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Derivada tensorial (mecánica del medio continuo)

Las derivadas de escalares , vectores y tensores de segundo orden con respecto a tensores de segundo orden son de considerable utilidad en mecánica de medios continuos . Estas derivadas se utilizan en las teorías de elasticidad y plasticidad no lineales , particularmente en el diseño de algoritmos para simulaciones numéricas . [1]

La derivada direccional proporciona una forma sistemática de encontrar estas derivadas. [2]

Derivadas respecto de vectores y tensores de segundo orden

A continuación se ofrecen las definiciones de derivadas direccionales para diversas situaciones. Se supone que las funciones son lo suficientemente suaves como para que se puedan obtener derivadas.

Derivadas de funciones escalares de vectores

Sea f ( v ) una función de valor real del vector v . Entonces la derivada de f ( v ) con respecto a v (o en v ) es el vector definido a través de su producto escalar con cualquier vector u siendo

para todos los vectores u . El producto escalar anterior produce un escalar, y si u es un vector unitario da la derivada direccional de f en v , en la dirección u .

Propiedades:

  1. Si entonces
  2. Si entonces
  3. Si entonces

Derivadas de funciones vectoriales con valores vectoriales

Sea f ( v ) una función vectorial del vector v . Entonces la derivada de f ( v ) con respecto a v (o en v ) es el tensor de segundo orden definido a través de su producto escalar con cualquier vector u siendo

para todos los vectores u . El producto escalar anterior produce un vector, y si u es un vector unitario da la derivada direccional de f en v , en la dirección u .

Propiedades:

  1. Si entonces
  2. Si entonces
  3. Si entonces

Derivadas de funciones escalares de tensores de segundo orden

Sea una función de valor real del tensor de segundo orden . Entonces la derivada de con respecto a (o en ) en la dirección es el tensor de segundo orden definido como para todos los tensores de segundo orden .

Propiedades:

  1. Si entonces
  2. Si entonces
  3. Si entonces

Derivadas de funciones tensoriales de tensores de segundo orden

Sea una función tensorial de segundo orden del tensor de segundo orden . Entonces la derivada de con respecto a (o en ) en la dirección es el tensor de cuarto orden definido como para todos los tensores de segundo orden .

Propiedades:

  1. Si entonces
  2. Si entonces
  3. Si entonces
  4. Si entonces

Gradiente de un campo tensorial

El gradiente , , de un campo tensorial en la dirección de un vector constante arbitrario c se define como: El gradiente de un campo tensorial de orden n es un campo tensorial de orden n +1.

Coordenadas cartesianas

Si son los vectores base en un sistema de coordenadas cartesianas , con coordenadas de puntos denotadas por ( ), entonces el gradiente del campo tensorial está dado por

Prueba

Los vectores x y c se pueden escribir como y . Sea y  := x + α c . En ese caso el gradiente está dado por

Como los vectores base no varían en un sistema de coordenadas cartesianas, tenemos las siguientes relaciones para los gradientes de un campo escalar , un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden .

Coordenadas curvilíneas

Si son los vectores base contravariantes en un sistema de coordenadas curvilíneas , con coordenadas de puntos denotadas por ( ), entonces el gradiente del campo tensorial está dado por (ver [3] para una prueba).

De esta definición tenemos las siguientes relaciones para los gradientes de un campo escalar , un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden .

donde el símbolo de Christoffel se define utilizando

Coordenadas polares cilíndricas

En coordenadas cilíndricas , el gradiente viene dado por

Divergencia de un campo tensorial

La divergencia de un campo tensorial se define utilizando la relación recursiva

donde c es un vector constante arbitrario y v es un campo vectorial. Si es un campo tensorial de orden n > 1 entonces la divergencia del campo es un tensor de orden n − 1.

Coordenadas cartesianas

En un sistema de coordenadas cartesianas tenemos las siguientes relaciones para un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden .

donde la notación de índice tensorial para derivadas parciales se utiliza en las expresiones más a la derecha. Nótese que

Para un tensor simétrico de segundo orden, la divergencia también suele escribirse como [4]

La expresión anterior se utiliza a veces como definición de en forma de componente cartesiano (a menudo también se escribe como ). Tenga en cuenta que dicha definición no es coherente con el resto de este artículo (consulte la sección sobre coordenadas curvilíneas).

La diferencia radica en si la diferenciación se realiza con respecto a las filas o columnas de , y es convencional. Esto se demuestra con un ejemplo. En un sistema de coordenadas cartesianas, el tensor (matriz) de segundo orden es el gradiente de una función vectorial .

