background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Strumie½ pola wektorowego; dywergencja

 

na podstawie: “Feynmanna Wyk»ady z Fizyki” t.II cz.1 rozd.3, PWN ºódï 1971

 

 
Dana jest ciecz i powierzchnia,  przez któr przep»ywa ciecz 

Strumie½ cieczy przez element powierzchni   

ds

 

 

n

 

 

v

 

=

 

d

Φ

r

r

 

Ca»kowity strumie½ cieczy przez ca» powierzchni“ S 

s

d

 

 

v

 

=

 

ds

  

n

 

 

v

  

=

 

S

S

r

r

r

r

Φ

∫∫

∫∫

 

Podobnie dla dowolnego innego pola wektorowego np. dla pola elektrycznego 
 
 
 
Niech S b“dzie powierzchni 
zamkni“t otaczajc objetoу V 

0

 

+

 

s

d

 

 

C

 

 

+

 

s

d

 

 

C

 

 

=

 

s

d

 

 

C

  

=

 

S

S

S

b

a

r

r

r

r

r

r

Φ

∫∫

 

Moóna wi“c podzieliƒ dowoln obj“toу V na elementarne obj“toÑci i taka 
procedura  nie  zmieni  ca»kowitego  strumienia  pola  wektorowego 
przep»ywajcego przez powierzchni“ S 

s

d

 

 

E

 

=

 

ds

  

n

 

 

E

  

=

 

S

S

r

r

r

r

Φ

∫∫

∫∫

 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Weïmy wi“c elementarn obj“toу w kszta»cie szeÑcianu 

z

 

y  

 

  

x

 

 

=

 

V

 

 

 
Znajdziemy strumie½ dowolnego wektora

C

r

 przez powierzchni“ 

S otaczajc obj“toу ∆V 

 
powierzchnia 1: 

 

-C

x

 (x,y,z) ∆y∆z 

powierzchnia 2: 

 

+C

x

 (x+∆x,y,z) ∆y∆z 

 

....

 

+

 

x

 

x

C

 

2

1

 

+

 

x

 

x

C

 

+

 

z)

y,

(x,

C

 

=

 

z)

y,

x,

+

(x

C

2

2

x

2

x

x

x

 

Dla ma»ego ∆x suma strumieni przez powierzchni“ 1 i 2: 

z

y

x

 

x

C

x

 

Podobnie dla powierzchni 3 i 4  
 
oraz dla powierzchni 5 i 6 szeÑcianu.  
 
 
 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

Ostatecznie ca»kowity strumie½ przez elementarny szeÑcian o obj“toÑci ∆V: 

V

  

ivC

d

 

 

V

  

)

z

C

 

+

 

y

C

 

+

 

x

C

(

 

=

 

s

d

C

z

y

x

S

∫∫

r

r

r

 

Dywergencja jest wi

“““c strumieniem pola wektorowego obliczanym na jednostk““““ obj““““toÑÑÑÑci. 

SciÑlej: w granicy objetoÑci malejcej do zera. 
 

Twierdzenie Greena i Gaussa: 

dv

 

ivC

d

 

 

=

 

s

d

C

V

S

r

r

r

∫∫

 

 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

Króenie pola wektorowego; rotacja

 

 
Ca»ka krzywoliniowa  

l

 

C

 

=

 

l

d

C

i

i

0

l

i

r

r

r

r

Γ

lim

 

gdy 

C

r

= grad ψ(x,y,z) 

gdzie ψ(x,y,z) jest dowoln g»adk funkcj skalarn to 

(1)

 

-

 

(2)

 

=

 

l

d

 

z)

y,

(x,

 

grad

 

2

1

ψ

ψ

ψ

r

 

Gdy droga Γ jest krzyw zamkni“t to  

 

l

d

 

C

r

r

Γ

 

nazywa si“ cyrkulacj

 (króóóóeniem)  pola wektorowego 

C

r

  

 

 
 
 
 
 
 
 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

Dowolny kontur zamkni“ty Γ moóna podzieliƒ na kontury elementarne. Ca»kowita cyrkulacja 
po konturze Γ b“dzie wtedy  suma cyrkulacji po elementarnych konturach. 

 
Jest to dzia»anie takie samo jak podzia» obwodu elektrycznego na “oczka”. 

 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

Weïmy elementarny kontur w postaci kwadratu. 

