, т.е
.
Решая , получим
,
, или
.
Если ввести параметр t, то
получим параметрические уравнения окружности:
.
Тогда уравнение примет вид:
или
,
тогда
.
Следовательно, параметрические уравнения векторных линий будут такими:
.
Если векторная линия проходит через точки (1;0;0), то
.
Тогда =1,
=0
и через точку (1;0;0) проходит векторная линия с уравнением:
.
Это уравнение винтовой линии.
2) Найти векторные линии
плоского поля .
Решение.
Уравнение векторных линий такое:
.
Проинтегрировав, получим
,
.
Это семейство ветвей параболы:
Рисунок 5 Рисунок 6
6 Поток векторного поля
Пусть векторное поле образовано вектором
.
Возьмем в этом поле
некоторую поверхность S,
которая предполагается двусторонней, и выберем на ней определенную сторону.
Пусть - единичный вектор нормали к
рассматриваемой стороне поверхности в произвольной точке поверхности.
Потоком вектора через поверхность S называется поверхностный интеграл
1-го рода по поверхности S от
скалярного произведения вектора
на единичный
вектор нормали к поверхности
.
.
Вычислить поток вектора – это вычислить поверхностный интеграл 1-го рода.
Свойства потока
1) Поток вектора величина скалярная.
2) Поток меняет знак на
обратный с изменением ориентации поверхности (т.е. с изменением ориентации
нормали к поверхности S):
,
где - сторона поверхности S, на которой выбрана нормаль
,
-
сторона поверхности S, на которой
нормаль
.
3) Свойство линейности:
,
где и
-
числа.
4) Свойство аддитивности:
если поверхность S состоит из
нескольких гладких частей ,
, ...
,
то поток векторного поля вектора
через S равен сумме потоков вектора
через поверхности
,
,
...
:
.
Пусть поверхность S замкнутая и ограничивает некоторую
область . Возьмем внешнюю нормаль и
рассмотрим поток изнутри поверхности S.
Когда векторное поле представляет поле скоростей
жидкости, величина потока К дает разность между количеством жидкости,
вытекающей из области
, и количеством жидкости,
втекающей в эту область. Если К=0, то в область
втекает
столько же жидкости, сколько и вытекает. Так будет для любой области,
расположенной в потоке воды, текущей в реке.
Если К>0, то вытекает
жидкости больше, чем втекает, т.е. в области имеются
источники, питающие поток жидкости.
Если К<0, то вытекает жидкости меньше, чем втекает, тогда в области есть стоки, где жидкость удаляется из потока.
7 Способы вычисления потока
7.1 Метод проектирования на все три координатные плоскости
Пусть поверхность S взаимно – однозначно проектируется
на все три координатные плоскости. Пусть ,
,
проекции
поверхности S соответственно на плоскости XOY, XOZ и YOZ.
Пусть уравнение
поверхности S: = 0 однозначно разрешимо
относительно каждого из аргументов x, y, z.
x=x(y,z), y=y(x,z), z=z(x,y).
Тогда поток вектора через поверхность S с единичным вектором нормали
, где
,
,
-
направляющие косинусы нормали, будет вычисляться так:
т.к. , то
Знак «+» или «-»
выбирается так, чтобы он совпадал у первого слагаемого со знаком , у второго слагаемого со знаком
, у третьего со знаком
на поверхности S.
При этом орт нормали к выбранной стороне
поверхности находится по формуле:
,
где F(x;y;z)=0 – уравнение поверхности S.
Знак выбирается согласно с выбором нормали к поверхности S.
Пример.
Найти поток вектора через треугольник, вырезанный из
плоскости Р координатными плоскостями, в том направлении нормали к плоскости,
которое образует с осью ОХ острый угол. Уравнение плоскости Р: x-y+2z+5=0.
Решение.
Найдем орт нормали к поверхности:
.
так как F(x;y;z)=x-y+2z+5=0, то
=1,
=-1,
=2.
Выбрали знак «+», так как
по условию задачи сказано, что угол острый, т.е.
>0.
Найдем теперь поток по формуле:
,
где второй член с «-»,
так как <0.
Т.е.
,
.
Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9
На рисунках 7,8,9 показаны проекции поверхности S на ZOY (рис.1), XOZ (рис.2) и XOY (рис.3).
7.2 Вычисление потока проектированием на одну из координатных плоскостей
Вычислим поток проектированием на плоскость XOY.
Если незамкнутая
поверхность S имеет уравнение F(x;y;z)=0 и взаимно однозначно
проектируется на плоскость XOY в
область . Уравнение F(x;y;z)=0 однозначно разрешимо относительно z, т.е.
.
Так как элемент площади dS этой поверхности равен
, то
.
Орт нормали к выбранной стороне поверхности
находим по формуле:
,
тогда равен коэффициенту при
, т.е.
(3)
Если угол между осью oz и нормалью
острый, то в
формуле (3) берем знак «+», если же угол тупой, то берется «-».
Решим ранее рассматриваемую задачу проектированием на плоскость XOY.
Задача.
Найти поток вектора через треугольник, вырезанный из
плоскости Р координатными плоскостями, в том направлении нормали к плоскости,
которое образует с осью ОХ острый угол. Уравнение плоскости Р: x-y+2z+5=0.
Решение.
(4)
Так как по условию задачи
сказано, что орт нормали к плоскости Р образует острый угол с осью ox, т.е. ,
то в формуле (4) выберем знак «+». Тогда
.
Найдем :
,
Тогда
Если оказывается удобным проектировать поверхность S на координатные плоскости YOZ или XOZ, то для вычисления потока пользуются соответственно формулами:
Рисунок 10
(5)
(6)
Рассмотрим решение еще одной задачи о нахождении потока через незамкнутую поверхность S проектированием на одну из координатных плоскостей.
Задача.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.