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Folheações Tensas
Ao longo dessa sessão, salvo explicita menção ao contrário, M é uma variedade fechada e conexa de dimensão 3, e F é uma folheação bidimensional, orientada e transversalmente orientada (em particular, M é também orientada), e de classe C0,1+ em M (isso significa que cada folha de F é uma variedade C1 imersa em M, ao passo que a distribuição TF tangente às folhas é apenas contínua).
Lembre-se que uma variedade T imersa em uma variedade folheada (M,F) é uma transversal da folheação F se para toda folha L que intersecta T e todo ponto x∈T∩L vale TxM=TxT⊕TxF(x).
Definição 1: A folheação F é dita tensa (do inglês, taut) se toda folha encontra uma transversal fechada.
Exemplo: Seja M=D2×S1 o toro sólido, e F a folheação por discos que vem do produto. Qualquer curva do tipo {ponto}×S1 é uma transversal fechada intersectando todas as folhas, logo F é tensa.
Transversais fechadas são importantes em codimensão 1 pois se relacionam com a existência de folhas compactas:
Lema 1: Seja L uma folha de F, e suponha que exista em M uma curva γ, transversal à F, cujos extremos estão contidos em L. Então existe uma transversal fechada σ que intersecta exatamente as mesmas folhas que γ. Além disso, se L é uma folha que não intersecta nenhuma transversal fechada, então L é compacta.
Demonstração: O argumento é de fácil visualização. De maneira breve, se os pontos extremais xi:=γ(i),i=0,1 pertencem à folha L, a ideia é considerar uma curva γL contida na folha L e unindo os pontos x0 e x1. Então γ∗γ−1L é uma curva fechada em M transversa a folheação exceto na folha L. Basta então pertubar essa curva próximo a L de maneira a obter uma transversal fechada σ:
Essa demonstração pode ser encontrada com todos os detalhes em [CC00], Proposição 3.3.7.
Quanto a segunda afirmação, basta notar que se M é compacta e L é uma folha não compacta. Então existe uma carta folheada de M cuja intersecção com L contém ao menos duas placas. Basta então tomar γ como uma seção transversal de F unindo essas duas placas, e pela construção anterior segue L intersecta uma transversal fechada.
Q.E.D
Teorema (Goodman): Seja L uma folha que não é intersectada por nenhuma transversal fechada. Então L≈T2.
Corolário: Se F não possui folhas fechadas então F é tensa.
Proposição 1: Suponha que F é uma folheação tensa. Então existe uma única transversal fechada que intersecta todas as folhas.
Demonstração: Seja γ uma transversal fechada. A saturação F(γ) é a união de todas as folhas intersectadas por γ, e portanto um aberto de M. Segue da compacidade que existe uma coleção finita γ1,⋯,γn de transversais fechadas tais que toda folha de F pertence a pelo menos um dos Mi:=F(γi), e portanto M é uma união de abertos
M=∪iMi.
Suponha que a coleção γ1,⋯,γn seja minimal. Então a união acima é disjunta. De fato, se L é uma folha em Mi∩Mj, então L encontra γi e γj, e portanto existe uma curva σ:I→L tal que
γi∗σ∗γj∗σ−1
pode ser perturbada de modo a construir unica transversal intersectando as mesmas folhas que γi e γj, contradizendo a minimalidade de n.
Segue que M é união disjunta dos abertos M1,⋯,Mn, e pela conexidade de M tem-se n=1.
Q.E.D
Definição 2: Um calabouço (também encontrado na literatura inglesa como dead end component) da folheação F é um aberto saturado C⊂M tal que não existe nenhuma curva γ:R→C simultaneamente transversal à F e propriamente mergulhada. Em outras palavras, um calabouço é uma união aberta de folhas tal que nenhuma curva transversal a folheação F|C pode “sair” de C.
Exemplo: Se R é uma componente de Reeb da folheação F, então C=intR é um calabouço. De fato, não é difícil ver, usando o teorema do valor intermediário, que qualquer curva em R que atravesse transversalmente a fronteira ∂R≈T2 deve ser tangente a uma das folhas em C.
