Ćwiczenie 2

Operacje matematyczne na wielkościach fizycznych w przestrzeni euklidesowej 3



Zadanie 1: Określić matematyczną formę wyrażenia a ⊗ b ,

 

gdzie: a = a e

oraz b = b e

są wektorami.

i

i





j

j





Rozwiązanie zadania 1:

a ⊗ b = a b

e

⊗ e – tensor walencji 2

 

i

j

i

j





reprezentacją tego tensora w polibazie e ⊗ e jest macierz – T

i

j





ij

 a b

a b

a b



 a 

1

1

1

2

1

3





1

 

T = a b

= a b

a b

a b

= a b b

b

2

[ 1 2 3]

ij

i

j

2

1

2

2

2

3





 

 a b

a b

a b





 a 

3

1

3

2

3

3 

 3 

→ wyrazy tej macierzy można obliczyć jako iloczyn wektorów!

Zadanie 2: Rozwinąć wyrażenie:

→ iloczyn tensorowy wektorów bazowych e ⊗ e .

2

3





Rozwiązanie zadania 2:

e ⊗ e → wyrażenie to jest tensorem walencji 2

2

3





Stosując odpowiedni zapis macierzowy:

0

0 ⋅0 0 ⋅0 0 ⋅1

0 0 0

 









e ⊗ e → 1 [ 0 0

]1 = 1 ⋅0 1 ⋅0 1 ⋅1 = 0 0 1

2

3





 









0

 

0 ⋅0 0 ⋅0 0 ⋅1





0 0 0





Zadanie 3: Dany jest wektor: a = a e

.

i

i





Rozwinąć wyrażenie: a ⊗ e .

1

 

Rozwiązanie zadania 3:

a ⊗ e → wyrażenie to jest tensorem walencji 2

1

 

Stosując odpowiedni zapis macierzowy:

 a 

 a ⋅1 a ⋅0 a ⋅0

 a

0

0

1

 

1

1

1





1





a ⊗ e → a 1 0 0 = a ⋅1 a ⋅ 0 a ⋅ 0 = a 0

0

2

[

]

1

 

 

2

2

2





2





 a 



 a ⋅1 a ⋅0 a ⋅0

 a

0

0

3 

 3

3

3



 3



→ w wyrażeniu tym składowe wektora a stanowią 1 kolumnę



Pytanie: Jakie działanie da w rezultacie składowe wektora b = b e jako elementy 2 wiersza macierzy?

i

i





Odpowiedź: Wyrażenie: e ⊗ b .

2





J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • Teoria sprężystości i plastyczności – Ćwicz. 2 • KMBiM WILiŚ PG

1

Zadanie 4:

3

Dana jest funkcja skalarna w  : ϕ ( x) 2

= 5 x + x x − x x x

1

1 2

1 2 3



Obliczyć: ϕ , określić matematyczną formę tego wyrażenia.

, j

Rozwiązanie zadania 4: ϕ → gradient pola skalarnego

, j

 ϕ

∂ 





∂

ϕ 

x 1



 5⋅2 x +1⋅ x −1⋅ x x  10

 x + x − x x 

,1



  ϕ

∂ 

1

2

2 3





1

2

2 3





grad ϕ

= ∇ϕ = ϕ = ϕ

= 

 =

0 + x ⋅1− x ⋅1⋅ x

=

x − x x

, j

 ,2 

∂

1

1

3





1

1 3





ϕ





x







2



0 + 0 − x x ⋅1

 

− x x



, 3



 ϕ

∂  

1 2

 

1 2







x

∂

 3 

→ matematycznie jest to funkcja wektorowa (pole wektorowe)

Zadanie 5:

3

Dana jest funkcja skalarna w  : ϕ ( x) 2

= 5 x + x x − x x x

1

1 2

1 2 3



Obliczyć: ϕ , określić matematyczną formę tego wyrażenia.

