Tensor-Gotman
.pdfтолько(gradξ |
|
∂r |
) . Когда i = 2 или 3, это |
произведение равно нулю. |
||||||||||||||||||||||||
∂ξ |
||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂r |
|
|
|
|
|
|
∂r |
|
|||
доказывается, что равны единице только (gradξ2 |
|
|
) |
и (gradξ3 |
) . |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Отсюда следуют формулы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξ2 |
|
|
|
|
|
∂ξ3 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
∂r |
= H e |
, |
∂r |
= H |
|
e |
|
, |
|
∂r |
= H |
|
e |
|
. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
∂ξ |
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
1 |
1 1 |
|
2 |
|
2 |
|
2 |
|
∂ξ |
3 |
|
|
|
3 |
|
3 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда
gradξi Hiei =1
Умножим левую и правую части (34.15) на ei . Тогда gradξi Hi = ei ,
Аналогично
(33.15)
(34.15)
(35.15)
непосредственно вытекает: градиент криволинейных координат в виде (рис. 3.15)
|
|
|
|
gradξ1 = e1 |
|
|
H1 , |
gradξ2 = e2 |
|
|
H 2 , |
|
gradξ3 |
= e3 |
|
|
H3 |
|
|
|
|
|
|
|
(36.15) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Отсюда также следует, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
h = gradξ |
i |
|
= |
|
(∂ξ |
i |
∂ x )2 |
|
+ (∂ξ |
i |
∂ x |
2 |
)2 + (∂ξ |
i |
|
∂ x |
3 |
)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(37.15) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Отсюда |
|
|
grad ξi |
= hiei |
|
|
|
|
|
|
gradξi |
= ei |
|
|
Hi |
|
|
|
|
hi |
=1 Hi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(38.15) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξk |
|
|
|
|
|
|
|
∂ξk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξk |
|
|
|
|
|
∂ξk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
gradξ |
k |
= |
|
e |
i |
= |
e |
|
|
+ |
|
|
e |
2 |
+ |
|
e |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(39.15) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂s |
i |
|
|
|
|
∂s |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
∂s |
2 |
|
|
|
∂s |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Вывод градиента скалярного поля ϕ (ξ1,ξ2 ,ξ3 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gradϕ(ξ |
|
,ξ |
|
,ξ |
|
) = |
|
|
∂ϕ |
|
|
|
gradξ |
k |
= |
|
∂ϕ |
|
( |
∂ξ1 |
|
e |
+ |
|
|
∂ξ1 |
e |
|
|
+ |
|
∂ξ1 |
e |
|
|
) + |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
∂ x |
|
|
1 |
|
|
∂ x |
2 |
|
|
2 |
|
|
|
∂ x |
3 |
|
3 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(40.15) |
||||||
|
∂ϕ |
|
(∂ξ2 |
|
|
|
|
|
|
∂ξ2 e |
|
|
|
|
+ ∂ξ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
(∂ξ3 |
|
|
|
|
|
|
∂ξ3 |
|
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
+ |
|
e |
+ |
|
|
|
|
e |
|
|
) |
+ |
|
|
|
e |
|
|
+ |
|
e |
|
|
+ |
3 e |
|
). . |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ x |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
∂ξ |
2 |
|
∂ x |
|
|
|
|
1 |
|
|
∂ x |
2 |
|
|
2 |
|
|
∂ x |
3 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
∂ x |
|
1 |
|
|
|
∂ x |
2 |
|
|
2 |
|
|
3 |
|
3 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Учитывая формулу |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
gradξ1 = e1 |
|
H1 , |
|
gradξ2 = e2 |
H 2 , |
|
|
|
gradξ3 |
|
= e3 |
|
H3 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
gradϕ(ξ |
|
,ξ |
2 |
,ξ |
3 |
) == |
|
gradξ |
|
+ |
|
|
gradξ |
2 |
+ |
|
|
gradξ |
3 |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
∂ξ |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξ |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
(41.15) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
e1 |
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
e2 |
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
e3 |
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
= |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
+ |
|
|
. . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
H |
1 |
|
|
|
|
|
|
H |
2 |
|
|
|
∂ξ |
2 |
|
|
|
|
|
H |
3 |
|
|
∂ξ |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод формулы дивергенции векторного поля
Для вывода выражения дивергенции удобно использовать формулу её определения 12.14 взяв за V - объём бесконечно малого криволинейного параллелепипеда, одной из вершин которого является та точка М, в которой ищется значение дивергенции.
