SIMR 2012/2013, Analiza 2, wykład 14,

Podobne dokumenty
Analiza wektorowa. Teoria pola.

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Niektóre zastosowania całki krzywoliniowej niezorientowanej 1.Długość l łuku zwykłego gładkiego Γ

Całki krzywoliniowe. SNM - Elementy analizy wektorowej - 1

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

24. CAŁKA POWIERZCHNIOWA ZORIENTOWANA

Całki powierzchniowe w R n

y(t) = y 0 + R sin t, t R. z(t) = h 2π t

Całki krzywoliniowe skierowane

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

opracował Maciej Grzesiak Analiza wektorowa

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Fale elektromagnetyczne

W. Np. pole prędkości cieczy lub gazu, pole grawitacyjne, pole elektrostatyczne, magnetyczne.

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Całka podwójna po prostokącie

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

Różniczkowe prawo Gaussa i co z niego wynika...

Rachunek całkowy - całka oznaczona

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

22. CAŁKA KRZYWOLINIOWA SKIEROWANA

Całki krzywoliniowe wiadomości wstępne

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

ANALIZA MATEMATYCZNA 2 zadania z odpowiedziami

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Matematyka 2. Elementy analizy wektorowej cz V Całka powierzchniowa zorientowana

Całki podwójne. Definicja całki podwójnej. Jacek Kłopotowski. 25 maja Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej

Funkcje wielu zmiennych

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 1. Rachunek wektorowy

Teoria pola elektromagnetycznego

Analiza Matematyczna Praca domowa

Ładunek elektryczny. Zastosowanie równania Laplace a w elektro- i magnetostatyce. Joanna Wojtal. Wprowadzenie. Podstawowe cechy pól siłowych

[ A i ' ]=[ D ][ A i ] (2.3)

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Matematyka 2. Elementy analizy wektorowej cz IV Całka powierzchniowa niezorientowana

z pokryciem (O i ) i I rozkładu jedności (α i ) i I. Zauważmy najpierw, że ( i I α i )ω dω = d(1 ω) = d d(α i ω). Z drugiej jednak strony

Lista 3 CAŁKI KRZYWOLINIOWE I POWIERZCHNIOWE. K cykloida c x y ds K x y x r t t t y r t t t t ) ( 2 ) + ( 2 ) = {(, ) : 1 1 = }

Kinematyka płynów - zadania

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

ANALIZA MATEMATYCZNA

Wykłady z Matematyki stosowanej w inżynierii środowiska, II sem. 2. CAŁKA PODWÓJNA Całka podwójna po prostokącie

J. Szantyr - Wykład 3 Równowaga płynu

Definicje i przykłady

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Fizyka dla Informatyków Wykład 8 Mechanika cieczy i gazów

TENSOMETRIA ZARYS TEORETYCZNY

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

STAN NAPRĘŻENIA. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

Elementy analizy wektorowej. Listazadań

Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

PYTANIA KONTROLNE STAN NAPRĘŻENIA, ODKSZTAŁCENIA PRAWO HOOKE A

ANALIZA MATEMATYCZNA 2.2B (2017/18)

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Elektrostatyka, cz. 1

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

ZAGADNIENIA DO EGZAMINU Z FIZYKI W SEMESTRZE ZIMOWYM Elektronika i Telekomunikacja oraz Elektronika 2017/18

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

Lista 6. Kamil Matuszewski 13 kwietnia D n =

Tensory mały niezbędnik

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 9

Rozdział 6. Równania Maxwella. 6.1 Pierwsza para

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

J. Szantyr -Wykład 2 Poważne wprowadzenie do Mechaniki Płynów

Analiza na rozmaitościach Calculus on Manifolds. Matematyka Poziom kwalifikacji: II stopnia

Fizyka dla Informatyków Wykład 7 Mechanika Ośrodków Ciągłych

1. Podstawy matematyki

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

ANALIZA MATEMATYCZNA 2

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Matematyka z el. statystyki, # 4 /Geodezja i kartografia I/

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Transkrypt:

IMR 2012/2013, Analiza 2, wykład 14, 2012-06-03 Całka powierzchniowa efinicja gładkiego płata powierzchni Gładkim płatem powierzchni nazywamy zbiór : = {(x, y, z) : z = g(x, y), (x, y) }, gdzie R 2 jest domknięty i ograniczony, jego brzeg jest krzywą kawałkami gładką zamkniętą, a funkcja g : U R jest klasy C 1, U, U jest otwarty. Uwaga 1 Analogicznie definiujemy płaty powierzchni jako wykresy funkcji x = g(y, z) lub y = g(x, z). Uwaga 2 Brzegiem płata nazywamy obraz brzegu zbioru. Brzeg płata jest krzywą kawałkami gładką, zamknietą. efinicja powierzchni kawałkami gładkiej Zbiór R 3 jest powierzchnią kawałkami gładką jeśli składa się ze skończonej liczby gładkich płatów powierzchni = 1 2... n takich, że: 1. Część wspólna dowolnych dwóch różnych płatów i j, i j zbiorem pustym, jednym punktem lub krzywą gładką leżącą na brzegach obu płatów 2. Na brzegu każdego płata istnieje krzywa gładka leżąca jednocześnie na brzegu innego płata Uwaga 1 Krzywe gładkie leżące tylko na jednym płacie (z wyjątkiem końców) tworzą brzeg powierzchni kawałkami gładkiej. Brzeg ten jest zbiorem pustym (dla powierzchni zamkniętej) albo jedną lub wieloma krzywymi kawałkami gładkimi zamkniętymi. Uwaga 2 Powierzchnię kwałkami gładką można sobie wyobrażać jako uogólnioną powierzchnię wielościanu: ściany zastępujemy płatami powierzchni, krawędzie - krzywymi gładkimi, ponadto część ścian możemy usunąć oraz porozcinać i posklejać ściany wzdłuż krawędzi. Miara (pole powierzchni) płata powierzchni Konstrukcja miary (pola powierzchni) na płatach powierzchni w R 3 podobna jest do konstrukcji długości krzywej. W powierzchnię należy wpisywać trójkąty (3 punkty zawsze leżą w jednej płaszczyżnie, a 4 nie muszą). Ponadto należy zwrócić uwagę, aby wszystkie trójkąty wipsywane w powierzchnię miały najmniejszy kąt większy od ustalonej liczby dodatniej. Twierdzenie ( ) 2 g Pole powierzchni płata istnieje i jest równe: = 1 + + x ( ) 2 g dx dy Uwaga Pole powierzchni kawałkami gładkiej definiujemy jako sumę pól powierzchni płatów składowych. Całka powierzchniowa (niezorientowana) Konstrukcja całki powierzchniowej jest podobna do kontrukcji innych całek. zielimy powierzchnię kwałkami gładką na małe fragmenty. w każdym wybieramy dowolny punkt, konstruujemy sumę iloczynów wartości funkcji przez pole powierzchni fragmentu i przechodzimy do granicy. Żądamy, aby granica istniała i nie zależała od podziału powierzchni na fragmenty i od wyboru punktów w których obliczamy wartości funkcji podcałkowej. Twierdzenie Niech = {(x, y, z) : z = g(x, y), (x, y) } będzie gładkim płatem powierzchni. Niech ponadto f : R będzie funkcją ciągłą. Wtedy całka powierzchniowa z funkcji f po powierzchni istnieje i jest równa: 1

