Experimentos con pompas de jabón: una aproximación a la Geometría

Transcripción

1 Experimentos con pompas de jabón: una aproximación a la Geometría Rafael López XIV Congreso de Enseñanza y Aprendizaje de las Matemáticas Málaga, 4-6 de junio de 2012 R. López (UGR) Pompas de jabón 1 / 35

2 R. López (UGR) Pompas de jabón 2 / 35

3 R. López (UGR) Pompas de jabón 3 / 35

4 Porqué el agua adopta esas formas y no otras? Estudiar las formas geométricas de gotas y ĺıquidos, describirlas matemáticamente R. López (UGR) Pompas de jabón 4 / 35

5 Material para los experimentos 1 agua con jabo n 2 glicerina 3 alambre 4 objetos para hacer pompas 5 paciencia! 6 curiosidad: preguntas - porque R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 5 / 35

6 Experimento 1: pompa de jabón La pompa de jabón es redonda Independientemente del objeto utilizado Porqué son redondas? y no cuadradas, o amorfas, R. López (UGR) Pompas de jabón 6 / 35

7 Experimento 2: gotas de aceite en agua Las gotas de aceite en agua son redondas. Se las toca, se las rompe, pero cuando esta n en equilibrio son redondas! R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 7 / 35

8 Problema isoperimétrico De entre todas las superficies que encierran un volumen fijo cuál es la que tiene menor área? De entre todas las superficies con un mismo área cuál es la que encierra mayor volumen? R. López (UGR) Pompas de jabón 8 / 35

9 Problema isoperimétrico en el plano Suponiendo área=1 poĺıgono lados longitud triángulo cuadrado 4 4 hexágono octógono dodecágono circunferencia 3 54 R. López (UGR) Pompas de jabón 9 / 35

10 Teorema (Desigualdad isoperimétrica) Para curvas: L 2 4πA y la igualdad ocurre si y sólo si la curva es una circunferencia. Para superficies: A 3 36πV 2 y la igualdad ocurre si y sólo si la superficie es una esfera. R. López (UGR) Pompas de jabón 10 / 35

11 Experimento 3: Problema isoperimétrico en el plano Curva cerrada circunferencia Fijando los dos bordes arco de circunferencia Los bordes se mueven libremente en una recta semicircunferencia R. López (UGR) Pompas de jabón 11 / 35

12 R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 12 / 35

13 Experimentos 4: Problema isoperime trico en el espacio Superficie cerrada esfera Superficie con borde circular casquete esfe rico Superficie con borde libremente en un plano semiesfera R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 13 / 35

14 En ausencia de gravedad, la energía viene dada por la tensión superficial, que es proporcional al área superficial A(S) = 1 La solución en equilibrio es solución de un problema variacional Deformación de S: {S(t); t ( ɛ, ɛ)} manteniendo el volumen encerrado A(t) = área de S(t) Cálculo de puntos críticos A (0) = 0 S R. López (UGR) Pompas de jabón 14 / 35

15 R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 15 / 35

16 Experimento 5: Problema isoperimétrico de la doble pompa Hallar la forma de dos superficies pegadas que, teniendo volúmenes predeterminados, tienen menor área. M. Hutchings, F. Morgan, M. Ritoré, A. Ros, 2002 R. López (UGR) Pompas de jabón 16 / 35

17 Curvatura de una superficie Qué es la curvatura de una curva? su aceleración, κ(t) = α (t) λ 1 (p) = max{curvaturas de curvas planas en p} λ 2 (p) = min{curvaturas de curvas planas en p}. R. López (UGR) Pompas de jabón 17 / 35

18 Definición La curvatura media en p es H(p) = λ 1(p) + λ 2 (p). 2 Ejemplo más simple: curvatura media constante R. López (UGR) Pompas de jabón 18 / 35

19 Interpretación física En condiciones ideales (microgravedad, presión constantes,...) Ecuación de Laplace: P L P A = 2H γ + cz. γ: coeficiente de tensión superficial. H = curvatura media de la interfase. R. López (UGR) Pompas de jabón 19 / 35

20 Sin gravedad, la interfase es una superficie con curvatura media constante. H = 0 P L = P A : minimizan el área. H = ct P L P A : : minimizan el área para deformaciones que conservan el volumen. R. López (UGR) Pompas de jabón 20 / 35

21 Las superficies CMC son peĺıculas de jabón: minimizan el área cuando hay algunas condiciones: un alambre circular disco plano (la frontera). inflando aire hasta forma una pompa de jabón esfera (el volumen). dos círculos coaxiales catenoide (la frontera). dos círculos coaxiales, con dos discos pegados e inflando aire superficies de Delaunay (frontera + volumen). R. López (UGR) Pompas de jabón 21 / 35

22 Experimento 6: Problema de Steiner I Minimizando el camino más corto entre diferentes puntos del plano R. López (UGR) Pompas de jabón 22 / 35

23 R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 23 / 35

24 Experimento 7: Problema de Steiner II Minimizando el camino ma s corto entre diferentes puntos del espacio R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 24 / 35

25 Experimento 8: superficie bordeada por una curva cerrada R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 25 / 35

26 Experimento 9: La superficie de Scherk cos (y) f (x, y) = log cos (x) R. López (UGR) Pompas de jabón 26 / 35

27 Experimento 10: la catenoide La catenoide es la única superficie de revolución que es minimal. La ecuación de la curva generatriz es f (x) = cosh(x) = ex + e x. 2 R. López (UGR) Pompas de jabón 27 / 35

28 R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 28 / 35

29 Experimento 11: Ejemplos minimales de Riemann Superficies minimales acotadas por dos circunferencias en planos paralelos. Teorema 1 Si el borde de una superficie minimal son dos círculos concéntricos, la superficie es una catenoide. 2 Si el borde son dos círculos en planos paralelos, la superficie es uno de los ejemplos de Riemann. R. López (UGR) Pompas de jabón 29 / 35

30 R. López (UGR) Pompas de jabón 30 / 35

31 Experimento 12: Ejemplos apoyados en planos Superficies CMC con borde en planos paralelos y en cun as R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 31 / 35

32 Experimento 13: Cómo hacerse famoso en el mundillo de la geometría cuáles son las superficies CMC bordeadas por un círculos? R. López (UGR) Pompas de jabón 32 / 35

33 R. Lo pez (UGR) Pompas de jabo n 33 / 35

34 The Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Potsdam, Alemania R. López (UGR) Pompas de jabón 34 / 35

35 Gracias por su atención! R. López (UGR) Pompas de jabón 35 / 35