散度 是什么
设想围绕一个点画一个非常小的圆。如果从它的边界流出的量多于流入的量,这个点就是在往外喷东西。这就是散度:一个点净流出的量。流出多就是源 (source),流入多就是汇 (sink),两者相等就是 0,流动只是穿过而已。写成式子,就是水平分量向东散开的程度 (∂u/∂x) 加上竖直分量向北散开的程度 (∂v/∂y)。在工程中,哪里在泄漏、哪里在汇聚、哪里在被压缩,都由这一个数指出来。
在场上拖动探针,那个位置周围的虚线圆环上会排开八支样本箭头。箭头向外伸,就是流体正在漏出去的地方;向内聚,就是被吸进去的地方。放在原点附近,箭头向四面八方散开,散度为正,圆环亮成金色的源 (source)。往外拖远,箭头向内弯,散度转为负,变成蓝色的汇 (sink)。在两者之间的某处,半径约 2.45 的圆环上,进出的量恰好平衡,散度为 0。下方写出当前位置的散度值。
按下按钮,三种场依次切换。源的所有箭头都从原点向外伸,散度为 +1.2,是正的;汇的箭头全都向内聚,为 −1.2,是负的。涡旋的箭头沿着边界打转,进多少就出多少,散度恰好为 0。关键在于,旋转再强,也与散度无关。散度不看转不转,只看散开还是聚拢,下方那个大数字随符号一起变化,就清楚地说明了这一点。
散度说到底也是两块之和。拖动探针,水平分量向东散开的程度(∂u/∂x,绿色)和竖直分量向北散开的程度(∂v/∂y,橙色)会分别显示成条。两根条相加就是散度;在原点两者都约为 +1,和为 +2,是很强的源。往外拖,两条轴依次折向负值,和随之减小;走得很远时两者都为负,就变成了汇。“∂u/∂x + ∂v/∂y = ∇·F”这一行,以数字的形式活了起来。
散度真正的定义,是穿过边界的流动,也就是通量。拖动圆心,移动半径滑块,边界上每一点沿外法线方向漏出多少流体,就用箭头表示出来。把整条边界加起来就是总通量 Φ,再除以圆的面积,得到的 Φ/面积 就是圆内的平均散度。圆缩得越小,Φ/面积 就越收敛到圆心处 ∇·F 的那个值,下方三个读数中的后两个也越来越接近。所以,散度是一个可以在图上抓住的量:在极小的边界上,单位面积向外漏出的量。
现在不再看一个点,而是看整个场的散度。移动滑块 s,场就平滑地变成 F=[s·x − x³/9, s·y − y³/9]。背景颜色就是散度的地图:金色是源,为正;蓝色是汇,为负;两者之间的边界线是散度为 0 的圆环。调大 s,原点处的散开变强,金色区域扩大,0 圆环被推向外侧。调小 s,金色收缩,蓝色的汇一直填到里面。下方写出这个圆环的半径。一个手柄,就把源和汇的边界整个挪动了。