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Divergente e rotacional no desenho de setas

O aluno sabe a fórmula de cor. Aí a prova mostra um desenho de setas e pergunta onde o divergente é zero — e menos de um em quatro acerta.

começar

Divergente e rotacional não falam do tamanho das setas num ponto. Falam de como as setas mudam em volta dele: quanto sai de um círculo pequeno, e quanto gira em volta dele.

dados reais · teste aplicado em universidade

Na KU Leuven (Bélgica), 30 alunos que já tinham cursado cálculo vetorial fizeram um teste no começo de Eletrodinâmica. Numa questão, recebiam desenhos de quatro campos e tinham de dizer onde o divergente e o rotacional eram zero:

  • no campo mais fácil (divergente diferente de zero em todo lugar), metade acertou; nos outros três, menos de 1 em 4;
  • no campo do tipo “fio” (setas pra fora caindo com 1/s), só 2 dos 30 perceberam que o divergente só não é zero no centro;
  • cerca de 30% confundiram a derivada do campo com o valor dele (“o campo é zero ali, então o divergente é zero”);
  • 20% a 30% deixaram o divergente em branco, e 30% a 40%, o rotacional.

Quando pediram pra escrever o que ∇A, ∇·A e ∇×A significam:

expressãodescrição conceitual corretadisseram escalardisseram vetorem branco
A (gradiente)10%3%60%3%
∇·A (divergente)0%63%7%10%
∇×A (rotacional)10%0%53%10%

No mesmo artigo, os autores citam um estudo em Colorado em que só 26% dos alunos disseram corretamente onde o divergente de um campo elétrico se anula. E num teste maior, com 196 alunos de quatro universidades (Hull, St Andrews, Dublin e Leuven), menos da metade concordou que setas de um campo podem se cruzar no desenho — e muitos não usaram a densidade das linhas como o tamanho do campo.

Bollen, L., van Kampen, P. & De Cock, M. Students' difficulties with vector calculus in electrodynamics, Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 11, 020129 (2015), arXiv:1502.02830 — pré-teste com N = 30; percentuais pedem cuidado pra generalizar, dizem os autores. · Bollen, L. et al. Student difficulties regarding symbolic and graphical representations of vector fields, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 13, 020109 (2017).

O divergente é o que sai de um círculo pequeno

Desenhe um círculo bem pequeno em volta do ponto. Some, em toda a borda, a parte da seta que aponta pra fora (o fluxo). Divida pela área do círculo. Quando o círculo encolhe, isso tende ao divergente. No plano, com F = (P, Q):

div F = ∂P/∂x + ∂Q/∂y ≈ (fluxo que sai do círculo) ÷ (área do círculo)

O rotacional é o que gira em volta dele

No mesmo círculo, some a parte da seta que acompanha a borda no sentido anti-horário (a circulação) e divida pela área. Imagine uma rodinha de pás no ponto: o rotacional diz se ela gira, e pra que lado.

rot F = ∂Q/∂x − ∂P/∂y ≈ (circulação na borda) ÷ (área do círculo)

Repare no que não está nas duas definições: o tamanho da seta no ponto. Um campo pode ser zero num ponto e ter divergente ali; pode ter setas enormes e divergente zero. É exatamente a confusão dos 30%.

A rodinha e o círculo no campo

escolha o campo · mova o círculo · o site soma o fluxo e a circulação na borda de verdade (720 pontos) e divide pela área

Os dois campos que derrubam a prova

Cisalhamento, F = (y, 0). Todas as setas são horizontais e paralelas. Olhando rápido, “não gira”. Mas em cima as setas são mais compridas que embaixo: a rodinha leva mais empurrão no alto do que na base, e gira no sentido horário.

cálculo completo · cisalhamento F = (y, 0)

  1. O que eu já sei
    • P = y · Q = 0
  2. Divergente

    P/∂x + ∂Q/∂y = 0 + 0 = 0

  3. Rotacional

    Q/∂x − ∂P/∂y = 0 − 1 = −1

setas paralelas, e mesmo assim rot = −1: gira no sentido horário

Confere no desenho de cima: escolha “cisalhamento” e mova o círculo pra qualquer lugar — a circulação ÷ área fica em −1 ✓. E “esticando”, F = (x, 0), é o contrário: setas paralelas, sem giro, mas divergente 1.