Грань M M 2 N1M 3 этого параллелепипеда |
имеет величину dσ1 = H 2 H3dξ2dξ3 |
нормальная к этой грани составляющая вектора |
a равна - a1 ( мы считаем, что MM1 |
направлено в сторону возрастания значений ξ1 , внешняя же нормаль к рассматриваемой грани направлена в противоположную сторону), поэтому поток через грань M M 2 N1M 3
91
будет равен - a1H 2 H3dξ2dξ3 . Противоположная грань M1N3 N N2 отличается от грани
M M 2 N1M 3 |
только тем, что ей отвечает значение ξ1 + dξ1 |
||||||||||
других координат на этих |
двух гранях |
одни и |
|
те |
|
же. |
|||||
M1N3 N N2 |
будет равен |
|
|
|
+ ∂(a1H 2 H3 )dξ |
|
|
|
|
|
|
|
a H |
2 |
H |
3 |
dξ |
2 |
dξ |
3 |
. |
||
|
1 |
|
∂ξ1 |
1 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
координаты ξ1 , значения же Поэтому поток через грань
(42.15)
Складывая |
его с предыдущим выражением, получим для потока |
|||||
M M 2 N1M 3 |
и M1N3 N N2 выражение |
|
|
|
||
|
|
∂(a1H 2 H3 ) |
dξ dξ |
2 |
dξ |
3 |
|
|
|
||||
|
1 |
|
||||
|
|
∂ξ1 |
|
|
|
|
и аналогично для потока через грани M M1 N2 M 3 и M 2 N3 N N1 |
||||||
|
|
∂(a2 H3H1 )dξ dξ |
2 |
dξ |
3 |
|
|
1 |
|
||||
|
|
∂ξ2 |
|
|
|
|
и через грани M M1 N3M 2 и M 3 N2 N N1 |
|
|
|
|||
|
|
∂(a3H1H 2 )dξ dξ |
2 |
dξ |
3 |
|
|
1 |
|
||||
|
|
∂ξ3 |
|
|
|
Складывая все выражения, получим полный поток
∫an d S
S
через две грани
(43.15)
(44.15)
(45.15)
(46.15)
Деля его на объём параллелепипеда dV = H1H 2 H3dξ1dξ2dξ3 , получим окончательно
|
div a = |
|
1 |
|
|
∂(a1H 2 H3 ) |
+ |
∂(a2 H3H1 ) |
+ |
∂(a3H1H 2 ) |
|
(47.15) |
||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
H1H 2 H3 |
∂ξ1 |
|
|
∂ξ2 |
∂ξ3 |
|
|||||||||
В частности получим дивергенцию единичных векторов |
|
|
|
|||||||||||||||
Дивергенция единичных векторов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
div e1 = |
1 |
|
|
|
|
∂(H 2 H3 ) |
, |
|
|
|
|
|
|
||||
|
H1H 2 H3 |
∂ξ1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
div e2 |
= |
|
1 |
|
|
|
|
∂(H3H1 ) |
, |
|
|
|
|
|
(48.15) |
||
|
|
H1H 2 H3 |
|
∂ξ2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
div e3 |
= |
1 |
|
|
|
|
∂(H1H 2 ) |
. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
H1H 2 H3 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
∂ξ3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
∂(a1H 2 H3 )+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
div a = (H1H 2 H3 )−1 |
∂(a2 H3 H1 )+ ∂(a3 H1H 2 ) . |
|
|
|
||||||||||||||
|
∂ξ1 |
|
|
|
∂ξ2 |
|
|
∂ξ3 |
|
|
|
Вывод формулу ротора векторного поля а
Выражение для ротора в координатной форме имеет вид:
92
|
x1 |
|
x2 |
|
|
x3 |
|
∂ak |
|
|
rot a = ×a = |
∂ |
|
∂ |
|
|
∂ |
|
xi |
||
|
|
|
|
|
|
|
= εi jk ∂ x |
|
||
∂ x |
|
∂ x |
2 |
|
∂ x |
3 |
j |
|||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
a1 |
|
a2 |
|
a3 |
|
|
|
|
Для вывода формулы ротора используется выражение (50.14). Чтобы получить проекцию rot a на координатную линию ξ1 , нужно взять за контур С контур M M 2 N1M 3 ;
площадь бесконечно малого криволинейного прямоугольника, ограниченного этим контуром, равна
dσ1 = H 2 H3dξ2dξ3 |
(49.15) |
Нетрудно далее вычислить ∫a d l , взятый по замкнутому контуру M M 2 N1M 3 (рис. 3.15).
