Tensores en coordenadas curvilíneas

Las coordenadas curvilíneas se pueden formular mediante el cálculo tensorial, con aplicaciones importantes en física e ingeniería, particularmente para describir el transporte de cantidades físicas y la deformación de la materia en mecánica de fluidos y mecánica de medios continuos.

Álgebra vectorial y tensorial en coordenadas curvilíneas tridimensionales

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El álgebra elemental de vectores y tensores en coordenadas curvilíneas se utiliza en parte de la literatura científica más antigua sobre mecánica y física, y puede ser indispensable para comprender el trabajo de principios y mediados del siglo XX, como por ejemplo el texto de Green y Zerna.[1]​ En esta sección se dan algunas relaciones útiles en el álgebra de vectores y tensores de segundo orden en coordenadas curvilíneas. La notación y el contenido son principalmente de Ogden,[2]​ Naghdi,[3]​ Simmonds,[4]​ Green y Zerna,[1]​ Basar y Weichert,[5]​ y Ciarlet.[6]

Transformaciones de coordenadas

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Considérense dos sistemas de coordenadas con variables de coordenadas   y  , que se representarán en breve como   y   respectivamente, asumiendo siempre que el índice   va del 1 al 3. Se supone que estos sistemas de coordenadas están integrados en el mismo espacio euclídeo tridimensional. Las coordenadas   y   se pueden usar para explicarse entre sí, porque a medida que se produce un desplazamiento en la línea de coordenadas de un sistema de coordenadas, se puede usar el otro para describir la nueva posición. De esta manera, las coordenadas   y   están relacionadas entre sí mediante funciones

  para  

lo que se puede escribir como

  para  

Estas tres ecuaciones juntas también se denominan transformación de coordenadas de   a  . Esta transformación se denota como  . Por lo tanto, se representará la transformación del sistema de coordenadas con variables de coordenadas   al sistema de coordenadas con coordenadas   como:

 

De manera similar, se puede representar   en función de   de la siguiente manera:

  para  

De manera similar, se pueden escribir las ecuaciones libres de manera más compacta como

  para  

Estas tres ecuaciones juntas también se denominan transformación de coordenadas de   a  . Ahora, se denota esta transformación por  , y se representará la transformación del sistema de coordenadas con variables de coordenadas   al sistema de coordenadas con coordenadas   como:

 

Si la transformación   es biyectiva, entonces se denomina a la imagen de la transformación, concretamente  , un conjunto de coordenadas admisibles'  . Si   es lineal, el sistema de coordenadas   se denominará sistema de coordenadas afín. De lo contrario,   se denominará sistema de coordenadas curvilíneo.

Jacobiano

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Como ahora se ve que las coordenadas   y   están relacionadas entre sí mediante funciones, se puede tomar la derivada de la variable de coordenadas   con respecto a la variable de coordenadas   y considerar que

  para  . Estas derivadas se pueden organizar en una matriz, póngase por caso  , en la que   es el elemento en la  -ésima fila y en la  -ésima columna
 

La matriz resultante se llama matriz jacobiana.

Vectores en coordenadas curvilíneas

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Sea (b'1, b2, b3) una base arbitraria para el espacio euclídeo tridimensional. En general, los vectores de la base no son ni vectores unitarios ni mutuamente ortogonales. Sin embargo, se requiere que sean linealmente independientes. Entonces, un vector v' se puede expresar como[4]: 27 

 

Las componentes vk son las componentes contravariantes del vector v.

La base recíproca (b1, b2, b3) está definida por la relación[4]: 28–29 

 

donde δi j es la delta de Kronecker.

El vector v también se puede expresar en términos de la base recíproca:

 

Las componentes vk son las componentes covariantes del vector  .

Tensores de segundo orden en coordenadas curvilíneas

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Un tensor de segundo orden se puede expresar como

 

Las componentes Sij se denominan componentes contravariantes, las componentes Si j son las componentes covariantes a la derecha mixtas, las componentes Si j son las componentes covariantes a la izquierda mixtas, y las componentes Sij se denominan componentes covariantes del tensor de segundo orden.

