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Equação de Laplace

1780
  • Pierre-Simon Laplace
Mathematician solving Laplace's Equation in a historical laboratory setting.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Uma elíptica linear de segunda ordem diferencial parcial Equação que descreve sistemas em estado estacionário ou em equilíbrio. É escrita como [latex]nabla^2 u = 0[/latex] ou [latex]Delta u = 0[/latex], onde [latex]nabla^2[/latex] (ou [latex]Delta[/latex]) é o operador de Laplace. As soluções, chamadas funções harmônicas, são as funções mais suaves possíveis e representam potenciais em campos como eletrostática, gravitação e fluxo de fluidos.

A equação de Laplace é a EDP elíptica canônica. Ela surge em inúmeros contextos físicos onde uma grandeza está em equilíbrio e seu valor em um ponto é a média de seus valores na vizinhança. Essa propriedade de média é uma característica definidora de suas soluções, conhecidas como funções harmônicas. Uma consequência direta é o "princípio do máximo" para funções harmônicas, que afirma que uma solução não constante não pode atingir seu valor máximo ou mínimo no interior de seu domínio; esses extremos devem estar na fronteira. Isso impede, por exemplo, a existência de um ponto quente em uma região de fluxo de calor em regime permanente, a menos que haja uma fonte ali (o que violaria ∇²u = 0).

Solutions to Laplace’s equation are infinitely differentiable (analytic) even if the boundary conditions are not. This is a remarkable smoothing property, even stronger than that of the heat equation. The problem of finding a solution to Laplace’s equation in a domain given the values of the solution on the boundary is known as the Dirichlet problem. The related Neumann problem specifies the normal derivative on the boundary.

Ao contrário das equações de calor e de onda dependentes do tempo, a equação de Laplace é tipicamente resolvida para problemas de valor de contorno, onde toda a fronteira de um domínio espacial influencia a solução em todos os pontos interiores simultaneamente. Essa dependência "global" contrasta com a natureza causal e progressiva no tempo das equações parabólicas e hiperbólicas.

UNESCO Nomenclature: 1208
Física matemática

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • newton’s law of universal gravitation
  • Lei de Coulomb da eletrostática
  • Conceito de campo potencial por Lagrange
  • Desenvolvimento do cálculo multivariável e do operador de Laplace

Aplicações

  • Eletrostática para calcular o potencial elétrico em regiões sem carga
  • gravitação para determinar o potencial gravitacional
  • condução de calor em regime permanente
  • fluxo de fluido incompressível e irrotacional
  • describing the shape of a soap film stretched across a wire frame

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: equação de Laplace, EDP elíptica, função harmônica, teoria do potencial, estado estacionário, eletrostática, problema de valor de contorno, problema de Dirichlet.

Contexto histórico

Equação de Laplace

1736
1750
1763-12-23
1780
1805
1822
1822
1650
1747
1758
1777
1799
1812
1822
1827

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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