Angulo solido - Solid angle
Angulo solido | |
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Símbolos comuns |
Ω |
Unidade SI | Steradian |
Outras unidades |
Grau quadrado |
Em unidades de base SI | m 2 / m 2 |
Conservado ? | Não |
Derivações de outras quantidades |
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Dimensão |
Em geometria , um ângulo sólido (símbolo: Ω ) é uma medida da quantidade do campo de visão de algum ponto específico que um determinado objeto cobre. Ou seja, é uma medida de quão grande o objeto parece para um observador olhando daquele ponto. O ponto a partir do qual o objeto é visto é chamado de vértice do ângulo sólido, e diz-se que o objeto subtende seu ângulo sólido a partir desse ponto.
No Sistema Internacional de Unidades (SI), um ângulo sólido é expresso em uma unidade adimensional chamada esteradiana (símbolo: sr). Um esteradiano corresponde a uma unidade de área na esfera unitária ao redor do ápice, então um objeto que bloqueia todos os raios do ápice cobriria um número de esteradianos igual à área total da superfície da esfera unitária ,. Os ângulos sólidos também podem ser medidos em quadrados de medidas angulares, como graus , minutos e segundos.
Um pequeno objeto próximo pode subtender o mesmo ângulo sólido de um objeto maior mais distante. Por exemplo, embora a Lua seja muito menor que o Sol , também está muito mais perto da Terra . Na verdade, visto de qualquer ponto da Terra, ambos os objetos têm aproximadamente o mesmo ângulo sólido, bem como tamanho aparente. Isso é evidente durante um eclipse solar .
Definição e propriedades
O ângulo sólido de um objeto em esteradianos é igual à área do segmento de uma esfera unitária , centrada no vértice, que o objeto cobre. Um ângulo sólido em esteradianos é igual à área de um segmento de uma esfera unitária da mesma forma que um ângulo plano em radianos é igual ao comprimento de um arco de um círculo unitário ; portanto, assim como um ângulo plano em radianos é a razão entre o comprimento de um arco circular e seu raio, um ângulo sólido em estereadianos é a seguinte razão:
onde A é a área da superfície esférica er é o raio da esfera considerada.
Os ângulos sólidos são freqüentemente usados na astronomia , física e, em particular, na astrofísica . O ângulo sólido de um objeto que está muito longe é aproximadamente proporcional à razão entre a área e a distância ao quadrado. Aqui, "área" significa a área do objeto quando projetado ao longo da direção de visualização.
O ângulo sólido de uma esfera medido de qualquer ponto em seu interior é 4 π sr, e o ângulo sólido subtendido no centro de um cubo por uma de suas faces é um sexto disso, ou2 π/3 sr. Ângulos sólidos também podem ser medidos em graus quadrados (1 sr = (180/π) 2 graus quadrados), em minutos quadrados e segundos quadrados, ou em frações da esfera (1 sr =1/4 πárea fracionária), também conhecida como spat (1 sp = 4 π sr).
Em coordenadas esféricas, existe uma fórmula para o diferencial ,
onde θ é a colatitude (ângulo do Pólo Norte) e φ é a longitude.
O ângulo sólido para uma superfície orientada arbitrária S subtendida em um ponto P é igual ao ângulo sólido da projeção da superfície S para a esfera unitária com centro P , que pode ser calculada como a integral da superfície :
onde é o vetor unitário correspondente a , o vetor posição de uma área infinitesimal da superfície dS em relação ao ponto P , e onde representa o vetor normal unitário para dS . Mesmo que a projeção da esfera unitária para a superfície S não seja isomórfica , as múltiplas dobras são corretamente consideradas de acordo com a orientação da superfície descrita pelo sinal do produto escalar .
Assim, pode-se aproximar o ângulo sólido subtendido por uma pequena faceta com área de superfície plana dS , orientação e distância r do observador como:
onde a área da superfície de uma esfera é A = 4 π r 2 .