C |
|
Прежде всего |
|
∫a d l = a2d s2 = a2 H 2dξ2 . |
(50.15) |
M M2 |
|
Далее, |
|
∫a d l |
(51.15) |
M 2 N1 |
|
отличается от предыдущего интеграла только тем, что в нём координата ξ2 имеет другое значение ξ2 + dξ2 , значения же других координат те же, что и в интеграле (50.15). Поэтому
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
+ |
∂(a2 H 2 ) |
dξ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(52.15) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a d l = a |
2 |
2 |
|
|
|
∂ξ3 |
|
|
3 |
dξ |
2 |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M3N1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Точно так же можно вычислить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂(a3H3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
∫ |
a d l = a |
|
H |
|
|
|
; |
|
|
|
∫ |
a d l = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
dξ |
|
|
|
|
a |
|
|
H |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
dξ |
|
dξ |
|
|
|
(53.15) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξ2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
3 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
3 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
M M 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M2N1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂(a3H3 ) |
|
|
∂(a2 H 2 ) |
|
|
|
||||||||
|
∫ |
a d l |
= |
∫ |
a d l + |
|
∫ |
a d l − |
|
∫ |
a d l − |
|
|
∫ |
|
− |
2 |
dξ |
3 |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
∂ξ2 |
∂ξ3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a d l = |
|
|
|
|
|
dξ |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
M M 2 N1M 3M M M 2 |
|
M 2 N1 |
|
|
|
|
M 3 N1 |
|
|
|
|
|
M M 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(54.15) |
||||||||||||||||||||||
Деля это выражение на d σ1 , получим требуемое выражение |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
∂ |
(a3H3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(rot a)1 |
= |
|
|
|
|
|
|
|
− ∂(a2 H |
2 ) |
, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H 2 H3 |
∂ξ2 |
|
|
|
∂ξ3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(rot a) |
|
= |
|
|
|
1 |
|
|
|
∂(a1H1 )− ∂(a3H3 ) , |
|
|
|
|
|
|
(55.15) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξ3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H3H1 |
|
|
|
|
∂ξ1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(rot a) |
|
= |
|
|
|
1 |
|
|
|
∂(a2 H2 ) |
|
− ∂(a1H1 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ξ1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H1H 2 |
|
|
|
|
|
|
∂ξ2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Ротор базовых векторов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
rot e |
= e |
|
|
1 |
∂(H1 )−e |
|
|
|
|
|
1 |
|
∂(H1 ) = |
|
|
1 |
|
|
grad H |
|
×e |
|
|
|
|
|
|
|
|
(56.15) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
2 H3H1 ∂ξ3 |
|
|
|
3 H1H2 ∂ξ2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
93
rot e |
|
= e |
|
|
|
1 |
|
|
|
∂(H2 ) |
−e |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
∂(H2 )= |
|
|
|
1 |
grad H |
|
×e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(57.15) |
|||||||||||||||||||||||||
2 |
3 H H |
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
H |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
1 H |
2 |
3 |
|
|
|
|
∂ξ |
3 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
rot e |
3 = e1 |
|
1 ∂(H3 ) |
−e2 |
|
|
|
|
1 ∂(H3 ) |
= |
|
|
|
1 |
|
|
grad H3 |
×e3 |
|
|
|
|
|
|
|
(58.15) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
H |
3 |
H |
2 |
|
|
∂ξ |
2 |
|
|
H |
3 |
H |
1 |
|
|
∂ |
ξ |
|
|
|
H |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Оператор Лапласа для скалярного поля ψ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
|
∂ |
|
|
|
H 2 H3 |
|
|
∂ψ |
|
|
|
|
∂ |
|
|
|
H3 H1 |
|
∂ψ |
|
|
|
∂ |
|
|
H1H 2 |
|
∂ψ |
|
||||||||||||||||||||||
ψ = (H1H 2 H3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
∂ξ |
|
|
|
∂ξ |
|
|
H |
|
|
∂ξ |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
3 |
|
3 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отсюда получаются дифференциальные характеристики в разных системах координат
Коэффициенты Ламэ и дифференциальные характеристики полей в цилиндрической системе координат
Связь цилиндрических координат с декартовыми координатами имеет вид
ξ |
1 |
= ρ = x2 + x2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ξ2 |
= ϕ - угол между вектором ρ= {x1 , x2 } и осью x1 , |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ξ3 = z = x3 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Из дифференциальной геометрии известно, что |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ds1 = d ρ, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ds2 =ρ dϕ, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ds3 = dz. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Сравнивая с ds1 = H1d ξ1 , |
|
|
ds2 |
= H 2 d ξ2 , ds3 |
= H3d ξ3 , получим |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H ρ |
=1, |
Hϕ =ρ, |
H z = 1. |
|
|
(59.15) |
|||||||
Градиент скалярного поля ψ в цилиндрической системе координат (рис. 4.15) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gradψ = eρ |