Tensor métrico y relaciones entre componentes

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Las cantidades gij, gij se definen como[4]: 39 

 

De las ecuaciones anteriores se tiene que

 

Las componentes de un vector están relacionadas por[4]: 30–32 

 
 

Y también

 
 

Las componentes del tensor de segundo orden están relacionadas por

 

Tensor alterno

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En términos ortonormales a la derecha, el tensor alterno de tercer orden se define como

 

En una base curvilínea general, el mismo tensor se puede expresar como

 

Se puede demostrar que

 

Ahora,

 

Y por eso,

 

De manera similar, se puede demostrar que

 

Operaciones vectoriales

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Aplicación identidad

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La aplicación de identidad I, definida por  , se puede mostrar como:[4]: 39 

 

Producto escalar (punto)

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El producto escalar de dos vectores en coordenadas curvilíneas es[4]: 32 

 

Producto vectorial (cruzado)

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El producto vectorial de dos vectores viene dado por:[4]: 32–34 

 

donde εijk es símbolo de Levi-Civita y 'ei es un vector de base cartesiana. En coordenadas curvilíneas, la expresión equivalente es:

 

donde   es el tensor alterno de tercer orden. El producto vectorial de dos vectores viene dado por:

 

donde εijk es el símbolo de Levi-Civita y   es un vector de base cartesiana. Por lo tanto,

 

y

 

Por eso,

 

Volviendo al producto vectorial y usando las relaciones:

 

se obtiene

 

Operaciones tensoriales

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Aplicación identidad

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Se puede mostrar que la aplicación identidad   definida por   es[4]: 39 

 

Acción de un tensor de segundo orden sobre un vector

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La acción de   se puede expresar en coordenadas curvilíneas como

 

Producto interno de dos tensores de segundo orden

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El producto interno de dos tensores de segundo orden   se puede expresar en coordenadas curvilíneas como

 

Alternativamente,

 

Determinante de un tensor de segundo orden

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Si   es un tensor de segundo orden, entonces su determinante está definido por la relación

 

donde   son vectores arbitrarios y

 

Relaciones entre vectores de bases curvilínea y cartesiana

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Sean (e'1, e2, e3) los vectores de una base cartesiana habituales para el espacio euclídeo de referencia, y sean

 

donde Fi es un tensor de transformación de segundo orden que asigna ei a bi. Entonces,

 

De esta relación se puede demostrar que

 

Sea   el jacobiano de la transformación. Entonces, a partir de la definición del determinante,

 

Dado que

 

se obtiene

 

Se pueden derivar varios resultados interesantes utilizando las relaciones anteriores.

Primero, considérese

 

Entonces

 

De manera similar, se puede demostrar que

 

Por lo tanto, utilizando el hecho de que  ,

 

Otra relación interesante se deriva a continuación. Recordando que

 

donde A es una constante, todavía indeterminada. Entonces

 

Esta observación conduce a las relaciones

 

En notación indexada,

 

donde   es el símbolo de Levi-Civita habitual.

No se ha identificado una expresión explícita para el tensor de transformación F porque es más útil una forma alternativa de aplicación entre bases curvilíneas y cartesianas. Suponiendo un grado suficiente de suavidad en la aplicación (y con un poco de abuso de notación), se tiene que

 

Similarmente,

 

De estos resultados se tiene que

 

y

 

Cálculo vectorial y tensorial en coordenadas curvilíneas tridimensionales

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Simmonds,[4]​ en su libro sobre campos tensoriales, cita a Albert Einstein diciendo:[7]

La magia de esta teoría difícilmente dejará de imponerse a cualquiera que la haya comprendido verdaderamente; representa un triunfo genuino del método del cálculo diferencial absoluto, fundado por Gauss, Riemann, Ricci y Levi-Civita.

El cálculo vectorial y tensorial en coordenadas curvilíneas generales se utiliza en el análisis tensorial en variedades curvilíneas de cuatro dimensiones en la relatividad general,[8]​ en la mecánica de placas curvas,[6]​ y para examinar las propiedades de invarianza de las ecuaciones de Maxwell, lo que ha sido de interés en metamateriales[9][10]​ y en muchos otros campos.

En esta sección se dan algunas relaciones útiles en el cálculo de vectores y tensores de segundo orden en coordenadas curvilíneas. La notación y el contenido son principalmente de Ogden,[2]​ Simmonds,[4]​ Green y Zerna,[1]​ Basar y Weichert,[5]​ y Ciarlet.[6]

Definiciones básicas

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Sea la posición de un punto en el espacio caracterizada por tres variables de coordenadas  .

El sistema de coordenadas q1 representa una curva en la que q2, q3 son constantes. Sea x la posición del punto relativo a algún origen. Entonces, suponiendo que dicha aplicación y su inversa existen y son continuas, se puede escribir[2]: 55 

 

Los campos ψi(x) se denominan funciones de coordenadas curvilíneas del sistema de coordenadas curvilíneas ψ(x) = φ−1(x).