( ) 2 g f d = f(x, y, z(x, y)) 1 + + x ( ) 2 g dx dy Uwaga 1: Całkę po powierzchni kawałkami gładkiej definiujemy jako sumę całek po płatach składowych. Całka ta nie zależy od sposobu podziału powierzchni na płaty. Uwaga 2: Można też zdefiniować całkę powierzchniową niewłaściwą, pozwalającą (o ile będzie zbieżna) obliczać całki powierzchniowe z funkcji nieograniczonych, po zbiorach będącch nieskończoną sumą powierzchni kawałkami gładkich. Przykład: Oblicz całkę powierzchniową z d, gdzie powierzchnia jest fragmentem paraboloidy obrotowej: z = x 2 + y 2 wyciętej walcem x 2 + y 2 = 3 4 I = f d = (x 2 + y 2 ) 1 + (2x) 2 + (2y) 2 dx dy gdzie zbiór jest kołem: x 2 + y 2 3 4 Zmieniamy współrzędne na biegunowe: I = r 2 r 1 + 4r2 dr dϕ = r 3 1 + 4r2 dr dϕ = Zbiór : r < 0, 3 >, ϕ < 0, 2π > - prostokąt, funkcja podcałkowa zależy tylko od r: 2 3 2 I = r 3 2π 1 + 4r 2 4 1 t 1 4 dr dϕ = t dt [ϕ] 2π 0 = π t t t dt = π [ ] 2 16 8 4 16 5 t 5 2 4 2 3 t 3 2 = 1 0 0 1 1 ( π 64 16 5 16 3 2 5 + 2 ) = 29π 3 60 tosujemy podstawienie: t = 1 + 4r 2, dt = 8r dr Własności całki powierzchniowej niezorientowanej Jeśli 1, 2, 1 2 są powierzchniami kawałkami gładkimi, a 1 2 jest krzywą kawałkami gładką, a f, f 1, f 2 : R funkcją ciągłą, to: 1. f d = f d + f d 1 2 2. (f 1 + f 2 ) d = f 1 d + f 2 d 3. af d = a f d Zastosowania całki powierzchniowej niezorientowanej Zakładamy, że poniższe całki istnieją (być może niewłaściwe). Pole powierzchni: = d Masa powierzchni : m = ρ d, gdzie ρ(x, y, z) oznacza gęstość powierzchniową. Moment statyczny powierzchni wzgledem płaszczyzny xy: m xy = zρ d Moment bezwładności powierzchni wzgledem osi z: I z = (x 2 + y 2 )ρ d Całka powierzchniowa zorientowana 2

Orientacja gładkiego płata powierzchni Orientacją gładkiego płata powierzchni = {(x, y, z) : z = g(x, y), (x, y) } nazywamy ciągłe pole wersorów n prostopadłych do[ tego płata. ą dwie orientacje płata: 1. o góry (dodatnia) : n = g ] x, g, 1 1 ( g x )2 + ( g )2 + 1 [ 2. o dołu (ujemna) : n = g ] x, g, 1 1 ( g x )2 + ( g )2 + 1 Uwaga 1: Analogicznie określamy orientację płatów: x = g(y, z) i y = g(x, z). Orientacja powierzchni kawałkami gładkiej Powierzchnia kawałami gładka składa się ze skończonej ilości płatów gładkich. Każdy z nich ma dwie możliwe orientacje. Próbujemy uwgodnić orientacje płatów składowych w następujacy sposób: 1. Orientujemy brzeg każdego płata składowego (krzywą kawałkami gładką zamknietą) w sposób zgodny z orientacją płata następująco: patrząc na płat z góry, krzywa jest zorientowana w lewo (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). 2. wa sąsiednie płaty 1 i 2 mające wspólny brzeg będący krzywą kawałkami gładką K są zorientowane zgodnie, jeśli orientacja krzywej K zgodna z orientacją płata 1 jest przeciwna do orientacji krzywej K zgodnej z orientacją płata 2 Jeśli da się uzgonić orietacje wszystkich płatów składowych, to taką uzgodnioną orientację, nazwyamy orientacją powierzchni kawałkami gładkiej, Uwaga 1: Nie każda powierzchnia kawałkami gładka ma orientację. Takie powierzchnie nie majace orientacji nazywamy też powierzchniami jednostronnymi. Przykładem jest wstęga Möbiusa. Uwaga 2: Jeśli powierzchnia kawałkami gładka ma orientację, to ma też orientację przeciwną. Takie powierzchnie nazywamy powierzchniami dwustronnymi. Uwaga 3: W przypadku powierzchni zamkniętych orientacje nazywamy zewnętrzną (na zewnątrz) i wewnętrzną. Uwaga 4 Powierzchnię kwałkami gładką zoreintowaną można sobie wyobrażać jako uogólnioną powierzchnię wielościanu: ściany zastępujemy płatami powierzchni, krawędzie - krzywymi gładkimi, ponadto część ścian możemy usunąć. Nie można jednak rozcinać i sklejać ścian. efinicja całki powierzchniowej zorientowanej Niech dana będzie powierzchnia kawałkami gładka zorientowana, jej orintacja n. Niech ponadto dane będzie pole wektorowe ciągłe F : R 3. Wtedy całką powierzchniową zorientowaną nazywamy: F n d Uwaga 1: Funkcja podcałkowa jest iloczynem skalarnym pola F przez wersor normalny n, a całka jest całką powierzchniową niezorientowaną. Uwaga 2: tosowane są też inneoznaczenia: F n d = F cos α d = P dy dz + Q dz dx + R dx dy gdzie α oznacza kąt między wektorami F i n, a F = [P, Q, R] Uwaga 3: Całkę powierzchniową zorientowaną nazwywamy też strumieniem pola F przez powierzchnię Uwaga 4: Wersor normalny n na brzegach płatów tworzących powierzchnię kawałkami gładką nie jest określony jednoznacznie, ale to nie wpływa na wartość całki ponieważ brzegi płatów mają miarę zero. 3