|
∂ψ |
+eϕ ρ |
−1 |
∂ψ |
|
+ez |
|
∂ψ |
,. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
∂ z |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М |
|
||||||||||||
Дивергенция |
|
|
|
векторного |
|
поля |
|
а в цилиндрической системе |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
координат |
∂(ρ a |
|
|
) |
|
|
|
|
∂a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
|
|
|
+ ∂az . |
|
|
|
|
|
|
y |
||||||||||||||||||||||
div a = ρ−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
ϕ |
|
|
|
|
x |
ϕ |
r |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
∂ ρ |
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ z |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Ротор векторного поля а в цилиндрической системе координат |
Рис. 4.15 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Цилиндрическая |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(rot a)ρ |
= ρ−1 ∂az |
|
− ∂aϕ , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
система координат |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
∂ z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
(rot a) |
|
= |
∂aρ |
|
|
− |
∂az |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
ϕ |
|
|
∂ z |
|
|
|
|
|
∂ ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
(rot a) |
|
= ρ |
−1 |
|
∂(ρ aϕ ) |
− |
∂aρ |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ |
ρ |
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Лапласиан скалярного поля ψ в цилиндрической системе координат |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
∂ |
|
|
∂ψ |
|
|
|
∂2ψ |
|
|
|
∂2ψ |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
ψ = ρ−1 |
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
|
|
|
+ ρ−1 |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
∂ z |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂ ρ |
|
|
∂ ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
94
Коэффициенты Ламэ и дифференциальные характеристики полей в сферических координатах
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ds1 = d r, |
|
|
|
ds2 |
=r dθ, |
ds3 |
= r sinθ dϕ |
|
|
||||||||||||||||||||
Сравнивая с ds1 = H1d ξ1 , |
|
|
|
|
ds2 = H 2 d ξ2 , |
ds3 |
= H3d ξ3 , |
получим коэффициенты Ламэ в |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H r =1, |
|
|
|
|
Hθ |
=r , |
|
Hϕ |
= r sinθ. |
|
|
|
|
(60.15) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Градиент скалярного поля |
|
|
ψ |
в сферических координатах |
|
z |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
θ r |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(рис. 5.15) |
∂ψ + eθ r |
−1 ∂ψ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(r sinθ)−1 ∂ψ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
gradψ = er |
+ eϕ |
,. |
|
|
|
|
|
|
|
y |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
∂r |
|
|
|
|
|
|
|
|
∂θ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Дивергенция векторного поля а в сферических координатах |
x |
ϕ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
2 |
∂(r |
2 a |
r |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
∂(a |
|
sinθ) ∂(aϕ ) |
|
|
|
|
|
Рис. 5.15 Сферическая |
|||||||||||||
div a = r |
|
|
∂r |
|
|
+ (r sinθ) |
|
1 |
|
|
|
θ |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
система координат |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂θ |
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Ротор векторного поля а в сферических координатах |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(rot a) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
∂(aϕ sinθ) |
|
|
|
∂(a |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
= (r sinθ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
θ |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂θ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
(rot a) |
= r |
−1 |
sin −1 |
∂ar |
|
− |
∂(r aϕ ) |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
θ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ϕ |
|
|
∂r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
(rot a) |
= r |
−1 |
|
∂(r aθ ) |
− |
∂ar |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ϕ |
|
|
|
|
|
∂r |
|
|
|
|
|
∂θ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Лапласиан скалярного поля ψ в сферических координатах |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
−2 |
|
∂ |
|
|
|
|
2 |
∂ψ |
|
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
∂ |
|
|
|
|
∂ψ |
|
|
−2 |
|
∂2ψ |
|
|
||||||||||||
ψ = r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
θ |
|
|
|
|
|
|
θ |
|
|
|
|
θ |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
∂r |
r |
|
|
∂r |
+ sin |
|
|
|
|
∂θ |
sin |
∂θ |
+ sin |
|
∂ϕ |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Замечание 5.15 Все приведенные выше характеристики сведены в таблицу 4 ПРИЛОЖЕНИЯ 2
§ 16 Основные уравнения гидромеханики жидкости
Уравнение неразрывности несжимаемой жидкости
Выделим в жидкости с плотностью ρ , |
движущейся со скоростью v , некоторый объём |
||
V . Величина |
∂ |
∫ρ d V равна скорости |
изменения массы в объёме V , а величина |
∂t |
∫ρ v dS - массе жидкости, протекающей через границу S объёма V в единицу времени.
