Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Tensor-Gotman

.pdf
Скачиваний:
55
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
1.52 Mб
Скачать

только(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 = ρ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

ϕ

 

 

 

 

x

ϕ

r

 

 

 

ρ

 

 

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

Ротор векторного поля а в цилиндрической системе координат

Рис. 4.15

 

 

Цилиндрическая

 

(rot a)ρ

= ρ1 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 = ρ1

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

+ ρ1

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]