Não é difícil se convencer que a existência de um calabouço C impede a folheção F de ser tensa. De fato, como C é um conjunto saturado, sua fronteira é uma união de folhas, e segue da definição de um calabouço que essas folhas não podem encontrar transversais fechadas. A ausência de calabouços é portanto uma condição necessária para que uma folheção em uma variedade compacta seja tensa. Os seguintes dois resultados aprofundam a relação entre calabouços e folheações tensas, afirmando que a ausência de calabouços é também uma condição suficiente afim de garantir a propriedade da tensão. Demonstrações podem ser encontradas em [CC00] (Lemma 6.3.2 e Corolário 6.3.4), e também em [Cal07] (Lema 4.28). .
Lema 2: Se C é um calabouço, então ∂C é uma união de folhas toroidais de F.
Proposição 2: A folheação F é tensa se e somente se não possui calabouços.
Em particular, folheações tensas não possuem componentes de Reeb.
Dizemos que um fluxo em M é transversal à F se cada uma das suas curvas integrais é transversal a F. Como F tem codimensão 1, orientabilidade transversal equivale a existência de um campo de vetores (a princípio apenas contínuo) transverso à F em todos os pontos. Consequentemente, as curvas integrais desse campo formam uma folheação T cujas folhas são transversais de F. Para o caso de folheações tensas, é possível tomar uma folheação transversal com ainda mais propriedades:
Proposição 3: A folheação F é tensa se e somente se admite um fluxo transversal que preserva uma forma de volume.
Demonstração: Se F é tensa existe um mapa f:S1→M cuja imagem é uma transversal fechada. Tomando uma vinhança tubular dessa transversal é possível estender f de modo a obter uma aplicação f:D2×S1→M cujo domínio é o toro sólido. Dado um ponto qualquer x∈M é possível, através de homotopias, “movimentar” o toro f(D2×S1) de tal modo que ele contenha o ponto x. Em particular, se F é tensa então por todo ponto de M passa uma transversal fechada que intersecta todas as folhas de F. Se f(x0,t0)=x, então a menos de uma pertubação genérica do mapa fx0(t):=f(x0,t0), a transversal fx0(S1) pode ser tomada como uma variedade mergulhada.
Dada a compacidade de M, podemos tomar uma quantidade finita de toros sólidos Ti:=fi(D2×S1) cujos interiores cobrem M. Considere agora em D2 uma 2-forma fechada θ de classe C∞, e que seja positiva em int(D2) e identicamente nula na fronteira ∂D2. A 2-forma
ω:=∑if∗iθ
é uma forma de volume no fibrado TF, e de classe C∞. Note que a não-degenerescência de ω em TF implica que existe um campo R de classe C∞ e transverso a F, tal que ω(R,⋅)≡0, isto é, R gera o núcleo de ω. Considere a 1-forma α definida em M pelas condições {α(R)=1;α|TF≡0. A primeira condição implica que α é não-degenerada. Isto, junto ao fato de que ω é uma forma de volume em TF=kerα implica que a 3-forma μ=α∧ω é uma forma de volume em M. Finalmente, tem-se LRμ=d(ιRμ)+ιRdμ=dω=0, e portanto o fluxo de R preserva o volume μ, isto é, o fluxo do campo R possui todas as propriedades do enunciado.
Para mais detalhes dessa construção, bem como para a prova da recíproca, veja capítulo 4 de [Cal07].
Q.E.D
A construção usada na demonstração acima, em especial a existência da forma ω, tem consequências geométricas importantes para as folhas de F. Por exemplo, suponha que g é uma metrica riemanniana em M. A métrica g induz uma norma no espaço das formas diferenciais de M. Em particular, considere a norma ‖ω‖ de uma 2-forma ω como o supremo sobre M das normas dos operadores ωx:TxM∧TxM→R, onde a norma de TxM é dada por gx.
Definição 3: Uma calibração para a folheação F é uma 2-forma fechada ω que se restringe a uma forma de área em cada folha e satisfaz ‖ω‖=1.
Note que, a menos de normalização, a 2-forma ω definida por (1) é uma calibração da folheação tensa F. Aqui,
Lema 3: Se a folheação F admite uma calibração ω então M admite uma métrica Riemanniana com respeito a qual cada folha L é uma superfície minimal.
