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工程数学

旋度是当地旋涡的强度

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

想象在流动的水里浮起一个极小的风车,用针钉在一个点上,免得它漂走。如果风车在原地打转,那里就有旋度。旋度量的正是这个:当地旋涡的强度。逆时针转算正,顺时针转算负。如果说散度问的是"在不在向外散开",旋度问的就是"在不在打圈"。同一个场的两张脸。这一个量,掌管着流体里的涡、旋转的机械,以及判断一个场是不是保守场的关键。

这是一个含两个旋涡的场。拖动探针看看。探针处会出现一支小小的弯曲箭头,那就是风车在那一点打转的方向。在左侧旋涡上方,箭头逆时针弯曲、发出金光(旋度为正);在右侧上方,箭头顺时针弯曲、变成蓝色(为负)。在两个旋涡正中间,旋度几乎为0,箭头就缩小了。弯箭头越长越粗,就表示那一处的旋涡越强。

旋度的符号,就是打转的方向。用切换试试三个场。F=[−y, x] 像一整块逆时针转,所以 ∇×F=+2;F=[y, −x] 是顺时针,所以 −2。第三个 F=[y, 0] 是只往横向滑的剪切流,可是哪怕每支箭头看上去都是平行的直线,它的旋度也是 −1,并不是零。上面一排比下面一排走得快,夹在中间的风车就会转。要点在于:箭头看着笔直,并不代表没有旋度。沿一个固定圆累加得到的环量,也确认了同样的符号。

旋度归根结底也是两块之差。第一块 ∂v/∂x,是你往东走时纵向速度变了多少;第二块 −∂u/∂y,是你往北走时横向速度变了多少。拖动探针,两根柱子各自生长:绿色是 ∂v/∂x,橙色是 −∂u/∂y。两者之和就是旋度 ∇×F,正如图下的式子 ∂v/∂x − ∂u/∂y = ∇×F 所写。哪怕只有一根柱子大,也会产生旋度;两者同号相加时,旋度就像旋涡核心一样最强。若异号相消,旋度便趋近于零。

旋度是一个点上的量,那要怎么测?画一个小圈,把流动沿圈边转的多少(环量)加起来就行。拖动圈的中心,再用滑块缩小它的半径。原始环量随圈变大而变大,但用圈的面积去除环量得到的值(环量/面积),随着你把圈缩小,会收拢到一个数。那个数正是中心处的旋度。这就是旋度真正的定义:当圈塌缩成一点时,单位面积上转的多少。把它放到左侧旋涡上,收敛到正数;放到右侧,则是负数。

现在是一张把旋度本身涂成颜色的地图。金色是逆时针旋转(正),蓝色是顺时针(负),淡淡的箭头显示流动。滑块把两个旋涡拉开。靠近时,两块旋度的色斑在中间互相啃噬,旋转就变模糊;拉远时,金色和蓝色两块色斑干净地分开。把每一个点的旋度汇集起来,就成了一张旋度图,让你一眼看出场里哪些部分逆时针转、哪些顺时针转。下一讲将转入线积分,去测量沿这些箭头所做的功。

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,零则表示那里没有旋涡。哪怕箭头看上去平行,像剪切流那样,只要上下两排有速度差,旋度就不为零。把小圈的环量除以它的面积,再缩成一点,就得到旋度。工程里,旋度掌管流体的涡与湍流、旋转机械的扭矩,以及"旋度处处为零的场是保守场、可积分为势"这一判据。若说散度是"散开",旋度就是"打转";两者把向量场的变化一分为二。
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