 
Za»óómy, óe leóy on w p»aszczyïnie Oxy. 
 

y

 

(4)

 

C

 

-

x

 

(3)

 

C

-

y

 

(2)

 

C

 

+

x

 

(1)

 

C

 

=

 

l

d

C

y

x

y

x

Γ

r

r

 

 
 
 
 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

Dla ustalenia uwagi rozpatrzmy:  

y

 

x

 

y

C

 

-

 

=

 

x

 

(3)

 

C

 

-

 

(1)

 

C

 

[

y

 

y

C

+

 

(1)

 

C

 

=

 

(3)

 

C

x

 

(3)

 

C

 

-

 

(1)

 

C

 

[

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 
Podobnie dla boków 2 i 4: 
 

y

 

x

 

)

 

y

C

 

-

 

x

C

 

(

 

=

 

l

d

 

C

 

x

y

kontur

r

r

 

Dla konturu o kszta»cie kwadratu leócego w p»aszczyïnie Oyz 

z

 

)

 

z

C

 

-

 

y

C

 

(

 

=

 

l

d

 

C

 

y

z

kontur

r

r

 

a dla konturu leócego w p»aszczyïnie Oxz

z

 

x

 

)

 

x

C

 

-

 

z

C

 

(

 

=

 

l

d

 

C

 

z

x

kontur

r

r

 

 
 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 
Dla dowolnie zorientowanego w przestrzeni konturu o dowolny kszta»cie: 

s

d

 

C

 

rot

 

 

=

 

l

d

 

C

S

r

r

r

r

Γ

 

Jest to twierdzenie Stokesa 
 przy czym 

 S jest powierzchni rozpi“t na konturze Γ. 
 

 
Wektor elementu powierzchni dany jest przez  

ds

  

n

 

=

 

s

d

r

r

 

Kierunek wektora normalnego okreÑla regu»a prawej r“ki. 
 
W uk»adzie kartezja½skim rotacja wektora

C

r

 zapisuje si“: 

i

 

)

 

x

C

 

-

 

z

C

 

(

+

 

i

 

)

 

z

C

 

-

 

y

C

 

(

+

 

i

 

)

 

y

C

 

-

 

x

C

 

(

 

=

 

C

  

rot

y

z

x

x

y

z

z

x

y

r

r

r

r

 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

Naj»atwiej zapami“taƒ ten wzór pos»ugujc si“ zapisem operatorowym 

C

 

x

 

  

=

 

 

C

C

C

z

y

x

i

i

i

 

    

=

 

C

  

rot

z

y

x

z

y

x

r

r

r

r

r

 

gdzie operator nabla  

)

 

z

 ,

y

 ,

x

 

(

  

  

 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

Pola bezwirowe:

 

Na mocy twierdzenia Stokesa: 

0

  

=

  

l

d

 

C

       

      

0

  

=

  

C

  

rot

r

r

r

Γ

 

0

  

=

  

l

d

 

C

 

 

+

 

l

d

 

C

 

  

=

  

l

d

 

C

1

2
b

2

1
a

b

+

a

r

r

r

r

r

r

 

 s

td:

  

l

d

C

 

  

=

  

l

d

C

 

 

-

  

=

  

l

d

C

 

2

1

b

1

2
b

2

1
a

r

r

r

r

r

r

 

Wniosek 

Gdy rotacja pola wektorowego znika 

 

ca»ka krzywoliniowa po tym polu nie zaleóy od drogi ca»kowania 

 

a tylko od po»oóenia jej kra½ców. 

 
 

Wtedy moóna wprowadziƒ potencja» skalarny zdefiniowany przez

 

C

r

= - grad ψ 

background image

Fizyka Ogólna  

 

 

 

 

 

 

Wykład 6   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

(1)

 

-

 

(2)

  

=

  

l

d

 

 

2

1

ψ

ψ

ψ

r

 

Twierdzenie odwrotne: 
 
JeÑli dany jest potencja» ψ (x,y,z) (jeÑli istnieje taki potencja») to 

0

  

=

  

l

d

 

r

ψ

Γ

 

wynika to z toósamoÑci: 

0

  

  

)

 

 

(

 

rot

ψ

 

Wniosek 
 

Pola dane przez gradient potencja»u (pola pot potencjalne) s polami bezwirowymi.