Las curvas de coordenadas qi están definidas por la familia de funciones de un parámetro dada por

 

con qj, qk arreglado.

Vector tangente para coordenadas curvilíneas

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El vector tangente' a la curva xi en el punto xi(α) (o a la curva de coordenadas qi en el punto 'x) es

 

Gradiente

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Campo escalar

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Sea f(x) un campo escalar en el espacio. Entonces

 

El gradiente del campo f está definido por

 

donde c es un vector constante arbitrario. Si se definen las componentes ci de c, son tales que

 

entonces

 

Si se configura  , entonces desde  , se tiene que

 

que proporciona un medio para extraer las componentes contravariantes de un vector c.

Si bi es la base covariante (o natural) en un punto, y si bi es la base contravariante (o recíproca) en ese punto, entonces

 

En la siguiente sección se ofrece una breve justificación de esta elección de base.

Campo vectorial

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Se puede utilizar un proceso similar para llegar al gradiente de un campo vectorial f(x). El gradiente está dado por

 

Si se considera el gradiente del campo del vector de posición r(x) = x, entonces se puede demostrar que

 

El campo vectorial bi es tangente a la curva de coordenadas qi y forma una base natural en cada punto de la curva. Esta base, como se analizó al principio de este artículo, también se denomina base curvilínea covariante. También se puede definir una base recíproca o una base curvilínea contravariante, bi. Todas las relaciones algebraicas entre los vectores de la base, como se analiza en la sección sobre álgebra tensorial, se aplican a la base natural y su recíproca en cada punto x.

Como c es arbitrario, se puede escribir

 

Téngase en cuenta que el vector de la base contravariante bi es perpendicular a la superficie de la constante ψi y está dado por

 

Símbolos de Christoffel de primera especie

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Los símbolos de Christoffel de primera especie se definen como

 

Para expresar Γijk en términos de gij, se observa que

 

Dado que bi,j = bj,i se tiene que Γijk = Γjik. Usarlos para reorganizar las relaciones anteriores permite obtener

 

Símbolos de Christoffel de segunda especie

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Los símbolos de Christoffel de segunda especie se definen como

 

en donde

 

Esto implica que

 

Otras relaciones que se siguen son

 

Otra relación particularmente útil, que muestra que el símbolo de Christoffel depende solo del tensor métrico y de sus derivadas, es

 

Expresión explícita para el gradiente de un campo vectorial

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Las siguientes expresiones para el gradiente de un campo vectorial en coordenadas curvilíneas son bastante útiles.

 

Representación de un campo vectorial físico

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El campo vectorial v se puede representar como

 

donde   son las componentes covariantes del campo,   son las componentes físicas y (sin adición)

 

son los vectores de la base contravariante normalizados.

Campo tensorial de segundo orden

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El gradiente de un campo tensorial de segundo orden se puede expresar de manera similar como

 

Expresiones explícitas para el gradiente

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Si se considera la expresión del tensor en términos de una base contravariante, entonces

 

También se puede escribir

 

Representación de un campo tensorial físico de segundo orden

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Las componentes físicas de un campo tensorial de segundo orden se pueden obtener utilizando una base contravariante normalizada, es decir,

 

donde los vectores de la base con guion superior se han normalizado. Esto implica que (nuevamente sin suma)

 

Divergencia

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Campo vectorial

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La divergencia de un campo vectorial ( ) se define como

 

En términos de componentes con respecto a una base curvilínea

 

Con frecuencia se utiliza una ecuación alternativa para la divergencia de un campo vectorial. Para deducir esta relación se debe recordar que

 

Ahora,

 

Observando que, debido a la simetría de  ,

 

se tiene que

 

Recuérdese que si [gij] es la matriz cuyos componentes son gij, entonces la inversa de la matriz es  . La inversa de la matriz está dada por

 

donde Aij son los menores de las componentes gij. Del álgebra matricial, se tiene que

 

Por eso,

 

Introduciendo esta relación en la expresión de la divergencia se obtiene

 

Una pequeña agrupación de los términos conduce a una forma más compacta

 

Campo tensorial de segundo orden

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La divergencia de un campo tensorial de segundo orden se define usando

 

donde a es un vector constante arbitrario.[11]

En coordenadas curvilíneas,

 

