PROBLEMAS RESUELTOS
DE FISICA
ejercicios de física nuclear y atómica

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Ejercicios de física nuclear

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Ejercicios de Física Nuclear resueltos

Dado un cilindro de volumen V calcular:
    a) la razón radio-altura que hace mínima la razón superficie-volumen.
    b) la que hace mínimo en laplaciano geométrico.
Respuesta al ejercicio 76

Sabemos que el área total y el volumen del cilindro viene dado por:
    \( S = 2\pi R·H + 2\pi R^2 \quad ;\quad V = \pi R^2H \)
Para obtener la razón R/H carga mínimo al cociente S/V, calculamos en mi mínimo de S/V con la condición V = Cte. Aplicando el método de los multiplicadores de Lagrange tenemos:
    \( \displaystyle F = \frac{S}{V} + \lambda(\pi·R^2H - V) = \frac{2}{H} + \frac{2}{R} + \lambda(\pi·R^2H - V) \)
Y operando:
    \( \displaystyle \begin{array}{l}
    \frac{\partial F}{\partial R} =- \frac{2}{R^2} + 2\lambda\pi R·H = 0 \\
     \\
    \frac{\partial F}{\partial H} =- \frac{2}{H^2} + 2\lambda\pi R^2 = 0
    \end{array} \)
Despejando \( \lambda \) estas dos ecuaciones resulta:
    \( \displaystyle \lambda = \frac{1}{\pi R^3H} = \frac{2}{\pi H^2R^2} \Rightarrow \frac{H}{R} = 2 \)
Para comprobar que esté valor minimiza el cociente S/V calculamos \( d^2F \):
    \( \displaystyle \begin{array}{l}
    d^2F = \frac{\partial^2 F}{\partial R^2}dR^2 + \frac{\partial^2 F}{\partial H^2}dH^2 + \frac{\partial^2 F}{\partial R \partial H}dR·dH = \\
     \\
    = \left(\frac{4}{R^3}+ 2\lambda\pi H\right)dR^2 + \frac{4}{H^3}dH^2 + 4\lambda\pi R·dR·dH
    \end{array} \)
Y de la condición de ligadura obtenemos:
    \( 2\pi R·H·dR + \pi R^2dH = 0 \Rightarrow dH = - 4·dR \)
Con lo que finalmente, haciendo operaciones:
    \( \displaystyle \frac{d^2F}{dR^2} = \frac{2\pi}{V} > 0 \Rightarrow \min \)
La relación R-H qué hace mínimo el laplaciano se obtiene calculando el mínimo de \( B^2 \) con la condición V = Cte. Aplicando el método anterior, tenemos:
    \( \displaystyle F = B^2 + \lambda(\pi R^2H - V) = \left(\frac{\pi}{H}\right)^2 + \left(\frac{2,405}{R}\right)^2 + \lambda(\pi R^2H - V) \)
Y derivando:
    \( \displaystyle \begin{array}{l}
    \frac{\partial F}{\partial R} =- \frac{2,405^2}{R^3} + 2\lambda\pi R·H = 0 \\
     \\
    \frac{\partial F}{\partial H} =- \frac{2\pi^2}{H^3} + 2\lambda\pi R^2 = 0
    \end{array} \)
Con lo que resultará:
    \( \displaystyle \lambda = \frac{2,405^2}{\pi R^2H} = \frac{2\pi}{H^3R^2} \Rightarrow \frac{H}{R} = \frac{\sqrt{2}\pi}{2,405}
    \)
Obteniendo \(d^2F\) se comprueba que esté valor minimiza el laplaciano.
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Página publicada por: José Antonio Hervás