La última ecuación es equivalente a la definición/interpretación alternativa [4]

Coordenadas curvilíneas

En coordenadas curvilíneas, las divergencias de un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden son

De manera más general,


Coordenadas polares cilíndricas

En coordenadas polares cilíndricas

Rizo de un campo tensorial

El rizo de un campo tensorial de orden n > 1 también se define utilizando la relación recursiva donde c es un vector constante arbitrario y v es un campo vectorial.

Rizo de un campo tensorial (vectorial) de primer orden

Consideremos un campo vectorial v y un vector constante arbitrario c . En notación de índice, el producto vectorial se da por donde es el símbolo de permutación , también conocido como el símbolo de Levi-Civita. Entonces, Por lo tanto,

Rizo de un campo tensorial de segundo orden

Para un tensor de segundo orden Por lo tanto, utilizando la definición del rotacional de un campo tensorial de primer orden, Por lo tanto, tenemos

Identidades que involucran el rotacional de un campo tensorial

La identidad más comúnmente utilizada que involucra el rotacional de un cuerpo tensorial, , es Esta identidad es válida para cuerpos tensoriales de todos los órdenes. Para el caso importante de un tensor de segundo orden, , esta identidad implica que

Derivada del determinante de un tensor de segundo orden

La derivada del determinante de un tensor de segundo orden está dada por

En una base ortonormal, los componentes de se pueden escribir como una matriz A . En ese caso, el lado derecho corresponde a los cofactores de la matriz.

Prueba

Sea un tensor de segundo orden y sea . Entonces, a partir de la definición de la derivada de una función escalar de un tensor, tenemos

El determinante de un tensor se puede expresar en forma de ecuación característica en términos de los invariantes utilizando

Usando esta expansión podemos escribir

Recordemos que el invariante viene dado por

Por eso,

Invocando la arbitrariedad de entonces tenemos

Derivadas de los invariantes de un tensor de segundo orden

Los invariantes principales de un tensor de segundo orden son

Las derivadas de estos tres invariantes con respecto a son

Prueba

De la derivada del determinante sabemos que

Para las derivadas de los otros dos invariantes, volvamos a la ecuación característica

Utilizando el mismo enfoque que para el determinante de un tensor, podemos demostrar que

Ahora el lado izquierdo se puede expandir como

Por lo tanto o,

Al expandir el lado derecho y separar los términos en el lado izquierdo se obtiene

o,

Si definimos y , podemos escribir lo anterior como

Reuniendo términos que contienen varias potencias de λ, obtenemos

Entonces, invocando la arbitrariedad de λ, tenemos

Esto implica que

Derivada del tensor identidad de segundo orden

Sea el tensor identidad de segundo orden. Entonces la derivada de este tensor con respecto a un tensor de segundo orden está dada por Esto se debe a que es independiente de .

Derivada de un tensor de segundo orden con respecto a sí mismo

Sea un tensor de segundo orden. Entonces

Por lo tanto,

Aquí está el tensor identidad de cuarto orden. En notación de índice con respecto a una base ortonormal.

Este resultado implica que donde

Por lo tanto, si el tensor es simétrico, entonces la derivada también es simétrica y obtenemos donde el tensor identidad simétrico de cuarto orden es

Derivada de la inversa de un tensor de segundo orden

Sean y dos tensores de segundo orden, entonces En notación de índice con respecto a una base ortonormal También tenemos En notación de índice Si el tensor es simétrico entonces

Prueba

Recuerde que

Desde entonces , podemos escribir

Utilizando la regla del producto para tensores de segundo orden

obtenemos o,

Por lo tanto,

Integración por partes

Dominio , su límite y la unidad normal exterior

Otra operación importante relacionada con las derivadas tensoriales en la mecánica de medios continuos es la integración por partes. La fórmula para la integración por partes se puede escribir como

donde y son campos tensoriales diferenciables de orden arbitrario, es la unidad normal exterior al dominio sobre el que se definen los campos tensoriales, representa un operador de producto tensorial generalizado y es un operador de gradiente generalizado. Cuando es igual al tensor identidad, obtenemos el teorema de divergencia

Podemos expresar la fórmula de integración por partes en notación de índice cartesiano como

Para el caso especial donde la operación del producto tensorial es una contracción de un índice y la operación del gradiente es una divergencia, y ambos y son tensores de segundo orden, tenemos

En notación de índice,

Véase también

Referencias

  1. ^ JC Simo y TJR Hughes, 1998, Inelasticidad computacional , Springer
  2. ^ JE Marsden y TJR Hughes, 2000, Fundamentos matemáticos de la elasticidad , Dover.
  3. ^ RW Ogden, 2000, Deformaciones elásticas no lineales , Dover.
  4. ^ ab Hjelmstad, Keith (2004). Fundamentos de mecánica estructural . Springer Science & Business Media. pág. 45. ISBN 9780387233307.