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工程数学

散度是从一点净流出的量

一点处净流出的量,源为正、汇为负,小环的通量就是散度

想象绕着一个点画一个极小的圆。若穿过那条边界离开的流量比进入的多,这个点就在往外喷东西。这就是散度:从一点净流出的量。出多于进就是源(source),进多于出就是汇(sink),一样多就是0,流动只是穿过而已。写成式子,就是横分量向东散开的程度(∂u/∂x),加上纵分量向北散开的程度(∂v/∂y)。在工程里,它是用一个数就钉住何处漏、何处聚、何处被压缩的工具。

在场上拖动探针。探针所在处会绕上一圈八支取样箭头。这些箭头朝外张开,就是流动正在那里漏出;朝里聚拢,就是正在被吸入。把它放在原点附近,箭头四面散开,∇·F 读数为正,显示为金色的源(source)。把它拖到远处,箭头朝内弯曲,∇·F 转为负值,变成蓝色的汇(sink)。在两者之间某处,约半径2.45的圈上,进与出恰好平衡,∇·F 落到0。

用按钮在三个场之间切换,读出正负号。源的每支箭头都从原点向外伸展,所以 ∇·F 是 +1.2,为正。汇的箭头全都向内聚拢,所以是 −1.2,为负。旋涡的每支箭头都沿着圈打转,可进来多少就出去多少,所以 ∇·F 恰好是0。要点在此:转得再猛,也与散度无关。散度问的不是"转不转",而只是"散还是聚"。请留意那个大数字读数随正负号一起翻转。

散度归根结底是两块之和。拖动探针,横分量向东散开的程度(∂u/∂x,绿)和纵分量向北散开的程度(∂v/∂y,橙),各自升起一根条柱。把两根条柱相加,就是 ∇·F 本身。在原点处两者都约为 +1,所以和为 +2,是强源。向外拖,一根轴一根轴地折成负值,和随之缩小,到远处两者都为负,便成了汇。看那一行"∂u/∂x + ∂v/∂y = ∇·F"化作活生生的数字动起来。

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。沿着整圈边界,箭头显示流动沿外法线方向漏出多少。把整圈加起来就是总通量 Φ;再除以圆的面积,Φ/面积就是圈内的平均散度。圆缩得越小,Φ/面积越收敛到圆心处 ∇·F 这一个值。所以散度是一个能用图画把握的量:一条无限小边界单位面积上的流出。

现在不再看一个点,而是看整片场的散度。移动滑块 s,场就平滑地变为 F=[s·x − x³/9, s·y − y³/9]。背景颜色正是 ∇·F 的地图。金色是源(正),蓝色是汇(负),两者之间的边界就是散度为0的圈。调大 s,原点处的散开变强,金色区域扩大,0圈被推向外。调小 s,金色缩小,蓝色的汇向内灌满。看一个把手,怎样整体地移动源与汇之间的边界。

实际应用散度 ∇·F = ∂u/∂x + ∂v/∂y 是从一点净流出的量。为正是源(流动向外散),为负是汇(流动向内聚),为0则进出相等、不可压缩。它与旋转完全无关,所以一个转得再猛的旋涡,散度仍可为0。它真正的定义,是穿过一条趋于消失的边界的通量除以面积的极限。在工程里,流体在哪儿漏、在哪儿聚,热源在何处,流动是被压缩还是膨胀,全由这一个数钉住。下一讲,我们换个角度看同一个场,不看它的散开而看它的打转:旋度(curl)。
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