Twierdzenie Jeśli = {(x, y, z) : z = g(x, y), (x, y) } jest płatem powierzchniowym gładkim, a F = [P, Q, R] : R 3.jest polem wektorowym ciągłym to: ( P dy dz + Q dz dx + R dx dy = ± P g ) x Q g + R dx dy Przy czym znak + jest dla orientacji dodatniej, a dla orientacji ujemnej. Przykład Obliczyć x dy dz + y dz dx + z dx dy gdzie jest częścią walca paraboloicznego z = x 2 wyciętą przez płaszczyzny x = 0, x = 1, y = 0, y = 2 zorientowaną do góry. Powierzchnia jest płatem, g(x, y) = x 2, zbiór jest prostokątem x < 0, 1 >, y < 0, 2 > Obliczamy: g g = 2x, x = 0. ( x dy dz + y dz dx + z dx dy = + ) 1 x 2x y 0 + x 2 dx dy = x 2 dx dy = x 2 dx 2 0 dy = 2 3 Zastosowania całki powierzchniowej zorientowanej 1. Jeżeli pole F = v jest polem prędkości cieczy, to strumień pola prędkości przez powierzchnię jest równy objętości cieczy przepływającej przez tę powierzchnię w jednostce czasu. 2. Jeżeli pole F = ρ v jest prędkością cieczy pomnożoną przez jej gęstość, to strumień pola prędkości przez powierzchnię jest równy masie cieczy przepływającej przez tę powierzchnię w jednostce czasu. 0 Elementy teorii pola Niech U R 3. Polem skalarnym nazywamy funkcję f : U R. Jeśli P U to f(p ) jest liczbą. Polem wektorowym nazywamy funkcję F : U R 3. Jeśli P U to F (P ) jest wektorem. Polem tensorowym (rzędu 2) nazywamy funkcję T : U R 3 R 3 Jeśli P U to T (P ) macierzą 3x3 Uwaga: Pojęcie pola ma charater geometryczny czyli niezależny od układu współrzędnych. Przy zmianie układu współrzędnych np. przy jego obrocie zmieniają się współrzędne (funkcje) opisujące pole, ale samo pole się nie zmienia. Ponieważ wielkości fizyczne i rządzące nimi prawa nie zależą od układu współrzędnych, więc opisywane są za pomocą obiektów mających charakter geometryczny: liczba, wektor, tensor,pole skalarne, pole wektorowe, pole tensorowe. Przykłady pól skalarnych: 1. Pole potencjału w przestrzeni 2. Pole energii potencjalnej w przestrzeni 3. Pole temperatury 4. Pole ciśnienia w w cieczy lub gazie. 5. Pole gęstości w gazie. Przykłady pól wektorowych: 1. Pole sił przestrzeni 2. Pole prędkości w cieczy lub gazie 3. Pole elektryczne 4

4. Pole strumienia ciepła Przykłady pól tensorowych: 1. Pole odkształceń w ciele stałym 2. Pole naprężeń w ciele stałym Operator Nabla Pochodna pola tensorowego rzędu k jest polem tensorowym rzędu k + 1. Ta pochodna jest zwykle nazywana gradientem pola. Często używa się operacji różniczkowych tworzących tesnory rzędu mniejszego niż k [ + 1. Operacje te wygodnie jest zapisywać przy użyciu operatora Nabla: = x,, ] z Operator ten przy zmianach układu współrzędnych zachowuje się jak wektor. Gradient pola skalarnego Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a f : U R polem skalarnym klasy C 1. Wtedy gradient pola skalarnego jest polem wektorowym: F = gradf = f Uwaga: Gradient odpowiada operacji mnożenia wektora przez liczbę. Przykład: Oblicz gradient pola f(x, y, z) = x 2 yz + x ln z grad f = [2xyz + ln z, x 2 z, x 2 y + x z ] ywergencja pola wektorowego Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a F = [P, Q, R] : U R 3 polem wektorowym klasy C 1. Wtedy dywergencją tego pola nazywamy pole skalarne: div F = F = P x + Q + R z Uwaga: ywergencja odpowiada operacji mnożenia skalarnego wektorów. Interpretacja dywergencji Pole wektorowe często ilustruje się graficznie rysując skierowne linie pola: linie w każdym punkcie styczne do wektora pola w tym punkcie. Ponadto gęstość linii pola jest proporcjonalna do długości wektora pola w danym punkcie. Jeśli dywergencja pola jest dodania w jakimś obszarze to w tym obszarze biorą początek nowe linie pola (czyli pole ma tam żródło). Jeśli dywergencja pola jest ujemna w jakimś obszarze to w tym obszarze kończą się linie pola. Jeśli dywergencja pola jest zerowa w jakimś obszarze to tyle samo linii pola wchodzi i wychodzi z tego obszaru. latego dywergencję nazywa się też żródłowością pola. Przykład: Oblicz dywergencję pola F (x, y, z) = [x 2, x + y 2, xyz] div F = 2x + 2y + xy Rotacja pola wektorowego Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a F = [P, Q, R] : U R 3 polem wektorowym klasy C 1. Wtedy rotacją tego pola nazywamy pole wektorowe: rot F = F = i j k = x z P Q R [ R Q z, P z R x, Q x P ] Uwaga 1: Rotacja odpowiada operacji mnożenia wektorowego wektorów. Przykład: Oblicz rotację pola F (x, y, z) = [x 2 + y 2, x + y + z, xyz] Mamy: P = x 2 + y 2, Q = x + y + z, R = xyz 5

rot F = [xz 1, 0 yz, 1 2y] Interpretacja rotacji Pole prędkości bryły sztywnej obracającej się dookoła osi z w lewo z prędkością kątową ω jest równe: v(x, y, z) = [ ωy, ωx, 0] Rotacja pola prędkości jest równa: rot v = [0, 0, 2ω] = 2 ω Widać, że dla bryły sztywnej rotacja pola prędkości w każdym punkcie jest równa podwojonej prędkości kątowej. Niech będzie dane pole prędkość przepływu cieczy v(x, y, z). Ruch małej porcji cieczy bliskiej punktu P w krótkich odcinku czasu możemy rozłożyć na ruch postępowy i obrotowy. Wtedy: v(p ) - prędkość ruchu postępowego, 1 2 rot v(p ) - prędkość kątowa (wektor - opisuje oś, kierunek i prędkość kątową) Przykłady zastosowań gradientu, dywergencji i rotacji 1. Jeżeli E(x, y, z) jest polem skalarnym energii potencjalnej wektorowego pola sił F (x, y, z) to zachodzi związek: F = grad E 2. Jeżeli ρ(x, y, z) jest polem skalarnym gęstości masy, a E(x, y, z) polem wektorowym natężenia pola grawitacyjnego to zachodzi związek: div E = Gρ, gdzie G - stała grawitacji 3. Jeżeli j(x, y, z) jest polem wektorowym gęstości prądu elektrycznego, a H(x, y, z) polem wektorowym natężenia pola magnetycznego to zachodzi związek: rot H = j 4. Jeżeli r(x, y, z) jest położeniem punktu ciała nieodkształconego a R(x, y, z) jest położeniem tego samego punktu po odkształceniu to u(x, y, z) = R r jest przesunięciem punktu, a tensorem okształcenia nazywamy tensor: ε ij = 1 ( ui + u ) j 2 x j x i czyli symetryczną część tensora grad u Operator Laplace a Operatorem Laplace a nazywamy operator: = 2 x 2 + 2 2 + 2 z 2 = div(grad) Prykład: Obliczyć f jeśli f(x, y, z) = x 3 z y 2 z 2 f x 2 = 6xz 2 f 2 = 2z 2 f z 2 = 0 f = 6xz 2z Pewne związki między gradientem, dywergencją i rotacją Twierdzenie Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a f : U R polem skalarnym klasy C 2. Wtedy: rot grad f = 0 owód: grad f = [ f x, f, f ] z 6