Laplaciano

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Campo escalar

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El laplaciano de un campo escalar φ(x) se define como

 

Usar la expresión alternativa para la divergencia de un campo vectorial permite obtener

 

Y ahora

 

Por lo tanto,

 

Rotacional de un campo vectorial

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El rotacional de un campo vectorial v' en coordenadas curvilíneas covariantes se puede escribir como

 

donde

 

Coordenadas curvilíneas ortogonales

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Supóngase, para los propósitos de esta sección, que el sistema de coordenadas curvilíneo es ortogonal, es decir,

 

o equivalentemente,

 

donde  . Como antes,   son los vectores de la base covariantes y bi, b'j son los vectores de la base contravariantes. Además, haciendo que ('e1, e2, e3) sea una base cartesiana fija y de referencia. A continuación se proporciona una lista de coordenadas curvilíneas ortogonales.

Tensor métrico en coordenadas curvilíneas ortogonales

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Sea r(x) la posición del punto x con respecto al origen del sistema de coordenadas. La notación se puede simplificar observando que x = r(x). En cada punto se puede construir un pequeño elemento lineal dx. El cuadrado de la longitud del elemento lineal es el producto escalar dx • dx y se llama métrica del espacio. Recuérdese que se supone que el espacio de referencia es euclídeo cuando se habla de coordenadas curvilíneas. Ahora, se expresa el vector de posición en términos de la base cartesiana fija de fondo, es decir,

 

Usando la regla de la cadena, se puede entonces expresar dx en términos de coordenadas curvilíneas ortogonales tridimensionales (q1, q2, q3) como

 

Por lo tanto, la métrica viene dada por

 

La cantidad simétrica

 

se llama tensor fundamental (o métrico) del espacio euclídeo en coordenadas curvilíneas.

Téngase en cuenta también que

 

donde hij son los coeficientes de Lamé.

Si se definen los factores de escala, hi, usando

 

se obtiene una relación entre el tensor fundamental y los coeficientes de Lamé.

Ejemplo: coordenadas polares

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Si se consideran las coordenadas polares para R2, se debe tener en cuenta que

 

(r, θ) son las coordenadas curvilíneas, y el determinante jacobiano de la transformación (r,θ) → (r cos θ, r sin θ) es r .

Los vectores de la base ortogonal son br = (cos θ, sin θ), bθ = (−r sin θ, r cos θ). Los vectores de base normalizados son er = (cos θ, sin θ), eθ = (−sin θ, cos θ) y los factores de escala son hr = 1 y hθ= r. El tensor fundamental es g11 =1, g22 =r2, g12 = g21 = 0.

Integrales de línea y superficie

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Si se desea utilizar coordenadas curvilíneas para los cálculos con vectores, es necesario realizar ajustes para abordar las integrales de línea, de superficie y de volumen. Para simplificar, se restringe nuevamente la discusión a tres dimensiones y coordenadas curvilíneas ortogonales. Sin embargo, los mismos argumentos se aplican a problemas   dimensionales, aunque hay algunos términos adicionales en las expresiones cuando el sistema de coordenadas no es ortogonal.

Integrales de línea

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Normalmente, en el cálculo de integrales lineales interesa determinar

 

donde x(t) parametriza C en coordenadas cartesianas. En coordenadas curvilíneas, el término

 

por la regla de la cadena y la definición de los coeficientes de Lamé,

 

y por lo tanto

 

Ahora, dado que   cuando  , se tiene que

 

y se puede proceder normalmente.

Integrales de superficie

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Asimismo, si interesa determinar una integral de superficie, el cálculo relevante, con la parametrización de la superficie en coordenadas cartesianas es:

 

Nuevamente, en coordenadas curvilíneas, se tiene que

 

y se hace uso de la definición de coordenadas curvilíneas nuevamente para obtener

 

Por lo tanto,

 

donde   es el símbolo de Levi-Civita.

En forma de determinante, el producto vectorial en términos de coordenadas curvilíneas será:

 

Gradiente, rotacional, divergencia y laplaciano

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En coordenadas curvilíneas ortogonales en 3 dimensiones, donde

 

se puede expresar el gradiente de un escalar o campo vectorial como

 

Para una base ortogonal

 

La divergencia de un campo vectorial se puede escribir como

 

Y también,

 

Por lo tanto,

 

Se puede obtener una expresión para el laplaciano de manera similar observando que

 

Entonces, se tiene que

 

Las expresiones para el gradiente, la divergencia y el laplaciano se pueden extender directamente a n dimensiones.