Из закона сохранения массы следует соотношение
∂∂t ∫∫∫ρ d V + ∫∫ρ v dS = 0
V SV
или
95
|
|
∂ ρ |
|
|
|
|
|
∫∫∫ |
∂t |
+ (ρ v) |
|
|
|
|
|
|
|
d V = 0 |
(1.16) |
|
|
V |
|
|
|
|
|
Равенство (1.16) выполняется для произвольного объёма V , откуда следует, что |
|
|||||
|
∂ ρ |
+ (ρ v) = 0 . |
|
(2.16) |
||
|
|
|
||||
|
∂t |
|
|
|
|
|
Это и есть уравнение неразрывности |
|
|
||||
В тензорных обозначениях это уравнение имеет вид |
|
|||||
|
∂ ρ |
+ (ρυk ) k = 0 |
(3.16) |
|||
|
|
|||||
|
∂t |
|
|
|
|
|
или |
|
|
|
|
||
∂o ρ + ∂ j (ρυ j ) = 0 |
|
|
||||
Если плотность постоянна, то уравнение неразрывности можно записать в виде |
|
|||||
|
υk,k = 0 |
|
|
(4.16) |
Трубка тока
Если A = 0 в некоторой области пространства R , то в
ней силовые линии |
вектора |
A не обрываются. Проведём |
||||
силовые линии вектора A и рассмотрим трубку этих линий |
||||||
(рис. 1.16), пересекающих плоскости |
S1 |
и |
S2 , |
|||
перпендикулярных |
вектору |
A . |
Согласно теореме |
|||
Остроградского – |
Гаусса, |
выполняется |
|
следующее |
||
тождество: |
|
|
|
|
|
|
∫∫A dS = ∫∫A dS + ∫∫A dS = ∫∫∫ A dV = 0 ,
SV |
S1 |
S2 |
V |
где SV - |
полная поверхность, ограничивающая трубку, V её |
объём. При этом интеграл по боковой поверхности трубки равен нулю, так как там векторы A и d S ортогональны друг
A
S2
S1 M1
Рис. 1 .16 Трубка тока
другу. По определению ∫∫A dS представляет собой число силовых линий,
S1
пересекающих S1 , а ∫∫A dS - число силовых линий, пересекающих S2 . Так как S1 и S2
S2
можно взять сколь угодно малыми, силовые линии должны быть непрерывными, то есть должны либо замыкаться, либо простираться от −∞ до + ∞ . Поэтому силовые линии
уничтожаются или возникают в точках, где A ≠ 0.
Рассмотрим частные случаи.
1) Если H - вектор магнитного поля, то H = 0 , так как известно, что не существует магнитных зарядов.
2)В электростатике имеется уравнение E = 4π ρ , где E - вектор электрического поля и ρ - плотность электрических зарядов. Силовые линии электрического поля
начинаются или кончаются на зарядах или в бесконечности.