rot grad f = [ 2 f z 2 f z, 2 f x z 2 f z x, 2 ] f x 2 f x, = [0, 0, 0] Uwaga: Twierdzenie to jest inaczej sformułowanym warunkiem koniecznym istnienia potencjału. Jeżeli pole F klasy C 1 jest potencjalne to rot F = 0 Twierdzenie Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a F = [P, Q, R] : U R 3 polem wektorowym klasy C 2. Wtedy: div rot F = 0 owód: [ rot F R = Q z, P z R x, Q x P ] div rot F = 2 R x 2 Q z x + 2 P z 2 R x + 2 Q x z 2 P z = 0 Potencjał pola wektorowego Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a F : U R 3 ciągłym polem wektorowym. Jeżeli istnieje funkcja ϕ : U R (pole skalarne) klasy C 1 taka, że F = gradϕ to pole F nazywamy polem potecjalnym,. a funkcję ϕ potencjałem pola F Uwaga 1: Pojęcie potencjału jest związane ze znanymi z fizyki pojęciami potencjału ienergii potencjalnej. W fizyce (mechanice) związek potencjału z polem sił definiuje się trochę inaczej: F = gradϕ Znak minus bierze się stąd, że bierzemy pod uwagę pracę siły zewnętrznej, która jest równa sile pola lecz przeciwnie skierowana. Uwaga 2: Analogicznie definiuje się potencjał na płaszczyźnie R 2 Przykład: Znajdź potencjał pola wektorowego F = (6x 2 yz, 2x 3 z + 4y, 2x 3 y + 12z 3 ) Rozwiązujemy układ równań: x = 6x2 yz = 2x3 z + 4y z = 2x3 y + 12z 3 Zaczynamy od pierwszego równania: ϕ(x, y, z) = 6x 2 yz dx = 2x 3 yz + f(y, z) (stała całkowania nie zależy od x ale może zależaeć od y i z) Podstawiamy obliczone ϕ do drugiego równania: 2x 3 z + f = 2x3 z + 4y tąd: f(y, z) = 4y dy = 2y 2 + g(z) czyli ϕ(x, y, z) = 2x 3 yz + 2y 2 + g(z) Podstawiamy obliczone ϕ do trzeciego równania: 2x 3 y + g = 2x 3 y + 12z 3 tąd: 7

g(z) = 12z 3 dz = 3z 4 + C czyli ϕ(x, y, z) = 2x 3 yz + 2y 2 + 3z 4 + C Odpowiedź: Pole jest potencjalne i jego potencjał jest równy: ϕ(x, y, z) = 2x 3 yz + 2y 2 + 3z 4 + C Uwaga: Widać, że potencjał pola wektorowego nie jest jednoznaczny. Można do niego dodać dowolną stałą i dostaniemy też potencjał. Przykład: Znajdź potencjał pola wektorowego F = (4xz, x 3 z y, x + z) Rozwiązujemy układ równań: x = 4xz = x3 z y z = x + z Zaczynamy od pierwszego równania: ϕ(x, y, z) = 4xz dx = 2x 2 z + f(y, z) Podstawiamy obliczone ϕ do drugiego równania: f = x3 z y Równanie to nie ma rozwiązań, ponieważ lewa strona zależy tylko od y i z, prawa zależy też od x Odpowiedź: Pole nie jest potencjalne. Własności pola potencjalnego Niech F : U R 3 będzie polem potencjalnym o potencjale ϕ. Wtedy dla każdej krzywej kawałkami gładkiej K U o początku w punkcie A i końcu w punkcie B: F d r = ϕ(b) ϕ(a) K czyli cała krzywoliniowa skierowana nie zależy od drogi, a tylko od początku i końca. Ponadto całka po drodze zamkniętej jest równa 0. Przykład Oblicz całkę B A 4(x + y) dx + 4(x z) dy + 2(z 2y) dz, A(0, 0, 0), B(1, 2, 1) W treści nie ma podanej krzywej łaczącej punkty A i B. Jeżeli pole jest potencjalne, to całka ta nie zależy od drogi. Gdyby pole nie było potencjalne - wtedy nie zadanie nie ma jednoznacznego rozwiązania. zukamy potencjału: = 4(x + y) x = 4(x z) = 2(z 2y) z ϕ(x, y, z) = 4(x + y) dx = 2x 2 + 4xy + f(y, z) Podstawiamy obliczone ϕ do drugiego równania: 4x + f = 4x 4z 8

