Пусть задано векторное поле – вектор скорости несжимаемой жидкости, которая движется стационарно. Как отмечено выше, векторные линии будут линиями тока жидкости. Пусть в потоке находится поверхность S. Подсчитаем количество жидкости, протекающей через поверхность за единицу времени. Для этого применим известный в интегральном исчислении метод: разобьем поверхность S на n элементарных площадок: ; в каждой выберем произвольно точку и построим в ней нормаль (если S – замкнутая, то нормаль берем внешнюю).
Площадку будем считать плоской в виду её малости, а вектор постоянным во всех точках (рис. 1.38).
Тогда количество жидкости , протекающей через площадку , будет:
, (1.96)
где . Представим площадку в виде вектора: , тогда
. (1.97)
Общее количество жидкости П получим, просуммировав потоки (i = 1, 2,…, n):
. 1.98)
Точное значение количества жидкости П найдём, перейдя к пределу в выражении (1.98):
. (1.99)
Таким образом, количество жидкости, протёкшей через S в единицу времени, будет равняться объёму жидкости, прошедшей через S. Этим объясняется выбор названия «поток».
Исходя из (1.99) можно дать определение потока: потоком П векторного поля через поверхность S (в выбранном направлении нормалей к S), расположенную в области Д, называется поверхностный интеграл второго рода:
(1.100)
Другими словами, величина интеграла в (1.100) называется потоком вектора через поверхность S.
Вычислим величину П. Так как
,
,
то
. (1.101)
Замечание 1. В электротехнике понятие потока вектора имеет особо важное значение. Например, поток вектора плотности тока сквозь некоторую поверхность S представляет собой ток i, проходящий через эту поверхность:
.
Из этого равенства видно, что электрический ток есть величина скалярная; это и учитывается при расчете электрических сетей.
Замечание 2. Аналогично магнитный поток представляет собой поток вектора магнитной индукции через поверхность S;
,
где - вектор магнитной индукции; - абсолютная магнитная проницаемость среды; - вектор напряженности магнитного поля.
Замечание 3. Особый интерес имеет случай, когда S – замкнутая поверхность и ограничивает некоторый объём V. Тогда поток записывается так:
. (1.102)
Говорят, что поток вектора через замкнутую поверхность представляет собой разность между числом векторных линий, выходящих и входящих в объем, ограниченный этой поверхностью.
Используя связь поверхностного интеграла с тройным (1.88), получим:
, (1.103)
где величину
(1.104)
обозначают и называют дивергенцией (расходимостью) векторного поля . Отметим, что дивергенция векторного поля – величина скалярная и является одной из характеристик теории поля.
Вывод: поток равен тройному интегралу от дивергенции векторного поля (нормаль Вещиля).
Методическое руководство
1) При вычислении потока используют формулу (1.100) и тогда говорят, что мы применяем метод непосредственного вычисления потока.
2) Когда поверхность S – замкнутая, то пользуются формулой Остроградского (1.103).
3) Формулу Остроградского можно применить и тогда, когда поверхность S – не замкнутая, но тогда надо дополнить заданную поверхность S до замкнутой некоторой поверхностью S1 (желательно простой). Получим:
. (1.105)
Интересующий нас поток через S тогда будет:
.
При этом – находят по формуле Остроградского, а – обычным способом.
Пример 1
Найти поток радиуса-вектора через плоскость , заключённую в первом октанте; нормаль внешняя (рис. 1.39).
Решение
Способ 1
Дано: , нормаль к поверхности: запишется так: . Тогда по определению потока
на поверхности S , поэтому .
Найдем S. Для этого вычислим площадь равностороннего треугольника ABC со стороной : .
Тогда
.
Способ 2
Дополним поверхность S до замкнутой полной поверхности пирамиды, треугольниками , , , лежащими в координатных плоскостях. Тогда по формуле Остроградского:
,
;
.
.
Тогда
.
Пример 2
Найти , если
Решение. Имеем: ; ; , тогда по (1.104)
; ; ; .
Инвариантное определение дивергенции. По теореме Остроградского
По теореме о среднем значении имеем:
,
где – некоторая точка объема V. Найдя предел, получим:
Определение. Дивергенцией векторного поля в точке М называется предел отношения потока поля через малую замкнутую поверхность, окружающую точку М, к объёму тела, ограниченного этой поверхностью, при стремлении диаметра к нулю. Эти рассуждения показывают, что любое поле порождает скалярное поле дивергенции .
Векторное поле называется солиноидальным (или трубчатым) в области D, если S – любая замкнутая поверхность, где поле существует везде.
Рассмотрим векторную трубку (рис. 1.40), где и - два произвольных сечения, тогда
(нормаль внешняя).
Если на боковой поверхности , то:
и .
Это говорит о том, что поток через сечение такой же, как через , т.е. потоки имеют одно и тоже значение. Это значение называют интенсивностью векторной трубки.
Из формулы Остроградского следует связь между потоком и дивергенцией, так:
1) если , то - говорят, что в точке М есть сток;
2) если , то - говорят, что в точке М есть источник;
3) если – отсутствует сток или источник (речь идет о бесконечно малом объеме точки М).
Абсолютная величена – характеризует мощность источника или стока.