zoukankan      html  css  js  c++  java
  • 多变量微积分笔记17——通量

      在流体运动中,通量是单位时间内流经某单位面积的某属性量,是表示某属性量输送强度的物理量。在大气科学中,包含动量通量、热通量、物质通量和水通量。

      本章关于向量和点积的相关知识课参考《线性代数笔记3——向量2(点积)》。

    通量

      通量实际上是一种线积分。如果有一条平面曲线C和这个平面上的向量场F,通量用符号表示就是:

     

      其中ds是曲线C的微元,n是垂直于ds的单位法向量(按C的方向顺时针旋转90°):

      如果把F看成一个流速场,比如水流正在以某种速度流动,那么F解释了在平面上每一点的水流流动情况。处于F中的曲线C的通量度量了单位时间内有多少流体流过曲线C。可以将F看成河流,C是位于河中的渔网,通量可以计算单位时间内有多少河水流过了渔网。

      如下图所示,ΔS是匀速场中曲线的一小段:

      在单位时间后,通过ΔS的水流将是一个平行四边形:

      已知平行四边形的一边ΔS,另一边由F表示,如果用ΔS作底,那么平行四边形的面积:

     

      如果流体不是匀速的,需要取足够小的单位时间。将所有流过ΔS的水流做积分,就是单位时间内通过C的水流的净流量,即C的通量。如果流体从左到右通过C,通量取正值;反之取负值。

      对比线积分的定义,

     

      在线积分中,FT的点积表示FT方向的分量,T与ds同向,线积分度量的是在场中沿曲线前进F做的功,或者说克服F做了多少功;在通量中,Fn的点积表示F n方向的分向量,n与ds垂直,通量度量的是有多少向量场会通过曲线,正负号表示通量的方向。

    通量的计算

    几何方法

      如下图所示,曲线C是半径为a,圆心在原点的圆,求C在场中的通量。

      如果C在F = -yi + xj中,则nF,二者的点积是0,通量也是0,因为水流绕着C流动,并没有流过C。

    线积分法

      我们将上一节的计算方法称为几何法,这对简单的通量很有效,但事实上曲线C往往很复杂,这就需要一种常规的方法。既然通量的表达式与线积分相似,就可以尝试用线积分计算通量。

      在线积分中:

     

      T 是ds同向的单位向量。对比通量,n是ds的法向量(将T顺时针旋转90°),所以:

     

      现在可以总结通量的计算公式,如果向量场F = <M,N>:

     

      在物理解释上,通量和线积分描述了不同的度量,但是在计算上,二者没有什么实质性区别。

    格林公式

      如果是在处处有定义且处处可导的平面向量场F = <M,N>中求逆时针方向闭合曲线C的通量,就可以和线积分一样,使用格林公式。

     

      与上一篇的线积分不同,通量是求F在ds法向量方向分量的积分,所以上面的公式也被称为格林公式的正交形式,它是格林公式的另一种表达。

    公式的证明

    散度

      这里的div(F)就是散度,它度量的是流体的发散程度。现在,格林公式可以写成:

     

    示例

      曲线C是逆时针方向半径为a的圆,求C在场F = xi + yj中的通量。

     

    综合示例

    示例1

      计算通量

      a) F = 3<1, 1>,C from (0,0) to (1,1)

      a) F = 3< -1, 1>,C from (0,0) to (1,1)

      a)

      b)

    示例2

      计算向量场F = <x, y>中C的通量,C由单位半圆和x轴上的线段围成,如下图所示:

      方法1:使用格林公式

     

      方法2:使用线积分

     


    作者:我是8位的

    出处:http://www.cnblogs.com/bigmonkey

    本文以学习、研究和分享为主,如需转载,请联系本人,标明作者和出处,非商业用途! 

    扫描二维码关注公众号“我是8位的”

     
  • 相关阅读:
    常见寻找OEP脱壳的方法
    Windows内核原理系列01
    HDU 1025 Constructing Roads In JGShining's Kingdom
    HDU 1024 Max Sum Plus Plus
    HDU 1003 Max Sum
    HDU 1019 Least Common Multiple
    HDU 1018 Big Number
    HDU 1014 Uniform Generator
    HDU 1012 u Calculate e
    HDU 1005 Number Sequence
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/bigmonkey/p/8981794.html
Copyright © 2011-2022 走看看