Задача 1.16 Дано поле скоростей |
υ1 = x1 /(1 + t), υ2 = 2 x2 /(1+ t), υ3 = 3x3 /(1 + t).и |
начальное условие в виде xi = X i при t |
= 0 . Найти линии тока и траектории и доказать, |
что они совпадают. |
|
96
Решение. Касательная к линии тока в каждой точке направлена по вектору скорости.
Следовательно, для бесконечно малого вектора d x касательной к линии тока можно написать v ×d x = 0 и получить таким образом дифференциальные уравнения линий тока
|
|
|
|
|
|
d x1 |
= |
d x2 |
|
= |
|
d x3 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
υ |
|
|
|
|
|
|
υ |
2 |
|
|
|
|
|
υ |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Для указанного течения эти уравнения имеют вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
d x1 |
= |
d x2 |
|
= |
|
d x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
2x |
2 |
|
|
|
|
3x |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
= X i |
|
|
при |
|
t = 0 , |
находим |
уравнения |
|||||||||||||||||||||
Интегрируя их с учётом начальных |
|
|
условий |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
линий тока: |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
x1 |
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
X 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X 2 |
|
|
|
X 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
X1 |
|
|
|
|
|
|
X1 |
|
|
|
|
|
X 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Интегрирование |
выражений для |
|
|
скорости, |
|
например, |
|
|
d xi |
=υ |
i |
|
= x |
/(1+ t) |
|
приводит к |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d t |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
дифференциальному |
уравнению |
|
|
|
|
|
d xi |
|
= |
|
dt |
|
, |
|
|
|
интеграл |
|
которого |
|
имеет |
вид |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
x |
|
1 + t |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ln x1 = ln(1+ t) + ln C , где С – постоянная интегрирования. Из начального условия xi |
= X i |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
при t = 0 получается |
|
C = X1. |
|
|
|
|
Отсюда |
|
|
|
x1 = X1(1 +t) . |
|
Аналогично |
находятся |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
x2 = X 2 (1+ t)2 |
и x3 = X 3 (1+ t)3 . Исключая |
|
из |
этих |
уравнений |
время |
|
t , получим |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
x1 |
3 |
|
|
|
||||
траектории. |
(1+ t) = |
|
|
, |
|
|
|
|
|
= (1+ t) |
= |
|
x1 |
|
, |
|
|
= |
(1+ t) |
= |
|
|
, |
что |
и |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
X1 |
|
|
|
X 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X1 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X1 |
|
|
|
|
X 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
подтверждает совпадение траекторий жидких частиц и линий тока.
Тензор напряжений.
Рассмотрим тело, погруженное в среду (твёрдую, жидкую или газообразную). Вообще говоря, на него будут действовать как силы вида ∫F dV (гравитационные или
электрические, действующие на заряженное тело), так и поверхностные силы, ввиду того. что каждый элемент поверхности тела взаимодействует с окружающей средой.
Пусть fi - сила, действующая на элемент поверхности dS и приложенная к внешней
стороне поверхности, ограничивающей объём. Можно предположить (по крайней мере, для достаточно малых площадок), что fi пропорциональна площади элемента
поверхности: |
|
fi = ∑Ti j dS j . |
(5.16) |
j |
|
Так как f и dS - векторы, величина Ti j должна быть тензором 2-го ранга. Этот тензор
называется тензором напряжений. Полная сила F , действующая на тело, таким образом, равна (в силу теоремы Остроградского – Гаусса)
|
|
|
|
|
|
|
|
∂T |
|
|
|
|
|
Fi dV + ∑ |
|
|
|
|
|
i |
j |
|
|
F = |
∫∫∫ |
∫∫ |
Ti j dS j |
= |
∫∫∫ |
|
|
|
|
(6.16) |
|
|
∂x j |
|
|||||||||
|
|
Fi + ∑ |
|
|
dV , |
||||||
|
V |
j |
SV |
|
|
V |
j |
|
|
|
|
откуда видно, что поверхностные силы можно заменить эквивалентными объёмными силами (в смысле выполнения равенства (6.16)).
