Coordenadas polares, cilíndricas y esféricas

Polares

Tiene por origen O y vectores unitaros, r ^ y θ ^

Relación entre los vectores unitarios

r ^ =cosθ· i ^ +sinθ· j ^ θ ^ =sinθ· i ^ +cosθ· j ^

Derivadas de los vectores unitarios

d r ^ dt =( sinθ· i ^ +cosθ· j ^ ) dθ dt = dθ dt θ ^ d θ ^ dt =( cosθ· i ^ +sinθ· j ^ ) dθ dt = r ^ dθ dt

Cilíndricas

Tiene por origen O y vectores unitaros, ρ ^ , φ ^ y k ^

Relación entre los vectores unitarios

ρ ^ =cosφ i ^ +sinφ j ^ φ ^ =sinφ i ^ +cosφ j ^

Derivadas de los vectores unitarios

d ρ ^ dt =( sinφ i ^ +cosφ j ^ ) dφ dt = dφ dt φ ^ d φ ^ dt =( cosφ i ^ sinφ j ^ ) dφ dt = dφ dt ρ ^

Esféricas

Tiene por origen O y vectores unitaros, r ^ , φ ^ y θ ^

Relación entre los vectores unitarios

El vector unitario r ^ tiene la misma dirección que el vector r pero su módulo es la unidad

r ^ =sinθ·cosφ i ^ +sinθ·sinφ j ^ +cosθ k ^

Como apreciamos en la figura

φ ^ =sinφ i ^ +cosφ j ^

Utilizamos el producto vectorial para obtener la expresión de θ ^

θ ^ = φ ^ × r ^ =| i ^ j ^ k ^ sinφ cosφ 0 sinθ·cosφ sinθ·sinφ cosθ |=cosθ·cosφ i ^ +cosθsinφ j ^ sinθ k ^

Derivadas de los vectores unitarios

d r ^ dt =( cosθ·cosφ dθ dt sinθsinφ dφ dt ) i ^ +( cosθ·sinφ dθ dt +sinθcosφ dφ dt ) j ^ sinθ dθ dt k ^ = ( cosθ·cosφ i ^ +cosθ·sinφ j ^ sinθ k ^ ) dθ dt +( sinφ i ^ +cosφ j ^ )sinθ· dφ dt = dθ dt θ ^ +sinθ· dφ dt φ ^

d θ ^ dt =( sinθ·cosφ dθ dt cosθ·sinφ dφ dt ) i ^ +( sinθ·sinφ dθ dt +cosθ·cosφ dφ dt ) j ^ cosθ dθ dt k ^ = ( sinθcosφ i ^ +sinθ·sinφ j ^ +cosθ k ^ ) dθ dt +( sinφ i ^ +cosφ j ^ )cosθ dφ dt = dθ dt r ^ +cosθ dφ dt φ ^

Utilizamos el producto vectorial para obtener la derivada de este vector unitario

φ ^ = r ^ × θ ^ d φ ^ dt = d r ^ dt × θ ^ + r ^ × d θ ^ dt =( dθ dt θ ^ +sinθ· dφ dt φ ^ )× θ ^ + r ^ ×( dθ dt r ^ +cosθ dφ dt φ ^ )= sinθ· dφ dt φ ^ × θ ^ +cosθ dφ dt r ^ × φ ^ ==( sinθ· r ^ cosθ· θ ^ ) dφ dt