Aplicações práticas
- Definindo a intensidade luminosa e luminância , e as quantidades radiométricas correspondentes, intensidade radiante e radiância
- Calculando o excesso esférico E de um triângulo esférico
- O cálculo de potenciais usando o método dos elementos de fronteira (BEM)
- Avaliando o tamanho dos ligantes em complexos metálicos, consulte o ângulo do cone do ligante
- Calculando o campo elétrico e a força do campo magnético em torno das distribuições de carga
- Derivando a Lei de Gauss
- Calculando a potência emissiva e irradiação na transferência de calor
- Calculando seções transversais no espalhamento de Rutherford
- Calculando seções transversais em espalhamento Raman
- O ângulo sólido do cone de aceitação da fibra óptica
Ângulos sólidos para objetos comuns
Cone, tampa esférica, hemisfério
O ângulo sólido de um cone com seu ápice no ápice do ângulo sólido, e com ângulo de vértice 2 θ , é a área de uma tampa esférica em uma esfera unitária
Para pequenas θ tal que cos θ ≈ 1 - θ 2 /2 , isto reduz a área de um círculo ¸ θ 2 .
O acima é encontrado calculando a seguinte integral dupla usando o elemento de superfície da unidade em coordenadas esféricas :
Esta fórmula também pode ser derivada sem o uso de cálculos . Mais de 2.200 anos atrás, Arquimedes provou que a área da superfície de uma capa esférica é sempre igual à área de um círculo cujo raio é igual à distância da borda da capa esférica ao ponto onde o eixo de simetria da capa intercepta a capa. No diagrama, este raio é dado como
Portanto, para uma esfera unitária, o ângulo sólido da tampa esférica é dado como
Quando θ =π/2, a tampa esférica torna-se um hemisfério com um ângulo sólido 2 π .
O ângulo sólido do complemento do cone é
Este também é o ângulo sólido da parte da esfera celeste que um observador astronômico posicionado na latitude θ pode ver enquanto a Terra gira. No equador, toda a esfera celeste é visível; em qualquer um dos pólos, apenas uma metade.
O ângulo sólido subtendido por um segmento de uma tampa esférica cortado por um plano no ângulo γ do eixo do cone e passando pelo ápice do cone pode ser calculado pela fórmula
Por exemplo, se γ = - θ , então a fórmula se reduz à fórmula do limite esférico acima: o primeiro termo torna-se π , e o segundo π cos θ .
Tetraedro
Deixe OABC ser os vértices de um tetraedro com uma origem em O subtendido pelo ABC face triangular, onde são as posições do vector dos vértices A, B e C. Definir o ângulo do vértice θ um a ser o BOC ângulo e definir θ b , θ c correspondentemente. Let Ser o ângulo diedro entre os planos que contêm as faces tetraédricas OAC e OBC e definir , correspondentemente. O ângulo sólido Ω subtendido pela superfície triangular ABC é dado por
Isso decorre da teoria do excesso esférico e leva ao fato de que há um teorema análogo ao teorema de que "A soma dos ângulos internos de um triângulo plano é igual a π " , para a soma dos quatro ângulos sólidos internos de um tetraedro da seguinte forma:
onde varia em todos os seis ângulos diédricos entre quaisquer dois planos que contêm as faces tetraédricas OAB, OAC, OBC e ABC.
Uma fórmula útil para calcular o ângulo sólido do tetraedro na origem O que é puramente uma função dos ângulos do vértice θ a , θ b , θ c é dada pelo teorema de L'Huilier como
Onde
- .
Outra fórmula interessante envolve expressar os vértices como vetores no espaço tridimensional. Sejam as posições vetoriais dos vértices A, B e C, e sejam a , b e c a magnitude de cada vetor (a distância do ponto de origem). O ângulo sólido Ω subtendido pela superfície triangular ABC é:
Onde
denota o produto escalar triplo dos três vetores e denota o produto escalar .
Deve-se ter cuidado aqui para evitar ângulos sólidos negativos ou incorretos. Uma fonte de erros potenciais é que o produto triplo escalar pode ser negativo se a , b , c tiverem o enrolamento errado . Computação é uma solução suficiente, uma vez que nenhuma outra parte da equação depende do enrolamento. A outra armadilha surge quando o produto triplo escalar é positivo, mas o divisor é negativo. Neste caso, retorna um valor negativo que deve ser aumentado em π .
