Циркуляция и вихрь векторного поля
Рассмотрим в поле линию L и выберем на ней направление. Для произвольной точки М кривой запишем радиус-вектор , вектор будет направлен по касательной к кривой в направлении ее обхода . Определение: Циркуляцией вектора вдоль кривой L называется криволинейный интеграл по замкнутому контуру L от скалярного произведения вектора на (касательный к L) , или, учитывая, что , получим , где – проекция вектора на касательную , проведенную в направлении обхода. Физический смысл циркуляции состоит в том, что если кривая L расположена в силовом поле, то циркуляция – это работа силы поля при перемещении материальной точки вдоль L. Замечание.Циркуляция отлична от нуля вдоль замкнутой линии, так как в каждой точке векторной линии сохраняет значение: положительное, если направление совпадает с направлением обхода линии; отрицательное – в противоположном случае. Определение: Вихревым вектором или ротором векторного поля называется вектор, определяемый равенством . Или . Свойства ротора: 1) , если – постоянный вектор, 2) , где с = const, 3) , 4) , где – скалярная функция. Формула Стокса примет вид: – это векторная форма формулы, которая показывает, что циркуляция вектора вдоль замкнутого контура L равна потоку ротора этого вектора через поверхность S, лежащую в поле вектора и ограниченную контуром L. Так как по теореме о среднем, то . Если контур L стягивается в точку М, то и . Замечание. Направление ротора – это направление, вокруг которого циркуляция имеет наибольшее значение (плотность) по сравнению с циркуляцией вокруг любого направления, не совпадающего с нормалью к площадке S. Поэтому связь между ротором и циркуляцией аналогична связи между градиентом и производной по направлению. Оператор Гамильтона Определение:Векторными операциями первого порядка называется взятие градиента, дивергенции и ротора. Оператор Гамильтона (символический вектор) имеет вид: . С помощью оператора Гамильтона основные дифференциальные операции можно записать так: , , , , .
Задача. Вычислить координаты центра масс однородного тела, ограниченного поверхностями:
Решение:Данное тело симметрично относительно оси ОY, поэтому xc = zc = 0 (т. е. центр симметрии находится на оси ОY). Ордината центра масс найдется по формуле: . Перейдем к цилиндрическим координатам: , , , тогда 1) . Для нахождения пределов интегрирования найдем проекцию области на плоскость OXZ, получим , следовательно, , , . Получим кратный интеграл = = 16p;
2) = = ; 3) . Итак, центр масс С (0; ; 0). Задача. Вычислить производную функции Z = arctg(хy) в точке М0 (1,1) вдоль кривой у = х2, в положительном направлении оси ОХ. Решение: Если функция u = f (x, y, z) определена в окрестности точки М (х0, у0, z0), то производная функции по направлению вектора определяется по формуле: где – направляющие косинусы вектора . Производной вдоль кривой L называют производную по направлению ориентированной касательной к кривой, вычисленную в точке касания. За направление параболы у = х2 в точке М0 (1,1) возьмем направление касательной к параболе в этой точке, задаваемой углом a, который касательная образует с осью ОХ. Тогда
так как и , то ; . Найдем частные производные функции, U = arctg (xy), в точке М (1,1): ; .
Поверхностный интеграл первого рода определяется равенством при условии существования предела, где Si – элемент поверхности S¢, ÆSi – диаметр частичных поверхностей, Si – площади частичных поверхностей. Для вычисления поверхностного интеграла применим формулу: где D – проекция поверхности S на плоскости ОХУ является однозначной, тогда F(x, y) = Z – уравнение поверхности. Задача. Вычислить , где S – часть конической поверхности х2 + у2 = z2, расположенной между плоскостями Z = 0 и Z = 2.
Решение: Из уравнения поверхности находим , при 0 Z 2; проекцией этой поверхности на плоскость ОХY является круг х2 + у2 4. ;
.
Перейдем к полярным координатам , получим: . Если S – гладкая замкнутая поверхность, ограничивающая V и Р = Р (х, у, z), Q = Q (x, y, z), R = R (x, y, z) – непрерывные функции вместе со своими частными производными первого порядка, то имеет место формула Остроградского – Гаусса: или (*) Задача. Вычислить: , если S – поверхность, ограниченная плоскостями x = 0, y = 0, z = 0, x + 2y + 3z = 6. По формуле Остроградского – Гаусса имеем: , так как P(x, y, z) = x + y и , Q (x, y, z) = y + z и , R(x, y, z)=z+x и , следовательно, , геометрически последний интеграл выражает объем области V (тетраэдра), ограниченный координатными плоскостями и плоскостью х + 2у + 3z = 6, или в отрезках уравнение плоскости имеет вид: .
Задача. Вычислить поток векторного поля через верхнюю часть плоскости х + 2у + 3z – 6 = 0, расположенной в первом октанте.
Решение: Выразим Z из уравнения плоскости: , тогда . Вычислим поток, пользуясь формулой = Так как проекцией плоскости х + 2у + 3z – 6 = 0 на плоскости ОХY является треугольник, ограниченный прямыми у = 0, х = 0 и х + 2у = 6, то 0 (см. рисунок), то
Задача. Вычислить дивергенцию векторного поля
в точке М0(1, –2, 3).
Решение:
Так как , то точка М0 является источником поля.
Вопросы для контроля
1. Первообразная. Теорема о первообразных. 2. Свойства неопределенных интегралов. Таблица интегралов. 3. Методы интегрирования (по частям, замена переменной). 4. Интегрирование дробно-рациональных функций. 5. Интегрирование простейших дробей. 6. Интегрирование тригонометрических выражений. 7. Интегрирование иррациональных функций. 8. Вычисление площадей плоских фигур с помощью определенного интеграла. 9. Свойства определенного интеграла. Формула Ньютона – Лейбница. 10. Интегрирование по частям и замена переменной в определенном интеграле. 11. Несобственный интеграл. 12. Числовые ряды. Свойства рядов. Кратные интегралы. 13. Геометрический и гармонический ряды. Необходимый признак сходимости. 14. Признаки сходимости положительных рядов. 15. Степенной ряд. Область сходимости и радиус сходимости. 16. Теорема Абеля. 17. Ряды Фурье. 18. Дифференциальные уравнения. Дифференциальные уравнения первого порядка: однородные, с разделяющимися переменными, линейные. 19. Уравнение Бернулли и методы его решения. 20. Дифференциальные уравнения второго порядка, допускающие понижение. 21. Дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами. 22. Дифференциальные уравнения однородные и неоднородные. 23. Частное решение дифференциального уравнения. 24. Дифференциальные уравнения высших порядков. 25. Системы дифференциальных уравнений. Приближенное решение дифференциального уравнения. 26. Элементы теории поля. Поверхности и линии уровня. 27. Производная по направлению. Градиент скалярного поля и его свойства. 28. Векторное поле. 29. Поток векторного поля. 30. Дивергенция. 31. Ротор.
Популярное: Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (999)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |