Дивергенция вектора
Вернемся к рассмотрению течения жидкости и поля вектора скорости частиц жидкости. Представим в окрестности некоторой точки воображаемую замкнутую поверхность , ограничивающую объем . Если внутри в объеме жидкость не исчезает и не появляется, то линии вектора (они же линии тока жидкости) непрерывны, и .
Если , то это означает, что внутри есть источники, мощность которых равна (стоки рассматриваем как источники с отрицательной мощностью). Под мощностью источника подразумевается объем жидкости, выбрасываемый им в единицу времени. Отношение есть средняя удельная мощность источников в .
Поток вектора через поверхность и средняя удельная мощность источников в объеме интегрально, по объему , характеризует характер изменения поля и поведение вектора скорости частиц. Однако очень часто возникает необходимость более детального описания поведения поля вектора скорости, например интенсивности возникновения новых линий вектора в зависимости от координат. С этой целью естественно уменьшить мысленно объем . По определению предел отношения потока вектора через замкнутую поверхность, ограничивающую некоторый объем в окрестности заданной точки поля, к величине объема , при его стремлении к нулю, называют дивергенцией соответствующего вектора:
(13.12)
(можно говорить о пределе удельной мощности источников вектора).
Соответственно, по определению, для произвольного вектора дивергенцией называется величина
(13.13)
Геометрическая интерпретация потока вектора, как количества пересечений линий вектора с поверхностью, позволяет истолковать дивергенцию вектора , как функцию, равную плотности точек, в которых начинаются линии . В точках, где линии вектора заканчиваются дивергенция вектора отрицательна.
По смыслу характеризует распределение в пространстве источников силовых линий и определяет плотность мощности источников вектора. Произведение дает мощность источников в объеме .
Такое определение дивергенции не зависит от выбора системы координат, однако, неудобно для вычислений.
13.4 Выражение для в декартовой системе координат
Возьмем в окрестности точки бесконечно малый объем в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами, параллельными осям координат величиной соответственно. Очевидно, что .
Найдем поток через поверхность, ограничивающую . Для смотрящей на нас грани параллелепипеда единичная внешняя нормаль совпадает с направлением оси . Поэтому проекция вектора на направление нормали к этой грани
, (13.14)
где проекция вектора на ось .
Для противоположной грани:
, (13.15)
Поскольку орт нормали направлен навстречу оси . Тогда суммарный поток вектора через грани, перпендикулярные оси :
. (13.16)
Изменение проекции на ось можно найти в виде:
. (13.17)
Поэтому поток через две грани
. (13.18)
Рассуждая аналогичным образом, для граней перпендикулярных двум другим осям системы координат, можно найти значения потоков:
и . (13.19)
Тогда поток через всю поверхность параллелепипеда
. (13.20)
Поэтому дивергенцию вектора в декартовой системе координат можно найти, воспользовавшись соотношением:
. (13.21)
13.5 Теорема Остроградского – Гаусса.
Знание в каждой точке пространства позволяет найти поток вектора через любую поверхность.
Поскольку для идеальной жидкости дает мощность источников в бесконечно малом объеме , то в заданном объеме конечных размеров мощность источников определяется соотношением .
Вся жидкость, порожденная источниками в объеме в единицу времени должна, в силу ее несжимаемости, выйти за пределы объема через его поверхность . Но объем жидкости, вытекающий через поверхность в единицу времени есть поток жидкости через поверхность , ограничивающую объем (в соответствии с определением потока вектора скорости частиц жидкости). Поэтому можно утверждать, что справедливо соотношение:
. (13.22)
Соотношение, аналогичное (13.22)справедливо для любого векторного поля:
, (13.23)
и носит название теоремы Остроградского – Гаусса.
Циркуляция
Допустим, что неким фантастическим образом мы можем мгновенно заморозить любой объем некоторой движущейся жидкости. И в некоторый момент времени мы мгновенно замораживаем всю жидкость , кроме тонкого замкнутого канала постоянного сечения , по центру которого проходит контур . Возникает вопрос: жидкость в канале остановится, или будет двигаться? Если двигаться, то в каком направлении… Очевидно, что результат зависит от характера течения жидкости, с одной стороны, и ориентации в пространстве канала и контура . Интуитивно понятно, что если говорить о движении жидкости типа течения реки, когда у дна (за счет взаимодействия с ним) скорость частиц должна быть меньше, чем у поверхности, результат будет зависеть от ориентации в пространстве контура. Если плоскость контура совпадает с направлением течения, и и контур расположен вертикально, то в верхней части контура импульс частиц жидкости больше, и это вызовет вращение жидкости в канале. Если представить контур в горизонтальной плоскости, то жидкость вращаться не будет, и т.д.
Для математического описания задачи примем в качестве меры движения жидкости величину произведения скорости движения жидкости на длину, контура : , которую называют циркуляцией.