Pirâmide
O ângulo sólido de uma pirâmide retangular direita de quatro lados com ângulos de vértice a e b ( ângulos diédricos medidos nas faces laterais opostas da pirâmide) é
Se ambos os comprimentos laterais ( α e β ) da base da pirâmide e a distância ( d ) do centro do retângulo da base ao ápice da pirâmide (o centro da esfera) são conhecidos, a equação acima pode ser manipulado para dar
O ângulo sólido de uma pirâmide n- diagonal direita , em que a base da pirâmide é um polígono regular de n lados do perímetro r , com uma altura da pirâmide h é
O ângulo sólido de uma pirâmide arbitrária com uma base de n lados definida pela sequência de vetores unitários que representam as arestas { s 1 , s 2 }, ... s n pode ser eficientemente calculado por:
onde parênteses (* *) é um produto escalar e colchetes [* * *] é um produto escalar tripla , e i é uma unidade imaginária . Os índices são alternados: s 0 = s n e s 1 = s n + 1 .
Retângulo latitude-longitude
O ângulo sólido de um retângulo de latitude-longitude em um globo é
- ,
onde φ N e φ S são as linhas de latitude norte e sul (medidas a partir do equador em radianos com o ângulo aumentando para o norte), e θ E e θ W são as linhas de longitude leste e oeste (onde o ângulo em radianos aumenta para o leste). Matematicamente, isso representa um arco de ângulo ϕ N - ϕ S varrido em torno de uma esfera por θ E - θ W radianos. Quando a longitude se estende por 2 π radianos e a latitude se estende por π radianos, o ângulo sólido é o de uma esfera.
Um retângulo de latitude-longitude não deve ser confundido com o ângulo sólido de uma pirâmide retangular. Todos os quatro lados de uma pirâmide retangular cruzam a superfície da esfera em grandes arcos de círculo . Com um retângulo latitude-longitude, apenas as linhas de longitude são grandes arcos de círculo; linhas de latitude não são.
Objetos Celestiais
Usando a definição de diâmetro angular , a fórmula para o ângulo sólido de um objeto celeste pode ser definida em termos do raio do objeto,, e a distância do observador ao objeto ,:
Ao inserir os valores médios apropriados para o Sol e a Lua (em relação à Terra), o ângulo sólido médio do Sol é 6,794 × 10 - 5 esteradianos e o ângulo sólido médio da Lua é 6,418 × 10 - 5 esteradianos. Em termos da esfera celeste total, o Sol e a Lua subtendem áreas fracionárias médias de 0,0005406% (5,406 ppm ) e 0,0005107% (5,107 ppm), respectivamente. Como esses ângulos sólidos têm aproximadamente o mesmo tamanho, a Lua pode causar eclipses solares totais e anulares, dependendo da distância entre a Terra e a Lua durante o eclipse.
Ângulos sólidos em dimensões arbitrárias
O ângulo sólido subtendido pela superfície esférica completa ( d - 1 ) -dimensional da esfera unitária no espaço euclidiano d- dimensional pode ser definido em qualquer número de dimensões d . Freqüentemente, é necessário esse fator de ângulo sólido em cálculos com simetria esférica. É dado pela fórmula
onde Γ é a função gama . Quando d é um número inteiro, a função gama pode ser calculada explicitamente. Segue que
Isso dá os resultados esperados de 4 π esteradianos para a esfera 3D limitada por uma superfície de área 4π r 2 e 2 π radianos para o círculo 2D limitado por uma circunferência de comprimento 2π r . Ele também fornece o 2 ligeiramente menos óbvio para o caso 1D, no qual a "esfera" centrada na origem 1D é o intervalo [- r , r ] e este é limitado por dois pontos limites.