Demonstração: A imposição sobre a norma da forma ω implica que pontualmente ω é forma de area em L, e possui valor absoluto estritamente menor que a forma de area em qualquer outro plano tangente de qualquer outra superfície. Desse modo, dado um compacto K contido em uma folha L, considere um segundo compacto K′, homologo à K, e tal que ∂K=∂K′. Se L′ é a superfície obtida de L ao se trocar K por K′, então
area(K)=∫Kω=∫K′ω≤area(K′),
e portanto a L é uma superficie minimal.
Q.E.D
É possível demonstrar a recíproca desse resultado (cf. Capítulo 10 em [CC00], mais especificamente o Corolário 10.5.10). Como uma consequência direta, tem-se:
Proposição 4: A folheação F é tensa se e somente se M admite uma métrica Riemanniana g com respeito a qual as folhas de F são superfícies minimais.
Reunindo os resultados anteriores em um único enunciado, temos:
Definição (folheações tensas): A folheação F é tensa se satisfaz qualquer uma das seguintes propriedades:
- existe uma transversal fechada completa;
- toda folha de F encontra uma transversal fechada;
- por todo ponto de M passa uma transversal fechada completa;
- F não possui calabouços;
- existe um fluxo transversal à F que preserva um volume em M:
- M suporta uma métrica Riemanniana com respeito a qual todas as folhas de M são variedades minimais.
Os teoremas de Novikov, Rosenberg e Palmeira
Relembramos dois resultados conhecidos do estudo de 3-variedades: os teoremas de Novikov (cf. [Nov65], com demonstraçao disponível em [CC03]) e Rosenberg [Ros68].
Teorema de Novikov: Seja M uma 3-variedade compacta tal que π2(M)≠∅. Suponha que M suporta uma folheação bidimensional F orientável e transversalmente orientável. Então
- ou F possui uma componente de Reeb;
- ou M≈S2×S e F é a folheação produto, onde S é uma variedade unidimensional compacta (ou seja, S≈S1 ou S≈I).
Addendum: Rousarie provou que se M3 não é irredutível e F folheação codimensão um, então tem folha compacta.
Teorema de Rosenberg: Se M é uma 3-variedade sem fronteira admitindo uma folheação bidimensional por planos, então M é irredutível.
Esses dois teoremas tem consequências importantes no caso em que M é uma variedade compacta de dimensão 3, não necessariamente sem bordo, e F é uma folheação tensa em M. Nesse caso, como (M,F) não possui componentes de Reeb, um segundo resultado de Novikov ([CC03], Teorema 9.1.3) implica que todas as folhas de F são π1-injetivas (isto é, os mapas de inclusão das folhas em M induzem mapas injetivos entre grupos fundamentais, e portanto todo laço essencial em uma folha é também essencial em M). Em particular, em M0:=M∖∂M, a folheação F0 mantém essa mesma propriedade. Pelo teorema de Novikov, ou π2(M)=0 ou M é homeomórfica ao produto de S2 e uma variedade compacta. Caso π2(M)=0, então o fato de que F0 é π1-injetiva implica que seu levantamento para o recobrimento universal de M0 é uma folheação por planos (porquê) . Daí o teorema de Rosenberg implica que o recobrimento universal de M0 é irredutível, o que implica que M0, e consequentemente também M, são irredutíveis. Em suma:
Proposição 5: Se M é uma variedade 3-dimensional compacta equipada com uma folheação tensa, então ou M é irredutível ou é homeomórfica ao produto de S2 e uma variedade unidimensional compacta.
Outro teorema importante na teoria de folheações é o teorema de Palmeira [Pal78], que caracteriza folheações planares em variedades abertas.
Definição 4: Uma folheação (M,F) de codimensão 1 é dita planar se suas folhas são difeomórficas a um espaço Euclideano de dimensão apropriada.
0 espaço das folhas de uma variedade folheada (M,F) é o conjunto LF:= M/F, munido da topologia quociente. Em geral, esse espaço é bastante complexo e desprovido de estruturas, mas no caso de folheações planares é possível mostrar que esse espaço é sempre uma varieade unidimensional conexa, em geral não Hausdorff. Além disso, a projeção p:M→LF é uma fibração e induz homemorfismos entre os grupos de homotopia de M e LF. Além disso, no caso em que M é simplesmente conexa e F uma folheação planar, então F não admite curvas transversais que intersectem a mesma folha mais de uma vez. De fato, se isso ocorresse então a construção do Lema 1 implicaria na existência de uma transversal fechada, a qual seria homotopicamente nula já que M é simplesmente conexa. Mas isso implica (veja [CC00], Proposição 7.3.2) na existência de uma folha com holonmia não trivial, um absurdo uma vez que todas as folhas de F são homotopicamente nulas.
Finalmente, o resultado de Palmeira [Pal78] pode ser descrito como
Teorema de Palmeira: Sejam (Mi,Fi),i=1,2 folheações por planos em variedades abertas e simplesmente conexas de dimensão n≥3. Denote por pi:Mi→LFi a projeção no espaço das folhas, munidos da topologia quociente. Se h:LF1→LF2 é um homeomorfismo entre esses espaços, então existe um homeomorfismo H:M1→M2 tal que h∘p1=p2∘H. Em particular, F1 e F2 são folheações conjugadas.
Esse mesmo teorema é frequentemente enunciado como um de seus corolários:
Corolário: Se M é aberta e simplesmente conexa de dimensão n≥3, equipada com uma folheação por planos F, então existe uma folheação F0 de R2 tal que (M,F) e (Rn,F0×Rn−2) são conjugados.
No caso em que F é uma folheação tensa de uma variedade tridimensional fechada M, a qual supomos não ser finitamente recoberta por S2×S1, então a Proposição 5 implica (porquê?) que o recobrimento universal ˜M é homoeomorfo ao R3, e ˜F, sendo uma folheação planar, é conjugada a uma folheação de produto (R3,F0×R), onde F0 é uma folheação planar de R2. As folhas do levantamento de F separam R3 em dois semi-espaços. Em particular cada um destes semi-espaços contem bolas de raio arbitrariamente grande.
De fato Palmeira mostra também que se Mn é uma variedade n−dimensional simplesmente conexa e F uma folheação co-dimensão um, então essa folheação é conjugada a (R2,G)×Rn−2.
Reparafraseando os resultados obtidos até então, obtemos o seguinte teorema, como enunciado no Apêndice B de Berthelmé et al.:
Teorema B.1.:
- Em uma variedade tridimensional compacta M, uma folheação sem folhas compactas é tensa.
- Se (M,F) é uma variedade tridimensional fechada que não admite um recobrimento finito por S2×S1, e F é tensa, então o seu recobrimento universal ˜M é homeomorfo a R3. Além disso, cada folha de F levanta para um plano mergulhado em ˜M, que separa ˜M em dois semi-espaços.
- O espaço das folhas do levantamento ˜F é uma variedade não Hausdorff unidimensional, separável e simplesmente conexa. No mais, cada ponto nesse espaço das folhas está contido no interior de um intervalo. Em particular, qualquer curva transversal à ˜F intersecta cada folha de ˜F no máximo uma vez.
Uniformização de Folhas
Lembre-se que uma difeomorfismo entre variedades riemannianas f:(M1,g1)→(M2,g2) é dito conformal se existe uma aplicação positiva λ:M1→R≥0 tal que f∗g2=λg1. Nesse caso, M1 e M2 são ditas conformalmente equivalentes. O famoso Teorema de Uniformização, ou Teorema de Koebe-Poincaré-Klein, afirma que qualquer superficíe de Riemann (isto é, variedade complexa de dimensão 1) simplesmente conexa admite uma métrica conformalmente equivalente a uma das seguintes variedades
- A linha complexa C (caso de curvatura zero);
- A esfera de Riemann S2=PC (caso de curvatura constante positiva);
- O plano hiperbólico H (caso de curvatura constante negativa).
Com base no Teorema de Uniformização, é natural se perguntar se folheações de dimensão 2 podem ser uniformizadas de maneira similar: isto é, se é possível equipar a variedade ambiente com alguma espécie de métrica tal que todas as folhas sejam conformalmente equivalentes a um mesmo modelo. É nesse contexto que se apresenta o trabalho de Candel em [Can93]: na busca de uma generalização do teorema de Uniformização para o caso de folheações bidimensionais.
Os argumentos de Candel são baseados em métricas riemannianas folheadas e na característica de Euler folheada.
Definição 5: Uma métrica riemannian folheada numa variedade (M,F) é um 2-tensor g:TM×TM→R simétrico e positivo definido tal que, para quaisquer campos X,Y tangentes à folheação F, a função g(X,Y):M→R é suave.
