-un-tensor.html [3] Las ecuaciones de Maxwell - Ley de Gauss para el campo magnético. Disponible en http://eltamiz.com/2011/09/28/las-ecuaciones-de-maxwell-ley-de-gauss-para-el-campo-magnetico
[4] Mecánica del Medio Continuo: Conceptos Básicos. Disponible en
https://www.uclm.es/profesorado/evieira/ftp/apuntes/Tensores.pdf
[5] Productos diádicos, diadas y tensores. Disponible en
http://laplace.us.es/campos/teoria/diadas.pdf
[6] Análisis Vectorial. Disponible en
http://www.esi2.us.es/DFA/CEMI/Teoria/Tema1.pdf
[7] Algebra y cálculo tensorial. Disponible en
http://bigmac.mecaest.etsii.upm.es/Site/RM1_files/tema1.pdf