U1.T2 — Autovalores, invariantes e cálculo tensorial

MAE369 — Mecânica e Fenômenos de Transporte · IM/UFRJ · 2026/2

01Onde estamos

O que esta sessão acrescenta

Figura 1

A questão de U1.T1 recebe metade da resposta

Por que a mecânica do contínuo precisa de todo esse formalismo tensorial?

Ao final desta sessão teremos um dos dois ingredientes do método: o teorema que converte integrais de superfície em integrais de volume.

O outro ingrediente chega em U3.T1. A questão permanece aberta até lá.

02Simétrico, antissimétrico, vetor dual

A decomposição

\[\begin{aligned} &T_{ij} = \tfrac12\!\left(T_{ij} + T_{ji}\right) + \tfrac12\!\left(T_{ij} - T_{ji}\right) && \text{(indicial)}\\[4pt] &\mathbf T = \tfrac12\!\left(\mathbf T + \mathbf T^{\mathsf T}\right) + \tfrac12\!\left(\mathbf T - \mathbf T^{\mathsf T}\right) && \text{(direta)} \end{aligned}\]

A primeira parcela é simétrica, a segunda é antissimétrica — verifica-se transpondo cada uma. (Lai, Rubin, e Krempl 2010, seç. 2.20)

A unicidade da decomposição é o item (b) de PS1.2, proposto em U1.T1.

A contagem: nove, seis e três

Figura 2

Três números independentes é exatamente o que um vetor tem.

O vetor dual

Seja \(\mathbf W\) antissimétrico. Seu vetor dual \(\mathbf w\) satisfaz \[\mathbf W\mathbf a = \mathbf w\times\mathbf a \qquad\text{para todo } \mathbf a .\]

\[\begin{aligned} &W_{ij} = -\varepsilon_{ijk}\,w_k \qquad\qquad w_k = -\tfrac12\,\varepsilon_{kij}\,W_{ij} && \text{(indicial)}\\[4pt] &\mathbf W\mathbf a = \mathbf w\times\mathbf a && \text{(direta)} \end{aligned}\]

(Lai, Rubin, e Krempl 2010, seç. 2.21)

O que o vetor dual faz

Figura 3

Para todo a, e não só para um

03Autovalores, direções principais, invariantes

Autovalores e equação característica

\[\begin{aligned} &\left(T_{ij} - \lambda\,\delta_{ij}\right) n_j = 0 \qquad\text{com}\qquad n_j n_j = 1 && \text{(indicial)}\\[4pt] &\left(\mathbf T - \lambda\,\mathbf I\right)\mathbf n = \mathbf 0 \qquad\text{com}\qquad \mathbf n\cdot\mathbf n = 1 && \text{(direta)} \end{aligned}\]

Sistema linear homogêneo: há solução não trivial exatamente quando

\[\det\!\left(\mathbf T - \lambda\,\mathbf I\right) = 0 .\]

Uma cúbica em \(\lambda\). Suas raízes são os autovalores. (Lai, Rubin, e Krempl 2010, seç. 2.22)

O que distingue uma direção principal

Figura 4

Só duas direções resistem

Tensores simétricos reais

Se \(\mathbf T\) é simétrico e real, então: (i) seus autovalores são reais; (ii) autovetores de autovalores distintos são ortogonais; (iii) existe ao menos um triedro de direções principais mutuamente ortogonais.

Demonstração de (ii). De \(\mathbf n_2\cdot\mathbf T\mathbf n_1 = \lambda_1\,\mathbf n_2\cdot\mathbf n_1\) e \(\mathbf n_1\cdot\mathbf T\mathbf n_2 = \lambda_2\,\mathbf n_1\cdot\mathbf n_2\), com \(\mathbf T = \mathbf T^{\mathsf T}\) os lados esquerdos coincidem, logo

\[\left(\lambda_1 - \lambda_2\right)\left(\mathbf n_1\cdot\mathbf n_2\right) = 0 .\]

Os invariantes principais

\[\begin{aligned} &\lambda^3 - I_1\lambda^2 + I_2\lambda - I_3 = 0 && \text{(igual nas duas notações)}\\[8pt] &I_1 = T_{ii}, \qquad I_2 = \tfrac12\!\left(T_{ii}T_{jj} - T_{ij}T_{ji}\right), \qquad I_3 = \varepsilon_{ijk}T_{1i}T_{2j}T_{3k} && \text{(indicial)}\\[6pt] &I_1 = \operatorname{tr}\mathbf T, \qquad I_2 = \tfrac12\!\left[(\operatorname{tr}\mathbf T)^2 - \operatorname{tr}(\mathbf T^2)\right], \qquad I_3 = \det\mathbf T && \text{(direta)} \end{aligned}\]

