马桶和喷头
都那么有内涵了
一日,超模君上厕所,按下冲水按钮后。
面对着马桶中回旋的水涡,不禁沉思起来。
(水流中似乎蕴藏了什么秘密)
这时,超模君的职业病犯了,拿起笔,开始画图。
将水流大致表示成如下的二维向量图,向量的方向即为水流方向,长短表示水流力量的大小。
那么问题来了,水流旋转产生的力到底是怎样的呢?
这当然难不倒机智的超模君,思考片刻,便将魔爪伸向了浴缸旁的小黄鸭。
(你想干什么?!!)
为了计算出物体在水流中收到了多少旋转的力,超模君按下冲水按钮,沉(sang)着(xin)淡(bing)定(kuang)地把小黄鸭扔进了波涛翻滚的马桶之中。
小黄鸭于是在漩涡中快速旋转,发现马桶是通往另一个时空的大门!
抱歉,刚才臆想一下,小黄鸭还是淡定地处于马桶旋涡中。
其在水流中漂流一周的运动轨迹类似这样封闭圆环,称为曲线
。
通过观察马桶旋涡中的小黄鸭,发现只有与小黄鸭运行轨迹方向不垂直的水流,才会使得小黄鸭作旋转运动,即运动轨迹垂直方向的作用力是不会导致旋转的。
换句话说,只有切线方向的力才能导致旋转。
也就只需要关注水流在曲面切线方向上的分量即可,设曲面一点切线的单位向量为
,于是导致小黄鸭作旋转运动的力为
。
所以,单位时间内,小黄鸭沿轨迹在水流中受到的旋转的力为:
咦,有种似曾相似的感觉,这不就是一个环量吗?
那么图中圆内某一点的旋转强度是多少呢?
运用极限与微积分思想,不断缩小封闭曲线区域至一点D,就可以得到某一点D环量的强度,即:
其中K为
围成的区域(实际情况一般为三维空间),S为K的面积。这个环量与面积S比值的极限就是旋度。
又到高中知识复习的时候。
旋度是矢量,方向可以根据物理上的右手定则判断。
四指指向封闭曲线的方向即轨迹运动方向,大拇指即为旋度方向。由于图中封闭曲线逆时针旋转,根据右手定则,可以得知旋度方向垂直于马桶面向外。
既然旋度是用环量除以闭合曲线的围成范围的面积,再令曲线无限小。那么是否能够类比出散度的含义?
于是超模君把注意力放在了浴室的喷头上。
打开喷头,水流从喷嘴出哗哗的流出,黑色箭头表示某一水流。用一个球状网将喷头包住,喷头可以近似看成一源头,水流从喷头处沿着不同方向辐射出并穿过球状网,那么球状网表面的辐射强度是怎么求呢?
球状网就是一个球状曲面。同样的,只需关注
垂直于曲面的分量,即
。所以对其求曲面积分,对于球状曲面J,得:
这个表达式称为曲面的通量。那么又如何计算球状曲面所围成的球状区域内任意一点B的辐射强度呢?
相信大家应该都想到了,对,同样根据极限与微积分思想,不断缩小封闭曲面直至与所求点A重合,再除以封闭曲面所围成区域的体积,就可以得到该点的辐射强度,称为散度。具体表达式如下:
P为封闭曲面J围成的区域,V为区域的体积。
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