seegongsik
我的单词本
工程数学

场给每一个点都钉上一个值

标量场每点一个数,向量场每点一支箭头,场是函数也是流动

想象一张天气预报图。在图上点任何一座城市,那儿都写着一个气温吧。点到哪儿,也都画着一支风的箭头,有方向也有强度。这就是"场(field)":给空间里每一个点都钉上一个值。钉的若是一个数,就是标量场(气温);若是一支箭头,就是向量场(风)。工程里碰到的温度、压力、速度、应力,全都是场。向量微积分正是处理场的语言,而这一讲就是它的开场。

先看标量场。每个点都带着一个数。这是一张温度图,颜色越暖,值越大。拖动探针看看。无论放到哪儿,那一点的温度都会立刻读出来。要紧的是:值本来就坐在那个点上。探针不创造什么,它只是读出早已在那儿的值。空间里每一个点都铺好了一个值,一个不漏,这就是场。

场有两种。钉在点上的若是一个数,就是标量场;若是一支箭头,就是向量场。点切换看看这两者。标量这边是高程图,每个点只有一个"有多高"。向量这边是风,每个点用箭头告诉你往哪儿吹、吹多猛。同一片空间,钉上的信息种类不同。只看大小,像高度或温度,就是标量;连方向也要算,像速度或力,就是向量。

现在仔细看一个向量场。背景里每个点都铺着淡淡的箭头。拖动探针,那个位置的箭头就加粗活起来,旁边以数显示它的(横、纵)分量。在一个点上,箭头同时说两件事:朝哪个方向(方向)、有多强(长度)。换个位置,方向和强度就一起变。所谓"读"一个向量场,就是在你关心的点上,把这支箭头是什么取出来。

场说到底是个函数:一条规则,输入点 (x, y),输出箭头(横、纵)。改了规则,所有箭头一下子重排。有两个把手。外流 s 把东西从原点推开或拉拢,旋涡 r 让它打转。单调大 s,就成了向四面喷出的源(source);压成负的,就成了往里吸的汇(sink)。单调大 r,就成了漩涡。两者一掺,向内卷的螺旋也出来了。一个式子定下整片空间的箭头,这就是驾驭场的力量。

场为什么这么有用?因为它定下了流动。往场里丢一颗粒子看看。粒子朝它此刻所站点的箭头所指方向走一步,到了新位置再顺着那点的箭头走一步。如此反复,一条路径就画出来了。这条路径叫流线(streamline)。把种子拖到各处看看。出发点一变,它跟着走的路也变。随风的尘、河面的叶、磁场里的指南针,全都这样顺着场走。从下一讲起,我们开始测量这个场是怎样从一点变到另一点的。

实际应用场就是给空间每一个点都钉上一个值。值是数,就是标量场(温度、压力、高度);值是箭头,就是向量场(速度、力、流动)。场是个函数,所以一个式子定下整片空间,顺着它的箭头走就成了流动(流线)。工程里,芯片内的温度分布、梁中的应力、流体的速度、机翼周围的空气,全都当作场来处理。把这点抓在手里,你就备好了进入接下来几讲,去测量场是怎样逐点变化的:最陡的方向(梯度)、向外散开(散度)、打转(旋度)。
工程数学
如果有帮助,请支持我们