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Se quiere calcular la energía total en una región esférica con radio \( \mathrm{R}=3 \) metros, donde la densidad de energia está dada por \( p(r)=\frac{1}{-2} \mathrm{~J} / \mathrm{m}^{3} \). ¿Cuál es la forma correcta de plantear la integral para calcular la energia total en la esfera? \( \int_{0}^{3} \frac{1}{r^{2}} r^{2} \sin (\theta) d r d \theta d \emptyset \) \( \int_{0}^{3} \frac{1}{r} r^{2} \sin (\theta) d r d \theta d \emptyset \) \( \int_{0}^{3} \frac{1}{r^{2}} r^{2} \sin (\theta) d r d \theta d \emptyset \)

Ask by Burns Vega. in Mexico
Mar 10,2025

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Answer

La integral correcta para calcular la energía total en la esfera es: \[ \int_{0}^{3} \frac{1}{r^{2}} \, r^{2} \sin(\theta) \, dr \, d\theta \, d\phi \]

Solution

Consideramos que la energía total se obtiene integrando la densidad de energía \( p(r) \) sobre el volumen. En coordenadas esféricas el elemento diferencial de volumen es \[ dV = r^{2}\sin(\theta)\, dr\, d\theta\, d\phi. \] Si la densidad de energía es \[ p(r)=\frac{1}{r^{2}} \quad \text{(J/m}^3\text{)}, \] entonces el integrando de la energía será \[ p(r)dV = \frac{1}{r^{2}} \, r^{2}\sin(\theta)\, dr\, d\theta\, d\phi = \sin(\theta)\, dr\, d\theta\, d\phi. \] Por lo tanto, la integral para calcular la energía total en una esfera de radio \( R=3 \) metros se plantea como \[ E = \int_{r=0}^{3}\int_{\theta=0}^{\pi}\int_{\phi=0}^{2\pi} \frac{1}{r^{2}} \, r^{2}\sin(\theta)\, d\phi\, d\theta\, dr. \] Esta es la forma correcta, que corresponde a la primera (o tercera, al ser idéntica) de las opciones propuestas.

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The Deep Dive

Para calcular la energía total en una región esférica con la densidad de energía \( p(r) \), es fundamental tener en cuenta el volumen diferencial en coordenadas esféricas, que es \( dV = r^2 \sin(\theta) dr d\theta d\phi \). Entonces, la integral correcta para calcular la energía total sería: \[ \int_0^R p(r) \, r^2 \sin(\theta) \, dr \, d\theta \, d\phi \] Ya que la densidad de energía es negativa (\( p(r) = -\frac{1}{2} \, \text{J/m}^3 \)), no deberías olvidar incluir este factor al integrarlo sobre todo el volumen de la esfera. Así, tomando \( R = 3 \) metros, el límite de integración va desde \( 0 \) hasta \( 3 \) para \( r \). ¡No te olvides de los otros ángulos también! Elige bien el camino de la integración, porque un solo símbolo o mal planteamiento puede llevar a confusiones. Recuerda que \( d\theta \) y \( d\phi \) van desde \( 0 \) a \( \pi \) y \( 0 \) a \( 2\pi \) respectivamente, así que ¡no te duermas en los laureles!

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