В момент затвердевания у частиц жидкости будет погашена составляющая импульса, перпендикулярная стенкам и останется только тангенциальная составляющая. Жидкость в отрезке длиной будет иметь импульс . ( - плотность жидкости, - объем элемента контура длиной , проекция скорости частиц жидкости на направление ). Вследствие идеального взаимодействия частиц жидкости происходит выравнивание их импульсов и жидкость начинает двигаться со скоростью . При этом выполняется закон сохранения импульса, так, что импульс жидкости в канале должен быть равен сумме составляющих импульса в элементах канала в направлении контура:
, (13.24)
Поэтому циркуляция
(13.25)
В общем случае циркуляцией вектора по контуру называют:
(13.26)
Важнейшим свойством циркуляции является ее аддитивность.То есть если некоторая поверхность , ограниченная контуром разбита на площадки то циркуляция по контуру, ограничивающему равна сумме циркуляций по контурам, ограничивающим :
(13.27)
Ротор вектора
Аддитивность циркуляции позволяет ввести понятие об удельной циркуляции, то есть можно рассматривать отношение циркуляции С по контуру ограничивающему S, к величине S: .
Для неаддитивной величины рассматривать ее удельную величину бессмысленно. Например, возьмем удельную температуру площадки S: . Температура величина неаддитивная, и от деления площадки на части не меняется. Если площадку разделить на части , то их «удельная Т» будет возрастать, при уменьшении , до бесконечности, ничего не характеризуя. Если взять аддитивную величину массу, то удельная масса площадки в « » не уходит, а является поверхностной плотностью площадки, характеризует распределение массы по поверхности. Циркуляция величина аддитивная, и об удельной циркуляции имеет смысл говорить.
Однако, удельная циркуляция является макроскопической характеристикой, усреднённо характеризует свойства поля в пределах площадки S. Для описания свойств поля в точке можно использовать удельнную циркуляцию в точке :
. (13.28)
Этот предел зависит не только от способности данного поля «создавать» циркуляцию, но и от ориентации в пространстве площадки S, то есть контура ее ограничивающего. Ориентацию контура принято задавать направлением положительной нормали, направление которой связано с направлением обхода контура при вычислении циркуляции, правилом правого винта.
Предел (13.28),найденныйдля противоположно ориентированных положительных , отличается только знаком. Противоположным направлениям соответствует противоположные при вычислении . Существуют такие направления, , для которых предел (13.28) достигает максимального значения и такие, когда обращается в нуль.
Получается, что предел (13.28)ведет себя как проекция некоторого вектора на ось, направленную в сторону нормали, соответствующей максимальному значению предела .Если этот вектор направлен в сторону , его проекция максимальна, если он ей перпендикулярен, проекция равна нулю, и проекция отрицательна для направления, противоположного .
Этот вектор и называется ротором вектора и обозначается
.
Максимальное значение предела (13.28)определяет модуль , а соответствующее направление нормали – направление .
Таким образом, можно утверждать, что при произвольной ориентации контура предел (13.28) дает проекцию ротора на направление нормали , задающей ориентацию контура в пространстве:
. (13.29)
13.8 Выражение для в декартовой системе координат
Соотношение (13.29) позволяет найти проекцию ротора вектора на заданное направление. Поскольку является вектором, для его определения необходимо задать его проекции на оси координат. Это позволит найти вектор в целом:
(13.30)
Поэтому представим контур в виде прямоугольника со сторонами, параллельными осям координат и (рисунок 13.5). Выберем направление обхода контура так, как указано стрелками, чтобы нормаль к контуру совпадала с направлением оси . Площадь контура равна . Найдем циркуляцию по такому контуру и, разделив ее на площадь контура, получим выражение для проекции ротора на ось .
На участке 1 , поскольку на этом участке элементы контура направлены навстречу оси . На участке 3 . Аналогичные соотношения справедливы и для участков 2 и 4. Будем считать и достаточно малыми, чтобы проекцию вектора на этих участках можно было бы считать постоянной. Тогда для циркуляции по контуру можно записать:
. (13.31)
Приращение составляющей при смещении на представим в виде:
. (13.32)
Соответственно
. (13.33)
Поэтому циркуляция по контуру, ориентированному нормалью вдоль :
. (13.34)
Разделим на , и для проекции ротора на ось получим:
. (13.35)
Рассуждая аналогичным образом для проекций на и можем записать:
, (13.36)
. (13.37)
Осталось подставить найденные проекции ротора в формулу (13.30):
.
Теорема Стокса
Знание в каждой точке поверхности S позволяет найти циркуляцию по контуру Г, ограничивающему S. Для этого разобьем S на малые , каждую из которых можно считать плоской и описывать вектором . Тогда
. (13.38)
В силу аддитивности циркуляции, циркуляция по контуру Г, ограничивающему S
. (13.39)
В пределе, при , учитывая, что , получаем :
. (13.40)
Это соотношение называют теоремой СТОКСА.
13.10 Представление градиента, дивергенции и ротора с использованием оператора Ñ
Запись формул векторного анализа существенно упрощается при использовании векторного дифференциального оператора Ñ:
. (13.41)
Если Ñ умножить на скалярную функцию :
, то получаем . Поэтому часто вместо
пишут . Итак:
. (13.42)
Если Ñ скалярно умножить на векторную функцию , то получится скаляр
. (13.43)
Если же Ñ умножить на вектор векторно, то получим
. (13.44)
Дата добавления: 2016-06-02; просмотров: 4576;