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Dirección principal

En física e ingeniería, una dirección principal se refiere a una recta de puntos formada por vectores propios de alguna magnitud física de tipo tensorial. Los dos ejemplos más notorios son las direcciones principales de inercia, usualmente llamadas ejes principales de inercia y las direcciones principales de tensión y deformación de un sólido deformable.

Este artículo resume las propiedades matemáticas de las direcciones principales y el significado físico de las mismas en los diferentes contextos.

Definición matemática

Dada una magnitud física de tipo tensorial T se plantea el problema matemático de buscar los vectores no nulos v que cumplan la ecuación:

 

Dicho problema constituye un problema matemático de vectores propios, donde los autovalores (o valores principales) son valores del parámetro λ para los que existe solución y cada una de las rectas generadas por un vector v se llaman dirección principal. El significado físico tanto de los valores y direcciones principales varía según la magnitud tensorial considerada. En los siguientes apartados se explica el significado e importancia de valores y direcciones principales para algunas magnitudes tensoriales importantes.

Ejes principales de inercia

Como es sabido en mecánica del sólido rígido, la inercia rotacional de un cuerpo viene caracterizada por un tensor llamado tensor de inercia, que en una base ortogonal se expresa mediante una matriz simétrica.

Los ejes principales de inercia son precisamente las rectas o ejes formadas por vectores propios del tensor de inercia. Tienen la propiedad interesante de que un sólido que gira libremente alrededor de uno de estos ejes no varía su orientación en el espacio. En cambio, si el cuerpo gira alrededor de un eje arbitrario que no sea principal, el movimiento de acuerdo con las ecuaciones de Euler presentará cambios de orientación en forma de precesión y nutación.

El hecho de que el giro alrededor de un eje principal sea tan simple se debe a que, cuando un sólido gira alrededor de uno de sus ejes principales, el momento angular L y la velocidad angular ω son vectores paralelos por estar ambos alineados con una dirección principal:

 

Donde λ es una magnitud escalar que coincide con el momento de inercia correspondiente a dicho eje. En general, un cuerpo rígido tiene tres momentos principales de inercia diferentes. Puede probarse además que si dos ejes principales se corresponden a momentos principales de inercia diferentes, dichos ejes son perpendiculares.

Todo cuerpo sólido tiene al menos un sistema de tres ejes de inercia principales (el tensor de inercia siempre se puede diagonalizar) aunque, en particular, el número sistemas de ejes de inercia principales puede llegar a ser infinito si el sólido rígido presenta simetría axial o esférica. En el caso de la simetría axial dos de los momentos de inercia relativos a sendos ejes tendrán el mismo valor y, en el caso de la simetría esférica, todos serán iguales. Los sólidos rígidos que tienen simetría esférica se denominan peonzas esféricas y, los que solo tienen simetría axial, peonzas simétricas.

Direcciones principales de tensión y deformación

El estado de tensión-deformación de sólido deformable viene caracterizado por dos campos tensoriales asociados a la tensión y deformación del mismo (que a su vez están relacionados por la llamada ecuación constitutiva del material). Si examinamos un punto cualquiera del sólido y tomamos una base ortonormal, tenemos que el estado de tensión-deformación viene caracterizado por dos matrices simétricas asociadas al tensor tensión y al tensor deformación. Puesto que estas matrices son simétricas, al igual que sucede con el tensor de inercia admiten vectores propios.

Tensiones principales

Es decir, que existen vectores unitarios tales que la tensión en un plano perpendicular a los mismos en el punto de estudio cumplen que:

 

Donde σ es una magnitud escalar con unidades de tensión, llamada tensión principal. Dado un punto de un sólido deformable siempre existe al menos una tensión principal y como máximo tres valores diferentes. Y nuevamente dos direcciones principales de tensión asociadas a valores diferentes de la tensión principal son perpendiculares.

Físicamente las direcciones principales de tensión son perpendiculares a planos tales que en el punto considerado solo existe una tensión normal al plano de valor σ pero no existen esfuerzos de cizalla ni tensiones tangenciales τ.

Deformaciones principales

Una deformación físicamente admisible de un sólido deformable viene caracterizada por un difeomorfismo TD cuyo jacobiano DTD(x,y,z) es positivo en todo instante y para todos los puntos del cuerpo. A partir de esta deformación admisible podemos construir el campo vectorial de desplazamientos y a partir de sus derivadas primeras construimos el llamado tensor deformación. Puede demostrarse que fijado un punto de un sólido deformable, toda deformación físicamente admisible puede aproximarse localmente por tres alargamientos (o acortamientos) εi según direcciones perpendiculares, el valor de estos alargamientos εi puede determinarse resolviendo para cada punto la siguiente ecuación:

 

Las tres direcciones según las cuales se producirían estos alargamientos son precisamente las rectas que pasan por el punto considerado y son paralelas a cada uno de los vectores ni. Si para una determinada dirección principal εi > 0 entonces en esa dirección tenemos alargamiento, mientras que εi < 0 corresponde a direcciones principales donde existe acortamiento.

