Derivada de un tensor (mecánica de medios continuos)

operación diferencial sobre un campo de múltiples componentes

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

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

Derivadas con respecto a vectores y tensores de segundo orden

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A continuación se dan las definiciones de derivadas direccionales para diversas situaciones. Se supone que las funciones son lo suficientemente suaves como para poder tomar derivadas.

Derivadas de funciones escalares de vectores

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

 

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 de vectores

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Sea f(v) una función con valor 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

 

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

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Sea   una función con 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

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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

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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

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

 
Demostración
Los vectores x y c se pueden escribir como   y  . Sea y := x + αc. En ese caso, el gradiente viene dado por
 

Dado que los vectores de la base no varían en un sistema de coordenadas cartesiano, tenemos las siguientes relaciones para los gradientes de un campo escalar  , un campo vectorial v' y un campo tensorial de segundo orden  .

 

Coordenadas curvilíneas

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Si   son los vectores de una base contravariante en un sistema de coordenadas curvilíneas, con las coordenadas de los puntos indicadas por ( ), entonces el gradiente del campo tensorial   viene dado por (consulte[3]​ para obtener una demostración).

 

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

 

donde los símbolos de Christoffel   se definen usando

 

Coordenadas polares cilíndricas

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En coordenadas cilíndricas, el gradiente viene dado por

 

Divergencia de un campo tensorial

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La divergencia de un campo tensorial   se define usando 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

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En un sistema de coordenadas cartesiano se tienen las siguientes relaciones para un campo vectorial v' y un campo tensorial de segundo orden  

 

donde con la notación tensorial indexada para derivadas parciales se utiliza en las expresiones situadas más a la derecha. Tenga en cuenta 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 escrito como  ). Téngase en cuenta que dicha definición no es coherente con el resto de este artículo (consúltese la sección sobre coordenadas curvilíneas).

La diferencia surge de si la diferenciación se realiza respecto de las filas o columnas de  , y es convencional. Esto se demuestra con un ejemplo. En un sistema de coordenadas cartesiano, 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

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

 

Más generalmente,

 

Coordenadas polares cilíndricas

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En coordenadas polares cilíndricas

 

Rotacional de un campo tensorial

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El rotacional de un campo tensorial de orden n > 1   también se define usando la relación recursiva

 

donde c es un vector constante arbitrario y v es un campo vectorial.

Rotacional de un campo tensorial (vectorial) de primer orden

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Considérese un campo vectorial v y un vector constante arbitrario c. En notación indexada, el producto cruzado viene dado por

 

donde   es el símbolo de permutación, también conocido como símbolo de Levi-Civita. Entonces,

 

Por lo tanto,

 

Rotacional de un campo tensorial de segundo orden

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Para un tensor de segundo orden  

 

Por tanto, utilizando la definición de la curvatura de un campo tensorial de primer orden,

 

Por lo tanto, se tiene que

 

Identidades que involucran la curvatura de un campo tensorial

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La identidad más comúnmente utilizada que involucra la curvatura de un campo tensorial,  , es

 

Esta identidad es válida para campos 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

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

 

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

Demostración
Sea   un tensor de segundo orden y sea  . Entonces, a partir de la definición de la derivada de una función escalar de un tensor, se tiene que

 

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

 

Usando esta expansión, se puede escribir

 

Recuérdese que el invariante   viene dado por

 

Por eso,

 

Teniendo en cuenta la arbitrariedad de  , entonces se tiene que

 

Derivadas de los invariantes de un tensor de segundo orden

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Los principales invariantes de un tensor de segundo orden son

 

Las derivadas de estos tres invariantes con respecto a   son

 
Demostración
De la derivada del determinante se sabe que
 

Para las derivadas de las otras dos invariantes, se retoma la ecuación característica

 

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

 

Ahora, el lado izquierdo se puede expandir como

 

Por eso

 

o,

 

Expandir el lado derecho y separar términos en el lado izquierdo da

 

o,

 

Si se define   y  , se puede escribir lo anterior como

 

Reuniendo términos que contienen varias potencias de λ, se obtiene

 

Entonces, invocando la arbitrariedad de λ, se tiene que

 

Esto implica que

 

Derivada del tensor de identidad de segundo orden

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Sea   el tensor de identidad de segundo orden. Entonces la derivada de este tensor con respecto a un tensor de segundo orden   viene dada por

 

Esto se debe a que   es independiente de  .

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

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Sea   un tensor de segundo orden. Entonces

 

Por lo tanto,

 

Aquí   es el tensor de identidad de cuarto orden. En notación indexada 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 se obtiene

 

donde el tensor de identidad simétrico de cuarto orden es

 

Derivada del inverso de un tensor de segundo orden

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Sean   y   dos tensores de segundo orden, entonces

 

En notación indexada con respecto a una base ortonormal

 

También se tiene que

 

En notación indexada

 

Si el tensor   es simétrico entonces

 
Demostración
Recordando que
 

Dado que  , se puede escribir

 

Usando la regla del producto para tensores de segundo orden

 

se obtiene

 

o,

 

Por lo tanto,

 

Integración por partes

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Dominio  , su frontera   y el vector normal unitario exterior  

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

 

donde   y   son campos tensoriales diferenciables de orden arbitrario,   es la unidad normal hacia afuera con respecto al dominio sobre el cual se definen los campos tensoriales,   representa un operador del producto tensorial generalizado y   es un operador de gradiente generalizado. Cuando   es igual al tensor de identidad, se obtiene el teorema de la divergencia

 

Se puede expresar la fórmula de integración por partes en coordenadas cartesianas con notación indexada 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 tanto   como   son tensores de segundo orden, se tiene que

 

En notación indexada,

 

Véase también

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Referencias

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  1. J. C. Simo and T. J. R. Hughes, 1998, Computational Inelasticity, Springer
  2. J. E. Marsden and T. J. R. Hughes, 2000, Mathematical Foundations of Elasticity, Dover.
  3. R. W. Ogden, 2000, Nonlinear Elastic Deformations, Dover.
  4. a b Hjelmstad, Keith (2004). Fundamentals of Structural Mechanics. Springer Science & Business Media. p. 45. ISBN 9780387233307.