O campo do fio, F = (x, y)/(x² + y²). As setas apontam pra fora e diminuem com a distância. Parece “saindo” em todo lugar — divergente positivo. Não é: fora da origem, o divergente é zero. Foi a questão em que só 2 de 30 acertaram.

cálculo completo · o campo do fio, fora da origem e na origem

  1. O que eu já sei
    • P = x/(x² + y²) · Q = y/(x² + y²)
    • regra do quociente: (u/v)′ = (uvuv′)/v²
  2. Passo 1 · ∂P/∂x

    [(x² + y²) − x · 2x] / (x² + y²)² = (y² − x²)/(x² + y²)²

  3. Passo 2 · ∂Q/∂y

    [(x² + y²) − y · 2y] / (x² + y²)² = (x² − y²)/(x² + y²)²

  4. Passo 3 · somar

    (y² − x² + x² − y²)/(…)² = 0, pra todo ponto fora da origem

  5. Passo 4 · um círculo de raio a em volta da origem

    na borda, F · n = (x, y)/a² · (x, y)/a = a²/a³ = 1/a → fluxo = (1/a) · 2πa =

div = 0 fora da origem · o fluxo por qualquer círculo em volta da origem é , de qualquer tamanho

Confere: se o fluxo não muda com o raio, nada é criado entre dois círculos — todo o fluxo nasce na origem, onde está o fio ✓. No desenho de cima, “fio (1/s)” com o círculo longe dá ≈ 0; envolvendo a origem, dá 2π ÷ área.

Escalar ou vetor

Na tabela lá de cima, 63% acertaram que o divergente é escalar e 53% que o rotacional é vetor — mas só 0% e 10% conseguiram dizer o que eles medem. Grave pelo que cada um responde: gradiente responde “pra onde subir mais rápido?” — uma direção, vetor. Divergente responde “quanto sai daqui?” — um número, escalar. Rotacional responde “gira em torno de que eixo, e quanto?” — no espaço, um vetor; no plano, só o componente z, que é o número desta aula.

o erro de prova

“As setas são paralelas, então o rotacional é zero.” “O campo é zero no ponto, então o divergente é zero.” “As setas saem do centro, então o divergente é positivo em todo lugar.”

a correção

Não olhe a seta do ponto: olhe o círculo em volta. Setas paralelas de tamanhos diferentes giram a rodinha. Setas que saem mas encolhem na medida certa não criam nada novo — o fluxo que entra num anel sai pelo outro. Na dúvida, calcule ∂P/∂x + ∂Q/∂y e ∂Q/∂x − ∂P/∂y.

pra treinar
  1. div e rot de F = (x², xy)
  2. div e rot de F = (0, x)
  3. div e rot de F = (3, 4)
  4. o fluxo de F = (x, y) que sai de um círculo de raio 2 centrado na origem
  5. a circulação de F = (−y, x) num círculo de raio 3 centrado na origem
ver as respostas1 · div = 2x + x = 3x · rot = y − 0 = y · 2 · div = 0 · rot = 1 · 3 · div = 0 · rot = 0 · 4 · 8π ≈ 25,1 (div 2 × área 4π; ou 2 · 4π na borda) · 5 · 18π ≈ 56,5 (rot 2 × área 9π)
pra levar

Divergente é o que sai de um círculo pequeno; rotacional, o que gira na borda dele — os dois divididos pela área. Não dependem do tamanho da seta no ponto, e sim de como ela muda em volta. Setas paralelas podem girar; setas que saem podem ter divergente zero.

Cálculo 3 · aula 13 · onde a prova quebra · os percentuais são dos estudos citados no quadro; as contas, o desenho interativo e os exercícios foram feitos pra esta aula