Por que “invariantes”: os autovalores são definidos sem referência a base alguma; logo os coeficientes do polinômio que os tem por raízes também não dependem dela. (Lai, Rubin, e Krempl 2010, seç. 2.25)

As nove entradas correm; três números não

Exercício proposto: PS1.4

Partindo da lei de transformação \(T'_{ij} = Q_{mi}Q_{nj}T_{mn}\), obtida em U1.T1, mostre passo a passo que \(I_1\), \(I_2\) e \(I_3\) não mudam com a base. O último item pede uma verificação numérica com uma rotação qualquer.

Roteiro completo nas notas de aula, em cinco itens.

04Os operadores diferenciais

De objeto a campo

Figura 5

A partir daqui, cada ponto do espaço tem seu próprio escalar, vetor ou tensor.

As cinco definições

\[\begin{aligned} &(\nabla\varphi)_i = \frac{\partial \varphi}{\partial x_i} \qquad (\nabla\mathbf v)_{ij} = \frac{\partial v_i}{\partial x_j} \qquad \operatorname{div}\mathbf v = \frac{\partial v_i}{\partial x_i} && \text{(indicial)}\\[4pt] &\nabla\varphi \qquad\qquad\ \ \nabla\mathbf v \qquad\qquad\quad\ \, \operatorname{div}\mathbf v = \nabla\cdot\mathbf v = \operatorname{tr}(\nabla\mathbf v) && \text{(direta)} \end{aligned}\]

\[\begin{aligned} &(\operatorname{div}\mathbf T)_i = \frac{\partial T_{ij}}{\partial x_j} \qquad (\operatorname{rot}\mathbf v)_i = \varepsilon_{ijk}\frac{\partial v_k}{\partial x_j} \qquad \Delta\varphi = \frac{\partial^2\varphi}{\partial x_i \partial x_i} && \text{(indicial)}\\[4pt] &\operatorname{div}\mathbf T \qquad\qquad\quad \operatorname{rot}\mathbf v = \nabla\times\mathbf v \qquad\quad\ \ \Delta\varphi = \nabla^2\varphi && \text{(direta)} \end{aligned}\]

Duas convenções fixadas de uma vez por todas

\[(\nabla\mathbf v)_{ij} = \frac{\partial v_i}{\partial x_j} \qquad\qquad (\operatorname{div}\mathbf T)_i = \frac{\partial T_{ij}}{\partial x_j}\]

Em \(\nabla\mathbf v\), o primeiro índice é o da componente e o segundo o da derivada. Em \(\operatorname{div}\mathbf T\), a contração é no segundo índice. (Lai, Rubin, e Krempl 2010, seç. 2.28–2.29)

(Ruderman 2019, seç. 2.11) adota as duas transpostas. Para tensor simétrico as divergências coincidem; para tensor qualquer, não.

Duas identidades de trabalho

\[\begin{aligned} &\frac{\partial (\varphi v_i)}{\partial x_i} = \varphi\,\frac{\partial v_i}{\partial x_i} + v_i\,\frac{\partial \varphi}{\partial x_i} && \text{(indicial)}\\[4pt] &\operatorname{div}(\varphi\,\mathbf v) = \varphi\,\operatorname{div}\mathbf v + \mathbf v\cdot\nabla\varphi && \text{(direta)} \end{aligned}\]

\[\begin{aligned} &\frac{\partial (T_{ij}\,v_i)}{\partial x_j} = v_i\,\frac{\partial T_{ij}}{\partial x_j} + T_{ij}\,\frac{\partial v_i}{\partial x_j} && \text{(indicial)}\\[4pt] &\operatorname{div}\!\left(\mathbf T^{\mathsf T}\mathbf v\right) = \mathbf v\cdot\operatorname{div}\mathbf T + \mathbf T : \nabla\mathbf v && \text{(direta)} \end{aligned}\]

Uma advertência de notação, para depois

Todos os campos de hoje são estáticos: dependem de \(\mathbf x\) e de mais nada.

Quando o tempo entrar, em U2.T1, a derivada temporal de um campo espacial receberá símbolo próprio, \(\mathrm{D}/\mathrm{D}t\), e escrever \(d/dt\) para um campo espacial passará a ser erro de notação.