Referencia

  • Landau & Lifschitz: Mecánica, Ed. Reverté, Barcelona, 1991 (pp. 119-120) ISBN 84-291-4081-6.
  •   Datos: Q8560263

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En fisica e ingenieria una direccion principal se refiere a una recta de puntos formada por vectores propios de alguna magnitud fisica de tipo tensorial Los dos ejemplos mas notorios son las direcciones principales de inercia usualmente llamadas ejes principales de inercia y las direcciones principales de tension y deformacion de un solido deformable Este articulo resume las propiedades matematicas de las direcciones principales y el significado fisico de las mismas en los diferentes contextos Indice 1 Definicion matematica 2 Ejes principales de inercia 3 Direcciones principales de tension y deformacion 3 1 Tensiones principales 3 2 Deformaciones principales 4 ReferenciaDefinicion matematica EditarDada una magnitud fisica de tipo tensorial T se plantea el problema matematico de buscar los vectores no nulos v que cumplan la ecuacion T v l v v R n T L R n R n l R displaystyle mathbf T mathbf v lambda mathbf v qquad qquad mathbf v in mathbb R n mathbf T in mathcal L mathbb R n mathbb R n lambda in mathbb R Dicho problema constituye un problema matematico de vectores propios donde los autovalores o valores principales son valores del parametro l para los que existe solucion y cada una de las rectas generadas por un vector v se llaman direccion principal El significado fisico tanto de los valores y direcciones principales varia segun la magnitud tensorial considerada En los siguientes apartados se explica el significado e importancia de valores y direcciones principales para algunas magnitudes tensoriales importantes Ejes principales de inercia EditarComo es sabido en mecanica del solido rigido la inercia rotacional de un cuerpo viene caracterizada por un tensor llamado tensor de inercia que en una base ortogonal se expresa mediante una matriz simetrica Los ejes principales de inercia son precisamente las rectas o ejes formadas por vectores propios del tensor de inercia Tienen la propiedad interesante de que un solido que gira libremente alrededor de uno de estos ejes no varia su orientacion en el espacio En cambio si el cuerpo gira alrededor de un eje arbitrario que no sea principal el movimiento de acuerdo con las ecuaciones de Euler presentara cambios de orientacion en forma de precesion y nutacion El hecho de que el giro alrededor de un eje principal sea tan simple se debe a que cuando un solido gira alrededor de uno de sus ejes principales el momento angular L y la velocidad angular w son vectores paralelos por estar ambos alineados con una direccion principal L I w l w displaystyle mathbf L mathbf I boldsymbol omega lambda boldsymbol omega Donde l es una magnitud escalar que coincide con el momento de inercia correspondiente a dicho eje En general un cuerpo rigido tiene tres momentos principales de inercia diferentes Puede probarse ademas que si dos ejes principales se corresponden a momentos principales de inercia diferentes dichos ejes son perpendiculares Todo cuerpo solido tiene al menos un sistema de tres ejes de inercia principales el tensor de inercia siempre se puede diagonalizar aunque en particular el numero sistemas de ejes de inercia principales puede llegar a ser infinito si el solido rigido presenta simetria axial o esferica En el caso de la simetria axial dos de los momentos de inercia relativos a sendos ejes tendran el mismo valor y en el caso de la simetria esferica todos seran iguales Los solidos rigidos que tienen simetria esferica se denominan peonzas esfericas y los que solo tienen simetria axial peonzas simetricas Direcciones principales de tension y deformacion EditarEl estado de tension deformacion de solido deformable viene caracterizado por dos campos tensoriales asociados a la tension y deformacion del mismo que a su vez estan relacionados por la llamada ecuacion constitutiva del material Si examinamos un punto cualquiera del solido y tomamos una base ortonormal tenemos que el estado de tension deformacion viene caracterizado por dos matrices simetricas asociadas al tensor tension y al tensor deformacion Puesto que estas matrices son simetricas al igual que sucede con el tensor de inercia admiten vectores propios Tensiones principales Editar Es decir que existen vectores unitarios tales que la tension en un plano perpendicular a los mismos en el punto de estudio cumplen que t T n s n t i j 1 m T i j n j s n i displaystyle mathbf t mathbf T mathbf n sigma mathbf n qquad left Rightarrow t i sum j 1 m T ij n j sigma n i right Donde s es una magnitud escalar con unidades de tension llamada tension principal Dado un punto de un solido deformable siempre existe al menos una tension principal y como maximo tres valores diferentes Y nuevamente dos direcciones principales de tension asociadas a valores diferentes de la tension principal son perpendiculares Fisicamente las direcciones principales de tension son perpendiculares a planos tales que en el punto considerado solo existe una tension normal al plano de valor s pero no existen esfuerzos de cizalla ni tensiones tangenciales t Deformaciones principales Editar Una deformacion fisicamente admisible de un solido deformable viene caracterizada por un difeomorfismo TD cuyo jacobiano DTD x y z es positivo en todo instante y para todos los puntos del cuerpo A partir de esta deformacion admisible podemos construir el campo vectorial de desplazamientos y a partir de sus derivadas primeras construimos el llamado tensor deformacion Puede demostrarse que fijado un punto de un solido deformable toda deformacion fisicamente admisible puede aproximarse localmente por tres alargamientos o acortamientos ei segun direcciones perpendiculares el valor de estos alargamientos ei puede determinarse resolviendo para cada punto la siguiente ecuacion D n i e i n i displaystyle mathbf D cdot mathbf n i varepsilon i mathbf n i Las tres direcciones segun las cuales se producirian estos alargamientos son precisamente las rectas que pasan por el punto considerado y son paralelas a cada uno de los vectores ni Si para una determinada direccion principal ei gt 0 entonces en esa direccion tenemos alargamiento mientras que ei lt 0 corresponde a direcciones principales donde existe acortamiento Referencia EditarLandau amp Lifschitz Mecanica Ed Reverte Barcelona 1991 pp 119 120 ISBN 84 291 4081 6 Datos Q8560263Obtenido de https es wikipedia org w index php title Direccion principal amp oldid 126560487, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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