, i

i

Rozwiązanie zadania 5: ϕ → Laplasjan

, i

i

2

2

2

∂ ϕ ∂ ϕ ∂ ϕ

2

∇ ϕ = ϕ

∆ = ϕ = ϕ +ϕ +ϕ =

+

+

, i

i

, 11

, 22

, 33

2

2

2

x

∂

x

∂

x

∂

1

2

3

Zatem:

2

∇ ϕ = ϕ

∆ = ϕ = (5⋅2 + 0⋅ x − 0⋅ x x + 0 + x ⋅0 − x ⋅0⋅ x + 0 + 0 − x x ⋅0 =10

2

2 3 )

(

1

1

3 )

(

1 2

)

, i

i

→ matematycznie jest to liczba

3

 8 x x



1

2





Zadanie 6:

3

Dana jest funkcja wektorowa w  : u ( x) = 5 + 2 x x i



1 2





 x + x + x 

 1

2

3 

Rozwinąć: u , określić matematyczną formę tego wyrażenia.

i, j

Rozwiązanie zadania 6: u → gradient pola wektorowego

i, j

 u

∂

u

∂

u

∂ 

1

1

1





∂

∂

∂



x

x

x

u

u

u



1

2

3





1,1

1, 2

1, 3



  u

∂

u

∂

u

∂ 

grad u

= ∇ u = u = u

u

u

2

2

2

= 







i, j

 2,1

2, 2

2, 3





x

∂

x

∂

x

∂





u

u

u





1

2

3

3,1

3, 2

3, 3



 u

∂

u

∂

u

∂ 

3

3

3





x

∂

x

∂

x

∂

 1

2

3 

Zatem: grad u

= ∇ u = u





i, j

 ( 3

8 x x )

( 3

8 x x )

( 3

8 x x



2

3

2

3

1

2

1

2

1

2 )

 ⋅

⋅

⋅

 



,1

, 2

, 3





8 3 x

x

8 x 1

0

24 x x

8 x

0

1

2

1

1

2

1

=  (



 



5 + 2 x x

5 + 2 x x

5 + 2 x x

 = 0 + 2⋅1⋅ x

0 + 2 x ⋅1

0

=

2 x

2 x

0

1 2 )

(

1 2 )

(

1 2 )



 



,1

, 2

, 3





2

1

2

1

(

 + +

+ +

+ +  



x + x + x

x + x + x

x + x + x



1 0 0

0 1 0

0 0 1





1

1

1





1

2

3 )

(

1

2

3 )

(

1

2

3 )

,1

, 2

, 3





→ matematycznie gradient pola wektorowego jest to pole tensorowe 2 walencji (reprezentowane przez macierz) J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • Teoria sprężystości i plastyczności – Ćwicz. 2 • KMBiM WILiŚ PG

2

3

 8 x x



1

2





Zadanie 7:

3

Dana jest funkcja wektorowa w  : u ( x) = 5 + 2 x x i



1 2





 x + x + x 

 1

2

3 

Rozwinąć: u , określić matematyczną formę tego wyrażenia.

i, i

Rozwiązanie zadania 7: u → dywergencja pola wektorowego

i, i

u

∂

u

∂

u

∂

div u

= u = u + u + u

1

2

3

=

+

+



i, i

1, 1

2, 2

3, 3

x

∂

x

∂

x

∂

1

2

3

Zatem: div u

= u = ( 3

8 x x

+ 5 + 2 x x

+ x + x + x

1

2 )

(

1 2 )

(

1

2

3 )



i, i

, 2

, 3

,1

= (

2

8 ⋅ 3 x ⋅ x ) + (0 + 2 x ⋅ ) 1 + (0 + 0 + )

2

1 = 24 x x + 2 x +1

1

2

1

1

2

1

→ matematycznie jest to pole skalarne

Spostrzeżenie: div u

= tr ( grad u

) !





Zadanie 8:

3

Dana jest pole tensorowe w  :

3

 x

x x

1− x 

1

1 2

3





A

x = − x x

x x +

ij (

)

2

4

 1 2

2 3





2

2

 8 x

x x x

2 x 



2

1 2 3

3 

Obliczyć: A , określić matematyczną formę tego wyrażenia.

ij , j

Rozwiązanie zadania 8: A → dywergencja pola tensorowego

ij , j

 A

∂

A

∂

A

∂



11

12

13

+

+





∂

∂

∂



x

x

x

A

  A + A

+ A 

1

2

3





1 j, j





11, 1

12, 2

13, 3



  A

∂

A

∂

A

∂



div A = A

= A

= A + A

+ A

21

22

23

= 

+

+





ij , j

 2 j, j   21, 1

22, 2

23, 3 



x

∂

x

∂

x

∂





A





 A + A + A 

1

2

3

3 j , j 

 31, 1

32, 2

33, 3 

 A

∂

A

∂

A

∂



31

32

33



+

+



x

∂

x

∂

x

∂

 1

2

3 

 ( 3



x

+ x x

+ 1− x

 ( 2

3 x

+ 1⋅ x + 0 −1 

2



+ + 

1 )