Observe que para campos de M em geral, a função g(X,Y) não precisa ser suave, logo g não é, em geral, uma métrica riemanniana em M. Contudo, a restrição de g a cada folha define naquela folha uma métrica riemanniana no sentido usual. De todo modo, o tensor g define uma forma de conexão ω como no caso riemanniano usual, bem como uma 2-forma de curvatura folheada Ω=dω+ω∧ω, a qual carrega informação sobre a curvatura das folhas de F.
No caso de varieades bidimensionais, o teorema de Gauss-Bonnet relaciona a curvatura com a característica de Euler. Com base nesse resultado, coloca-se para métricas riemannianas folheadas de 2-folheações a seguinte definição:
Definição 6: Seja F uma folheação bidimensional da variedade compacta M. Se μ é uma medida invariante por holonomia de (M,F), a característica de Euler folheada de F com respeito a μ é definida pela integral
χμ(M,F):=∫MΩdμ.
Pode se mostrar que a integral é bem definida, em virtude da invariância de μ. De fato, a medida μ pode ser entendida como uma medida no espaço das folhas de (M,F), ao passo que a integral de Ω sobre cada uma das folhas pode ser entendida como uma função do espaço das folhas LF em R. De tal maneira, a característica de Euler é
χμ(M,F):=∫MΩdμ=∫LF(∫LΩ)dμ(L).
É imediato da Definição 5 que se a curvatura é constante e negativa, então χμ(M,F)<0. O resultado de Candel é justamente a recíproca desse fato:
Teorema de Uniformização de Folheações Bidimensionais ([Can93]): Seja F uma folheação bidimensional orientável de uma variedade compacta M, equipada com uma métrica riemanniana folheada g. Então g é conformalmente equivalente a uma métrica riemanniana folheada com respeito a qual todas as folhas de F tem curvatura constante igual a −1 se e somente se χμ(M,F)<0 para toda medida invariante por holonomia não trivial μ.
Uma demonstração desse teorema pode ser encontrada também em [CC00, Teorema 12.6.3]. A argumento consiste basicamente em mostrar que a existência de uma folha que não seja conformalmente recoberta pelo plano hiperbólico permite a construção de uma medida invariante por holonomia μ tal que χμ(M,F)≥0, o que é feito a partir de “sequências de médias”. Feito isso, o Teorema de Uniformização se aplica a cada uma das folhas de F, garantindo a existência de funções de uniformização λL:>0.
É então suficiente mostrar que essas funções podem ser usadas de modo a construir uma única função suave λ:M→R≥0 que extende simultaneamente todas as λL.
Q.E.D
Claro, o teorema de Uniformização de Candel é automaticamente válido, por vacuidade, quando não existem medidas invariantes por holonomia não triviais. Esse corolário nos dá o Teorema C.1 do Apêndice C de Berthelmé et al.:
Teorema C.1: Seja F uma folheação tensa de uma 3-variedade M. Se (M,F) não admite medidas invariantes por holonomia não triviais, então existe uma métrica em M que se restringe a uma métrica hiperbólica em cada uma das folhas de F.
Referências
- [Cal07] D. Calegari, Foliations and the geometry of 3-manifolds, Oxford Mathematical Monographs, Oxford University Press, Oxford, 2007.
- [Can93] A. Candel, Uniformization of surface laminations, Ann. Sci. ´Ecole Norm. Sup. (4) 26 (1993), no. 4, 489–516.
- [CC00] A. Candel and L. Conlon, Foliations. I, Graduate Studies in Mathematics, vol. 23, American Mathematical Society, Providence, RI, 2000. MR 1732868
- [CC03] A. Candel and L. Conlon, Foliations. II, Graduate Studies in Mathematics, vol. 60, American Mathematical Society, Providence, RI, 2003. MR 1994394
- [Nov65] S. P. Novikov, The topology of foliations, Trudy Moskov. Mat. Obˇsˇc. 14 (1965), 248–278. MR 0200938
- [Pal78] C. F. B. Palmeira, Open manifolds foliated by planes, Ann. Math. (2) 107 (1978), no. 1, 109–131.
- [Ros68] H. Rosenberg, Foliations by planes, Topology 7 (1968), 131–138. MR 0228011 (37#3595)
Discussion
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