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位流

发布时间:2023-09-04 23:21:54

位流,也叫非旋转流。在矢量运算中,保守向量场是一个矢量场,它是一些函数的梯度。保守矢量场具有线积分是路径无关的特点,即两点之间的任何路径的选择不会改变线积分的值。线积分的路径独立性相当于保守的向量域。保守的矢量场也是非旋转的;在三个维度上,这意味着它有消失的曲面域。如果域简单连接,则非旋转矢量场必然是保守的。

位流详细介绍

位流,也叫非旋转流。在矢量运算中,保守向量场是一个矢量场,它是一些函数的梯度。保守矢量场具有线积分是路径无关的特点,即两点之间的任何路径的选择不会改变线积分的值。线积分的路径独立性相当于保守的向量域。保守的矢量场也是非旋转的;在三个维度上,这意味着它有消失的曲面域。如果域简单连接,则非旋转矢量场必然是保守的。

位流

保守的矢量场自然地出现在力学中:它们是表示能量被保存的物理系统力的矢量场。对于保守的系统,在配置空间中沿着路径移动的工作仅取决于路径的端点,因此可以定义独立于所采取路径的势能。

位流非正式表达

在二维和三维空间中,由于两点之间有无限多的路径,除了两点之间形成的直线之外,两点之间存在一个整体的模糊性,可以选择一条弯曲的路径更长的长度,如图1所示。因此,一般来说,积分值取决于所采用的路径。然而,在保守向量场的特殊情况下,积分值与所采用的路径无关,可以认为是所有元素的大规模消除,这两个点之间没有直线上的分量。想象这样,想象两个人爬上一个悬崖;一个决定通过垂直向上扩展悬崖,第二个决定沿着长度比悬崖高度长的蜿蜒路径行走,但与水平方向只有一小角度。虽然两个徒步旅行者采取不同的路线爬上悬崖顶部,但是在顶部,他们都将获得相同的重力势能。这是因为引力场是保守的。作为非保守领域的一个例子,想像一个盒子从一个房间的一端推到另一个。沿着整个房间的直线推动箱子,比围绕更大距离的曲线路径显着减少摩擦力。

位流直观解释

M. C. Escher的绘画升序和降序说明了一个非保守的矢量场,不可思议地看起来是沿着楼梯移动的地面上不同高度的梯度。 这是旋转的,因为它可以保持越来越高,或者在环绕的同时不断变低。 这是不保守的,因为可以在上升多于一个下降的同时返回到起点,反之亦然。 在一个真正的楼梯上,地面上方的高度是一个标量势场:如果一个人返回到同一个地方,一个向上一个向下,一个往下走。 它的梯度将是一个保守的矢量场,是非旋转的。 绘画中描绘的情况是不可能的。

位流定义

向量域v:U属于实数域,其中U是全体实数域的开放子集,当且仅当存在C ^ 1,使得:

成立时,可以说v是保守场。其中,

表示

位流

的梯度。 当上述方程式成立时,

被称为v的标量场。

矢量微积分的基本定理表明,任何矢量场都可以表示为保守矢量场和螺线管场的和。

位流位流

流体的流速v是矢量,并且流量的涡流

可以定义为:

涡度的一个常见的替代符号是

位流

如果v是非旋转的,则由于

,那么这个流被认为是一个非旋转的流,即位流。非旋转流的涡流为零。

开尔文循环定理指出,在非粘性流中是非旋转的流体将保持不旋转。该结果可以从通过采用Navier-Stokes方程的卷曲获得的涡度传递方程式得出。

对于二维流动,涡度作为流体元件局部旋转的量度。请注意,涡度并不意味着流体的全球行为。在直线上行进的流体可能具有涡度,并且可以使在圆圈中移动的流体是不旋转的。

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