Позначимо зміну віддаль між точкою О(0,0,0) і
початком вектора через t. Тоді
можна
вважати як приріст t, тобто, якщо
, то
. Але ж
і тому
.
Очевидно, що
,
. Якщо
відстань від вісі Оz до точки
, то
.
Розкриємо векторний добуток:
. Бачимо, що
. Щоб знайти
проінтегруємо знайдені диференціали в
межах від
до
.
=
=. Тобто
. Аналогічно знайдемо
. З
.
Після скорочення знаменників на , диференціальні рівняння векторних ліній
будуть мати вигляд:
- це є рівняння сімейства
кіл, центри яких знаходяться на вісі Oz; радіуси цих кіл
і
віддалені вони від площини
на
віддаль
.
11.4. Потік вектора через поверхню
Нехай векторне поле утворене вектором
Візьмемо в цьому полі деяку поверхню і
виберемо на ній визначену сторону. Позначимо через одиничний
вектор нормалі до розглянутої сторони поверхні у довільній її точці;
проекціями вектора
служать направляючі, косинуси
нормалі
.
Розглянемо інтеграл по поверхні S від скалярного добутку
вектора поля на одиничний вектор нормалі
:
В попередній лекції виражало
поле швидкостей течії рідини і тоді, як ми бачили, цей інтеграл виражав потік
рідини через поверхню S. У довільному векторному полі цей інтеграл будемо називати потоком
вектора
через поверхню S і позначати буквою К. Oзначення. Потоком вектора через
поверхню називається інтеграл по поверхні від скалярного добутку вектора поля
на одиничний вектор нормалі до поверхні:
(11.7)
Таким чином, обчислення потоку вектора
зводиться до обчислення інтегралу по поверхні. Із самого оначення випливає, що
потік вектора К величина скалярна. Якщо змінити напрямок нормалі на протилежний, т. е, змінити сторону
поверхні інтегрування, то потік К змінить знак. Тому, що скалярний добуток
вектора
на одиничний вектор нормалі
дорівнює
–
проекції вектора
на напрямок
, то потік К можна представити у
вигляді
. Зрозумідо, що
.
Звідси, зокрема, випливає, що якщо на деякій
ділянці поверхні проекція вектора на нормаль постійна:
, то потік через таку ділянку поверхні
просто дорівнює
, (11.7а)
де Q – площа ділянки поверхні. 1
Приклад.
Особливий інтерес
представляє випадок, коли S – замкнута
поверхня, що обмежує деяку область . Якщо береться зовнішня
нормаль, то ми будемо говорити про потік зсередини поверхні S. Він позначається так:
(11.8)
Відзначимо також,
що в курсах фізики і прикладних дисциплін інтеграли по поверхні (зокрема,
подвійні) і навіть потрійні інтеграли дуже часто позначають за допомогою одного
знакy интеграла. При такому способі запису інтеграли розрізняються за
позначеннями диференціала і області інтегрування: означає
интеграл по лінії,
–
інтеграл по поверхні,
інтеграл по об’єму.
Коли векторне поле представляє поле швидкостей рідини,
величина потоку K дає різницю між кількістю рідини, що витікає з області
і кількістю рідини, що вливається в цю
область. Якщо К=0 в область
рідини вливається
стільки ж, скільки і витікає. Так, наприклад, буде для будь-якої області,
розміщеній у потоці води, що тече в річці.
Якщо ж величина К
відмінна від нуля, наприклад позитивна, то з області рідини
витікає більше, ніж вливається. Це означає, що в області
існують джерела, що
збільшують потік рідини. Навпаки, якщо величина К від’ємна,
то це вказує на наявність стоків – місць, де рідина видаляється з
потоку.
П.7. Знайти потік векторного поля
через верхню сторону трикутника А В С з вершинами в точках А(1,0,0), В(0,1,0), С(0,0,1).
Розв.
Рівняння площини, у якій лежить трикутник А В С, має вигляд
, відкіля
. Трикутник
А В С проектується взаємно однозначно на площину хОу в область
, яка обмежена
трикутником ОАВ (мал. 18).
За умовою нормаль до площини, у якій
лежить трикутник АВС, утворить гострий кут у з віссю Оz, тому
.
Використовуючи градієнт, знайдемо одиничний вектор
:
.
Знаходимо скалярний добуток
Застосовуючи формулу (11.7), обчислюємо шуканий потік:
.Відп. 5/3.
П.8. Знайти потік векторного поля через сферу радіуса R з
центромнапочатку координат.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.