tąd: f(y, z) = 4z dy = 4yz + g(z) czyli ϕ(x, y, z) = 2x 2 + 4xy 4yz + g(z) Podstawiamy obliczone ϕ do trzeciego równania: 4y + g = 2z 4y tąd: g(z) = 2z dz = z 2 + C Pole jest potencjalne i potencjał jest równy: ϕ = 2x 2 + 4xy 4yz + z 2 + C tąd wynika, że całka nie zależy od drogi i jest równa: B 4(x + y) dx + 4(x z) dy + 2(z 2y) dz = ϕ(b) ϕ(a) = 3 + C C = 3 A Warunek konieczny istnienia potencjału Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a F : U R 3 polem wektorowym klasy C 1. Jeżeli pole to jest potencjalne to: rotf = 0 Warunek dostateczny istnienia potencjału Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym i jednospójnym, a F : U R 3 polem wektorowym klasy C 1. Jeżeli rotf = 0 to pole jest potencjalne. Uwaga: Zbiór jest jednospójny wtedy i tylko wtedy, gdy każdą krzywą zamkniętą zawartą w tym zbiorze można ściągnąć do punktu. Przykład: Pokaż, że pole F = (4xz, x 3 z y, x + z) nie jest potencjalne. prawdzamy warunek konieczny: P = 0 Q x = 3x2 z Widać, że Q x P 0 czyli rotf 0 Warunek konieczny nie jest spełniony, więc pole nie jest potencjalne. Twierdzenie Gaussa Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a F : U R 3 polem wektorowym klasy C 1. Niech R 3 będzie zbiorem otwartym ograniczonym, którego brzeg jest powierzchnią kawałkami gładką zorientowną zewnętrznie, oraz U. Wtedy: F n d = div F dx dy ddz Twierdzenie tokes a Niech U R 3 będzie zbiorem otwartym, a F : U R 3 polem wektorowym klasy C 1. Niech R 3 będzie powierzchnią kawałkami gładką zorientowaną, a jej brzeg K krzywą kawałkami gładką, zamkniętą, zorientowaną zgodnie z. Niech U. Wtedy: F s ds = (rot F ) n d K Przykład zastosowania: równanie ciągłości Niech v(t) : U R 3 będzie zmiennym w czasie polem wektorowym prędkości gazu, a ρ(t) : U R polem skalarnym gęstości gazu. ( v(x, y, z, t) ; ρ(x, y, z, t)). Niech oba pola będą klasy C 1 na U R 9

Niech będzie kulą o środku w punkcie P i promieniu r, a jej brzegiem - sferą zorientowną zewnętrznie. Niech U. Wtedy strumień (ρ v) n d jest równy ilości masy wypływającej z kuli w jednostce czasu. Z zasady zachowania masy jest on równy zmniejszeniu się masy m gazu w kuli w jednostce czasu: (ρ v) n d dt = dm (ρ v) n d = dm dt Masa gazu w kuli jest równa: m = ρ dx dy dz Mamy więc równanie: (ρ v) n d + d ρ dx dy dz = 0 dt tosujemy twierdzenie Gaussa i zamieniamy kolejność operacji różniczkowania po czasie i całkowania: ρ div(ρ v) dx dy dz + dx dy dz = 0 t ( div(ρ v) + ρ ) dx dy dz = 0 t Ponieważ kula była dowolna, więc funkcja podcałkowa musi być równa 0: div(ρ v) + ρ t = 0 Jest to równanie ciągłości (lub zasada zachowania masy) w postaci różniczkowej. Przy okazji widać, że równanie ciągłości w postaci całkowej ma bardziej naturalną interpretację fizyczną, ale bardziej skomplikowany zapis matematyczny. Równanie w postaci różniczkowej ma prostszy zapis matematyczmy. 10