El rotacional de un campo vectorial viene dado por

 

donde εijk es el símbolo de Levi-Civita.

Ejemplo: coordenadas polares cilíndricas

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Para las coordenadas cilíndricas se tiene que

 

y

 

donde

 

Entonces, los vectores de las bases covariante y contravariante son

 

donde   son los vectores unitarios en las direcciones  .

Téngase en cuenta que las componentes del tensor métrico son tales que

 

lo que demuestra que la base es ortogonal.

Las componentes distintas de cero del símbolo de Christoffel de segunda especie son

 

Representación de un campo vectorial físico

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Los vectores de la base contravariante normalizados en coordenadas polares cilíndricas son

 

y las componentes físicas de un vector v son

 

Gradiente de un campo escalar

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El gradiente de un campo escalar, f(x), en coordenadas cilíndricas ahora se puede calcular a partir de la expresión general en coordenadas curvilíneas, y tiene la forma

 

Gradiente de un campo vectorial

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De manera similar, se puede demostrar que el gradiente de un campo vectorial, v(x), en coordenadas cilíndricas es

 

Divergencia de un campo vectorial

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Usando la ecuación para la divergencia de un campo vectorial en coordenadas curvilíneas, se puede demostrar que la divergencia en coordenadas cilíndricas es

 

Laplaciano de un campo escalar

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El laplaciano se calcula más fácilmente teniendo en cuenta que  . En coordenadas polares cilíndricas

 

Por eso,

 

Representación un campo tensorial físico de segundo orden

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Las componentes físicas de un campo tensorial de segundo orden son los que se obtienen cuando el tensor se expresa en términos de una base contravariante normalizada. En coordenadas polares cilíndricas estas componentes son:

 

Gradiente de un campo tensorial de segundo orden

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Usando las definiciones anteriores es posible demostrar que el gradiente de un campo tensorial de segundo orden en coordenadas polares cilíndricas se puede expresar como

 

Divergencia de un campo tensorial de segundo orden

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La divergencia de un campo tensorial de segundo orden en coordenadas polares cilíndricas se puede obtener a partir de la expresión del gradiente recopilando los términos donde el producto escalar de los dos vectores externos en los productos diádicos es distinto de cero. Por lo tanto,

 

Véase también

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Referencias

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  1. a b c Green, A. E.; Zerna, W. (1968). Theoretical Elasticity. Oxford University Press. ISBN 0-19-853486-8. 
  2. a b c Ogden, R. W. (2000). Nonlinear elastic deformations. Dover. 
  3. Naghdi, P. M. (1972). «Theory of shells and plates». En S. Flügge, ed. Handbook of Physics. VIa/2. pp. 425-640. 
  4. a b c d e f g h i j k Simmonds, J. G. (1994). A brief on tensor analysis. Springer. ISBN 0-387-90639-8. 
  5. a b Basar, Y.; Weichert, D. (2000). Numerical continuum mechanics of solids: fundamental concepts and perspectives. Springer. 
  6. a b c Ciarlet, P. G. (2000). Theory of Shells 1. Elsevier Science. 
  7. Einstein, A. (1915). «Contribution to the Theory of General Relativity». En Laczos, C., ed. The Einstein Decade. p. 213. 
  8. Misner, C. W.; Thorne, K. S.; Wheeler, J. A. (1973). Gravitation. W. H. Freeman and Co. ISBN 0-7167-0344-0. 
  9. Greenleaf, A.; Lassas, M.; Uhlmann, G. (2003). «Anisotropic conductivities that cannot be detected by EIT». Physiological Measurement 24 (2): 413-419. PMID 12812426. S2CID 250813768. doi:10.1088/0967-3334/24/2/353. 
  10. Leonhardt, U.; Philbin, T. G. (2006). «General relativity in electrical engineering». New Journal of Physics 8 (10): 247. Bibcode:2006NJPh....8..247L. S2CID 12100599. arXiv:cond-mat/0607418. doi:10.1088/1367-2630/8/10/247. 
  11. «The divergence of a tensor field». Introduction to Elasticity/Tensors. Wikiversidad. Consultado el 26 de noviembre de 2010. 

Bibliografía

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  • Spiegel, M. R. (1959). Vector Analysis. New York: Schaum's Outline Series. ISBN 0-07-084378-3. 
  • Arfken, George (1995). Mathematical Methods for Physicists. Academic Press. ISBN 0-12-059877-9. 

Enlaces externos

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