97
По второму закону Ньютона |
|
|
|
|
|
(F)i = ∫∫∫ρ ai dV , |
(7.16) |
||||
V |
|
|
|
|
|
где a - ускорение, а ρ - плотность вещества. Так как |
равенство (7.16) справедливо для |
||||
любого объёма V , получим уравнение движения |
|
||||
ρ ai = Fi + |
∑ |
∂Ti j |
|
(8.16) |
|
∂x |
j |
||||
|
|
||||
|
j |
|
|
Для того, чтобы выяснить физический смысл тензора напряжений, учтём, что вектор dS параллелен координатной оси x1 . Тогда из равенства
fi = Ti1dS1 +Ti 2 dS2 +Ti 3dS3
следует
f1 = T11dS, |
f2 = T21dS, |
f3 = T31dS . |
Аналогичные результаты получаются и в |
том случае, когда вектор dS параллелен |
|
координатным осям x2 и x3 соответственно: |
|
|
f1 = T12 dS, |
f2 = T22dS, |
f3 = T32 dS , |
f1 = T13dS, |
f2 = T23dS, |
f3 = T33dS . |
Выберем систему координатных осей так, чтобы Ti j = λiδi j . Для тела, у которого вектор
dS параллелен, например, оси x , имеем:
f1 = λ1 dS, f2 = f3 = 0 .
Сила, действующая на тело в данном случае, есть сила растяжения ( λ1 > 0 ) или сила сжатия ( λ1 < 0 ) вдоль оси x1 .
В случае произвольного направления вектора dS тело будет находиться под воздействием напряжений сдвига.
Идеальная жидкость.
Силы, действующие на любой элемент поверхности идеальной жидкости, нормальны к её поверхности, поэтому для идеальной жидкости тензор напряжений в любой системе координат имеет вид
Ti j = −Pδi j ,
где Р – некоторая функция координат. Следовательно, согласно формуле (8.16), уравнение движения любой частицы принимает вид
ρa = F − P . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Вычислим ускорение а. Пусть v = v(r,t) ; пусть далее |
r = ro |
при t = to и |
r = ro + vδt при |
|||||||||
t = to +δt . Воспользовавшись формулой Тейлора, найдём |
|
|
|
|
|
|||||||
|
∂v |
|
3 |
|
∂ |
|
|
∂v |
|
|
|
|
|
|
+ ∑δri |
|
|
||||||||
aδt = v(ro + vδt, to +δ t) − v(ro , to ) = |
|
v = |
+ (v )v |
δt , |
||||||||
∂t |
∂xi |
∂t |
||||||||||
|
i=1 |
|
|
|
|
|
то есть,
|
|
∂v |
|
|
|
|
|
||
ρ |
|
+ (v )v |
= F − P. |
||||||
∂t |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
В индексной форме это уравнение имеет вид |
∂pik |
||||||||
ρ |
∂υi |
|
+ ρυk |
∂υi |
= ρ fi + |
||||
∂t |
|
∂xk |
|||||||
|
|
∂ xk |
|
|
98
Дифференциальные уравнения движения жидкости
Для вывода дифференциальных уравнений сплошной среды выделяется её часть объёма V , ограниченная поверхностью S . При движении сплошной среды обычно V и S меняются, но масса остаётся постоянной так что
∂ |
∫∫∫ρ dV = 0 |
(9.16) |
∂t |
||
|
V |
|
К выделенной части среды применяется второй закон Ньютона (Производная по времени от импульса (количества движения) материальной точки равен действующей на неё силе
|
d |
(m v |
i |
) = F ). Это делается путём вычисления количества |
движения и всех |
|
|
||||
|
dt |
i |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
приложенных сил. |
|
||||
а) Количество движения (импульс) выделенной части равен |
|
||||
|
|
|
|
∫∫∫ρ v dV |
(10.16) |
|
|
|
|
V |
|
б) Если на каждую частицу массы действует сила f , то главный вектор всех массовых |
|||||
сил, приложенных к выделенной части среды, равен |
|
||||
|
|
|
|
∫∫∫f ρ dV |
(11.16) |
|
|
|
|
V |
|
Здесь f |
|
- интенсивность массовых сил ( в поле тяжести f = g , где g - ускорение силы |
тяжести)
в) К поверхности рассмотренной части среды приложены ещё поверхностные силы,
напряжения которых |
|
на элемент поверхности dS |
с внешней нормалью n равен pn . |
||||||||
Тогда главный вектор поверхностных сил, приложенных к этой части среды, равен |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
∫∫pn dS , |
|
|