A contraparte da fórmula vetorial em dimensão arbitrária foi derivada por Aomoto e independentemente por Ribando. Ele os expressa como uma série multivariada de Taylor infinita:
Dados d vetores unitários que definem o ângulo, deixe V denotar a matriz formada combinando-os de forma que a i- ésima coluna seja , e . As variáveis formam uma multivariável . Para um "congruente" multiexponent inteiro definimos . A notação para significa a variável , da mesma forma para os expoentes . Conseqüentemente, o termo significa a soma de todos os termos em que l aparece como o primeiro ou o segundo índice. Onde esta série converge, ela converge para o ângulo sólido definido pelos vetores.
Referências
Leitura adicional
- Jaffey, AH (1954). "Ângulo sólido subtendido por uma abertura circular em fontes pontuais e dispersas: fórmulas e algumas tabelas". Rev. Sci. Instrum . 25 . pp. 349–354. Bibcode : 1954RScI ... 25..349J . doi : 10.1063 / 1.1771061 .
- Masket, A. Victor (1957). "Integrais de contorno de ângulo sólido, séries e tabelas". Rev. Sci. Instrum . 28 (3). p. 191. bibcode : 1957RScI ... 28..191M . doi : 10.1063 / 1.1746479 .
- Naito, Minoru (1957). "Um método de cálculo do ângulo sólido subtendido por uma abertura circular". J. Phys. Soc. Jpn . 12 (10). pp. 1122–1129. Bibcode : 1957JPSJ ... 12.1122N . doi : 10.1143 / JPSJ.12.1122 .
- Paxton, F. (1959). "Cálculo do ângulo sólido para um disco circular". Rev. Sci. Instrum . 30 (4). p. 254. bibcode : 1959RScI ... 30..254P . doi : 10.1063 / 1.1716590 .
- Gardner, RP; Carnesale, A. (1969). “O ângulo sólido subtendido em um ponto por um disco circular”. Nucl. Instrum. Métodos . 73 (2). pp. 228–230. Bibcode : 1969NucIM..73..228G . doi : 10.1016 / 0029-554X (69) 90214-6 .
- Gardner, RP; Verghese, K. (1971). "No ângulo sólido subtendido por um disco circular". Nucl. Instrum. Métodos . 93 (1). pp. 163–167. Bibcode : 1971NucIM..93..163G . doi : 10.1016 / 0029-554X (71) 90155-8 .
- Asvestas, John S ..; Englund, David C. (1994). "Calculando o ângulo sólido subtendido por uma figura plana". Optar. Eng . 33 (12). pp. 4055–4059. Bibcode : 1994OptEn..33.4055A . doi : 10.1117 / 12.183402 .
- Tryka, Stanislaw (1997). "Distribuição angular do ângulo sólido em um ponto subtendido por um disco circular". Optar. Comun . 137 (4–6). pp. 317–333. Bibcode : 1997OptCo.137..317T . doi : 10.1016 / S0030-4018 (96) 00789-4 .
- Prata, MJ (2004). "Cálculo analítico do ângulo sólido subtendido por um detector de disco circular em uma fonte cosseno pontual". Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Um . 521 . p. 576. arXiv : math-ph / 0305034 . Bibcode : 2004NIMPA.521..576P . doi : 10.1016 / j.nima.2003.10.098 .
- Timus, DM; Prata, MJ; Kalla, SL; Abbas, MI; Oner, F .; Galiano, E. (2007). "Alguns resultados analíticos adicionais sobre o ângulo sólido subtendido em um ponto por um disco circular usando integrais elípticas". Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Um . 580 . pp. 149-152. Bibcode : 2007NIMPA.580..149T . doi : 10.1016 / j.nima.2007.05.055 .
links externos
- Teoria do polígono do HCR (ângulo sólido subtendido por qualquer polígono) de Academia.edu
- Arthur P. Norton, A Star Atlas, Gall and Inglis, Edimburgo, 1969.
- MG Kendall, A Course in the Geometry of N Dimensions, No. 8 of Griffin's Statistical Monographs & Courses, ed. MG Kendall, Charles Griffin & Co. Ltd, Londres, 1961
- Weisstein, Eric W. "Solid Angle" . MathWorld .