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Surtidores y sumideros

El campo gravitacional de Newton tanto como el campo eléctrico producido por una carga eléctrica son modelos muy particulares generados por un campo vectorial emanado de una surtidor que tiene las siguientes características: Suponga que por un determinado punto, el surtidor, fluye un fluido infinito que tiene una densidad constante, como se muestra en la siguiente Figura 1, donde se entregan las líneas de flujo.
Por simetría el campo vectorial es en rigor una función del radio de la esfera, esto es

donde es el vector unitario en la dirección radial. Vamos a estimar el valor de v( r ) bajo las hipótesis establecidas para el fluido. El fluido en cualquier posición del espacio tiene la misma densidad, de tal forma que no existe acumulación de fluido en ninguna parte, por lo tanto la rapidez con que sale el fluido del surtidor debe ser igual a la razón con que el fluido cruza cualquier esfera concéntrica de radio r. Supongamos que k es el volumen por unidad de tiempo con que el fluido sale del surtidor, pues bien esa cantidad, por conservación de masa, deberá ser igual a la razón con que el fluido cruza la esfera concéntrica de radio r, y esta razón es igual a la velocidad radial que lleva el fluido en la posición r por el área de la esfera que debe atravesar, esto es

Sin pérdida de generalidad, y considerando que k es positivo, podemos expresarlo como k = 4pm, con m > 0. Nos queda,

Figura 1

de modo que

Y el campo buscado es entonces

             (1)

Aquí m representa la "carga" del surtidor, y sus unidades en este caso son de volumen por unidad de tiempo, y además r = x i + y j + z k. las líneas de flujo son rayos que salen del "surtidor", y la magnitud de la velocidad con que salen está determinada por la ley del cuadrado inverso. Ahora, perfectamente m puede ser negativo, lo que significa que las líneas de flujo son rayos que entran, y en este caso la fuente pasa a llamarse sumidero.
Es sorprendente como este sencillo modelo puede servir para la simulación de fluidos más complicados, y que además este modelo es esencialmente el mismo para la formulación de la Ley Gravitacional de Newton, y para el campo eléctrico generado por una carga eléctrica.
Finalmente, es sencillo verificar que un potencial para el campo (1) está dado por

de manera que (1) es equivalente a

 
Suponga ahora que trabajamos con el campo eléctrico

En este caso el potencial eléctrico está definido por

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