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工程数学

旋度 是什么

当地旋涡的强度与方向,逆时针为正、顺时针为负,小环的环量就是旋度

设想在水流上放一个很小的风车,并用针把它固定在一个点上,免得漂走。风车若在原地打转,那个点就有旋度。旋度(curl)量的是当地旋涡的强度。逆时针为正,顺时针为负。散度问的是一个点净流出多少,旋度问的是同一个场在原地转不转。流体里的涡、转动的机械,以及一个场是不是保守场,都系在这一个数上。下面图中的风车,指的就是那个点的旋度。

一个场里放着两个旋涡。拖动探针,那个位置会出现一支小小的弯曲箭头,那就是风车在该点打转的方向。在左侧旋涡上方,箭头逆时针弯曲,变成金色。在右侧上方,箭头顺时针弯曲,变成蓝色。两个旋涡正中间,旋度几乎为 0,箭头就缩小。弯箭头越长越粗,那一处的旋涡越强。箭头小到消失的地方,就是没有旋度的地方。

旋度的符号就是打转的方向。按下按钮,三种场依次切换。F=[−y, x] 是整块逆时针转的旋转,所以 ∇×F=+2。F=[y, −x] 是顺时针,所以是 −2。第三个 F=[y, 0] 是只往横向滑的剪切。箭头看着像平行的直线,旋度却是 −1,并不是 0。上面一排和下面一排的快慢不同,夹在中间的风车就会转。箭头看着笔直,并不等于没有旋度。沿固定圆累加得到的环量,给出同样的符号。

旋度也是两块之差。第一块 ∂v/∂x 是往东走时纵向速度变了多少,第二块 −∂u/∂y 是往北走时横向速度变了多少。拖动探针,两根条各自生长。绿色是 ∂v/∂x,橙色是 −∂u/∂y。两者相加就是旋度 ∇×F,正如图下的式子 ∂v/∂x − ∂u/∂y = ∇×F。只有一根条变大,也会产生旋度。两根条同号相加时,旋度像旋涡核心一样最强。符号相反而抵消时,旋度趋近于 0。

旋度是一个点上的量,测法是画一个小圈。把流动沿圈边转过的多少加起来,就是环量。拖动圈的中心,再用滑块缩小半径,答案就显出来。环量本身随圈变大而变大,但环量除以圈的面积,会随着圈缩小收拢到一个数。那个数就是中心处的旋度。圈缩成一点时,单位面积上转的多少,就是旋度的定义。图下方并排写出环量、除以面积的环量、中心的旋度,半径越小,中间那个数越靠近最后一个。放到左侧旋涡上,收到正数。放到右侧,收到负数。圈后面淡淡的箭头是场本身,圈边上的短箭头只保留沿着圈走的那一部分。

现在这张图把旋度本身涂上颜色。金色是逆时针旋转,所以为正。蓝色是顺时针,所以为负。淡淡的箭头显示流动。滑块拉开两个旋涡的距离。靠近时,两块旋度的色斑在中间互相削弱,旋转变模糊。拉开时,金色和蓝色两块色斑清楚地分开。把每一个点的旋度汇集起来,就能看出场里哪里逆时针转、哪里顺时针转。沿这些箭头积累的功,在线积分里继续。

实际应用旋度 ∇×F = ∂v/∂x − ∂u/∂y 是一个点上小风车打转的强度。正的逆时针转,负的顺时针转,为 0 则那里没有旋涡。哪怕箭头看上去平行,像剪切那样,只要上下两排有速度差,旋度就不是 0。把小圈的环量除以面积,再缩成一点,就得到旋度。在工程里,旋度连着流体的涡与湍流、转动机械的扭矩,以及旋度处处为 0 的场是保守场、可积分为势这一判据。散度是散开,旋度是打转,两者把向量场的变化分开。
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