( 2 ) (

)

1 )

( 1 2 ) (



2

3 )

,

,

,1

3



3 x

x

1

1

2



 

 



Zatem: div A = A

= (− x x

+ x x + 2 + 4

= ( 1

− ⋅ x + 1⋅ x + 0 + 0  = − x + x 2 )

( 3 ) ( )

1 2 )

(

2 3

) ( )



ij , j





,1

, 2

, 3





2

3

 (

(



0) + ( x ⋅1⋅ x + 2 ⋅ 2 x

 x x + 4 x 

1

3 )

(

3 )

2



8 x ) + ( x x x ) +











1 3

3

2

( 2

2 x

2

1 2 3

3

,

)

,1

, 3 

→ matematycznie dywergencja pola tensorowego (2 walencji) jest to pole wektorowe

Zadanie 9:

3

Dana jest pole tensorowe walencji 2 w  : A x ij (

)



Jaką postać matematyczną ma gradient pola tensorowego 2 walencji: Aij, k ?

Rozwiązanie zadania 9: A → T

ij , k

ijk

Gradient ten ma postać pola tensorowego 3 walencji T x , o 27 składowych.

ijk (

)



J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • Teoria sprężystości i plastyczności – Ćwicz. 2 • KMBiM WILiŚ PG

3

 x 

3

 

Zadanie 10: Obliczyć rotację pola wektorowego: v ( x) 2

= x .

1

 

 

3

 x 

 2 

Rozwiązanie zadania 10:

rot v

(lub curl v

) → rotacja pola wektorowego





 v

∂

v

∂ 

3

2

−







e

e

e 

x

∂

x

∂

1

2

3

 



 

2

3





∂

∂

∂



  v

∂

v

∂ 

rot v

= ∇× v =

1

3

= 

−





 x

∂

x

∂

x

∂ 

x

∂

x

∂

1

2

3



  3

1 

 v

v

v



  v

∂

v

∂ 

1

2

3 

2

1



−



x

∂

x

∂

 1

2 

∂

lub używając symbolu pochodnej cząstkowej: ( ) = 



, i

x

∂ i

 e

e

e 

 v − v 

1

2

3

 



 

3, 2

2, 3





rot v

= ∇× v = ()

() () = v − v





,1

, 2

, 3

 1,3

3,1





 

−



v

v

v



v

v





1

2

3



2,1

1, 2

pomocnicze obliczenia:

2

2

3

3

2

v

= x

= 0

v

= x

=1 v = x

= 2 x

v

= x

= 0

v

= x

= 0

v

= x

= 3 x

3, 2

( 2)

3,1

( 2)

2, 3

( 1 )

2,1

( 1 )

1, 3

( 3)

1, 2

( 3)

1

2

, 2

, 3

,1

, 3

,1

, 2

Zatem:

 v − v 

2

3 x − 0

2

3 x 

3, 2

2, 3





2





2





rot v

= v − v

= 1− 0

= 1

  1,3

3,1





 



 v − v 



2 x − 0 2 x 

2,1

1, 2



 1

  1 

Zapis formalny (wskaźnikowy) operatora rotacji: rot v

→ ε v

e

lub ε v

e

lub ε v

e



ijk

j , i

k



ijk

k , j

i



ijk

i, k

j



Sprawdzenie: (dla swobodnego indeksu – k ): ε



v

+ ε v



1

 ⋅ v + 1

− ⋅ v   v − v 

3, 2

( )

231

3, 2

321

2, 3

2, 3

3, 2

2, 3

ε



 

 



v

= ε v

+ ε v

= 1⋅ v + 1

− ⋅ v



= v − v

, co było do okazania

1, 3

( )

ijk

j , i

 312 1,3

132

3,1



3,1



 1,3

3,1



ε v + ε v 



1⋅ v + 1

− ⋅ v 



 v − v 

2,1

( )

123

2,1

213

1, 2



1, 2



 2,1

1, 2



Zadanie domowe:

Rozwinąć wyrażenie:

T

div σ

+ ρ b = 0



 

gdzie: σ ≡ σ → pole tensorowe 2 walencji,

ij



b ≡ b → pole wektorowe

k

ρ → liczba

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • Teoria sprężystości i plastyczności – Ćwicz. 2 • KMBiM WILiŚ PG

4

Document Outline

  • Ćwiczenie 2
  • Operacje matematyczne na wielkościach fizycznych w przestrzeni euklidesowej