O operador não é definido hoje. O aviso fica registrado.

05O teorema da divergência

O caso vetorial, admitido do Cálculo

\[\begin{aligned} &\int_V \frac{\partial w_j}{\partial x_j}\,dV = \oint_S w_j\,n_j\,dS && \text{(indicial)}\\[4pt] &\int_V \operatorname{div}\mathbf w\,dV = \oint_S \mathbf w\cdot\mathbf n\,dS && \text{(direta)} \end{aligned}\]

\(V\) é um volume regular — limitado, com fronteira \(S\) suave por partes — e \(\mathbf n\) é a normal unitária exterior a \(S\).

A ideia da demonstração

Figura 6

Resultado 1.7

Para um campo tensorial continuamente diferenciável em um volume regular \(V\) de fronteira \(S\), com normal unitária exterior \(\mathbf n\):

\[\begin{aligned} &\int_V \frac{\partial T_{ij}}{\partial x_j}\,dV = \oint_S T_{ij}\,n_j\,dS && \text{(indicial)}\\[4pt] &\int_V \operatorname{div}\mathbf T\,dV = \oint_S \mathbf T\mathbf n\,dS && \text{(direta)} \end{aligned}\]

O que este resultado faz

Ele converte uma integral sobre uma superfície fechada em uma integral sobre o volume que ela limita.

É um dos dois ingredientes do método pelo qual se obtêm as equações de campo da mecânica do contínuo.

O outro é o Teorema do Transporte (TTR), enunciado e demonstrado em U3.T1. Quando os dois forem usados juntos, a questão de U1.T1 é respondida.

06Coordenadas curvilíneas

Por que trocar de coordenadas

Figura 7

As bases continuam ortonormais em cada ponto, mas não são as mesmas em pontos diferentes.

A conta que gera todos os termos \(1/r\)

\[\mathbf e_r = \cos\theta\,\mathbf e_1 + \operatorname{sen}\theta\,\mathbf e_2, \qquad \mathbf e_\theta = -\operatorname{sen}\theta\,\mathbf e_1 + \cos\theta\,\mathbf e_2\]

\[\frac{\partial \mathbf e_r}{\partial\theta} = \mathbf e_\theta, \qquad \frac{\partial \mathbf e_\theta}{\partial\theta} = -\,\mathbf e_r, \qquad \frac{\partial \mathbf e_r}{\partial r} = \frac{\partial \mathbf e_\theta}{\partial r} = \mathbf 0\]

Derivar um campo obriga a derivar também a base. Cada derivada de base acrescenta um termo. (Lai, Rubin, e Krempl 2010, seç. 2.33)

O limite, visto de perto

O formulário

Cilíndricas e esféricas: \(\nabla\varphi\), \(\nabla\mathbf v\), \(\operatorname{div}\mathbf v\), \(\operatorname{rot}\mathbf v\), \(\operatorname{div}\mathbf T\), \(\Delta\varphi\) — e \(\Delta\mathbf v\) em cilíndricas.

Documento de consulta permanente, com o cabeçalho declarando as convenções.

A dedução completa está em (Lai, Rubin, e Krempl 2010, seç. 2.33–2.35), como leitura. O curso não a refaz linha a linha.

Exercício proposto: PS1.3

Obter do zero a componente radial de \(\operatorname{div}\mathbf T\) em coordenadas cilíndricas, em cinco passos numerados, e comparar o resultado com a linha correspondente do formulário.

O passo final audita a tabela em vez de recebê-la pronta.

07Fechamento

Síntese

Produzido hoje — a tabela de notação, encerrada na versão 1.0; o Resultado 1.7; o formulário de coordenadas curvilíneas.

Exercícios propostos: PS1.3 (curvilíneas) e PS1.4 (invariantes). Com PS1.1 e PS1.2, de U1.T1, a Lista 1 está completa.

Estudo complementar, não avaliado: Ruderman, problemas 2.10 a 2.19.

Antes do laboratório: miniforge instalado, conforme as notas de U1.T1.

Referências

Lai, W. Michael, David Rubin, e Erhard Krempl. 2010. Introduction to Continuum Mechanics. 4º ed. Butterworth-Heinemann.
Ruderman, Michael S. 2019. Fluid Dynamics and Linear Elasticity: A First Course in Continuum Mechanics. Springer Undergraduate Mathematics Series. Springer.