(12.16) |
||
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
||
и уравнение движения её имеет вид |
|
|
|
||||||||
|
|
|
ddt ∫∫∫ρ v dV = ∫∫∫ρ f dV + ∫∫pn dS . |
|
|||||||
|
|
|
|
|
V |
V |
S |
|
|
||
Поскольку масса |
любого |
объёма V в |
силу |
уравнения неразрывности |
остаётся |
||||||
постоянной, то |
d |
(ρ |
V ) = 0 . Следовательно, |
|
|
|
|||||
dt |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
∫∫∫ρ v dV = ∫∫∫ |
d |
(ρ v)dV |
|
(13.16) |
|||
|
|
|
d t |
d t |
|
||||||
Таким образом, |
|
|
|
V |
V |
|
|
|
|||
|
∫∫∫ρ ddvt |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
dV = ∫∫∫ρ f dV + ∫∫pn dS |
(14.16) |
|||||||
|
|
|
V |
V |
S |
|
|
||||
Учитывая выражение для pn в тензорном виде ∫∫pn dS = ∫∫pk nk dS , получим |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
S |
|
|
|
|
∫∫∫ρ ddvt dV = ∫∫∫ρ f dV + ∫∫pk nk dS |
(15.16) |
|||||||
|
|
|
V |
V |
S |
|
|
или в компонентах ( i =1,2,3 )
99
∫∫∫ρ ddυti dV = ∫∫∫ρ fi dV + ∫∫pik nk dS , |
(16.16) |
||
V |
V |
S |
|
где pik - тензор напряжений.
Чтобы получить дифференциальное уравнение движения сплошной среды, преобразуем поверхностный интеграл в объёмный по формуле Остроградского – Гаусса. Получим
∫∫pik nk dS = ∫∫∫∂∂pxikk dV |
(17.16) |
|
S |
V |
|
Тогда
∫∫∫ ρ
V
dυi |
|
|
|
∂pik |
|
|
|
− ρ f |
i |
− |
|
dV = 0 |
(18.16) |
|
|
|||||
d t |
|
|
∂xk |
|
Так как |
объём |
τ произволен, то при |
непрерывности подынтегральной |
функции |
||||||||||||||||||||
получается |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂pik |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
ρ |
dυi |
|
|
= ρ fi + |
|
|
|
|
(19.16) |
|||||||||
|
dυi |
|
|
|
|
d t |
|
|
|
∂xk |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Здесь |
- полная производная , которая выражается в виде: |
|
||||||||||||||||||||||
d t |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dυi |
= |
|
∂υi |
+υk |
|
∂υi |
|
|
. |
|
(20.16) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
d t |
|
∂t |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂ xk |
i =1,2,3 ) |
||||||||||
Таким |
образом, |
окончательно |
|
дифференциальные уравнения (их три при |
||||||||||||||||||||
движения сплошной среды имеют вид |
|
|
|
|
∂pik |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
ρ |
∂υi |
+ ρυk |
|
|
∂υi |
|
= ρ fi + |
|
(21.16) |
||||||||||||
|
|
|
|
∂ xk |
|
|
∂xk |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
∂t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для жидкостей принимается линейная зависимость между тензором напряжений и тензором деформаций с выделением шарового тензора, отвечающего гидростатическому движению. Таким образом, в гидродинамике считают, что выполняется основное соотношение
pik = −pδik + a υik + bδikυll |
(22.16) |
Здесь р - гидростатическое давление (скаляр), a и b -коэффициенты пропорциональности;
υll = |
∂υl |
= |
∂υ1 |
+ |
∂υ2 |
+ |
∂υ3 |
- свёртка тензора скоростей деформаций, которая равна |
|||
∂x |
l |
∂x |
∂x |
2 |
∂x |
3 |
|||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
дивергенции скорости υll = divv .
Обычно в гидромеханике это соотношение (иногда его называют обобщённой гипотезой Ньютона) записывается в виде
pik |
= −pδik + 2μυik − |
2 |
μδikυll |
(23.16) |
|
3 |
|||||
|
|
|
|
так что
p11 + p22 + p33 = −3 p ,
где μ - коэффициент вязкости жидкости (коэффициент, так называемой, второй вязкости
принят равным нулю)2.
В случае несжимаемой жидкости имеем divv = 0 , и тогда
2 Подробности о второй вязкости см. Лойцанский Механика жидкости и газа, ГИТТЛ, 1957, стр. 463 – 466.
100