通量计算的思路还比较简单,就是把圆上的向量加起来,向外多的就说明是净流出、向内多的就说明是净流入:
但是这个
下面是一间房子,请无视我们的灵魂画法:
为了方便数学建模,我把它表示为一个多边形:
屋外下着垂直于地面的雨滴:
如果屋顶有一个天窗忘了关,地面就会有一滩水渍:
如果是侧面的屋顶有同样大小的天窗忘了关,地上的水渍就会小一些:
如果是在垂直的墙壁上的窗户忘了关,可以想见,地上是不会有水渍的。
可以观察到,水渍在雨水和窗户垂直的时候取到最大值,相切的时候取到最小值。在中间的时候水渍的大小是窗户在与雨水垂直方向的投影。
落入房间的雨水其实就是通量,因此上面的观察对通量的计算很有帮助。先让我们把最复杂的
来观察其中的一段圆弧段
假设圆弧
在速度场连续的情况下,可以认为整个圆弧段
方向一致,流出最大
方向相反,流入最大
流出
流入
不流出也不流入
上面这一切都可以通过点积来表示:
那么圆弧段
假设用曲线
更一般的可以计算出各个圈的通量。下面只给出各个通量的正负:
可以看出,当
综合上面的分析,可以得到通量的定义为:
需要注意的是,上式从第一类曲线积分变为了第二类曲线积分,曲线的方向为逆时针。
如果放到三维空间中的话,可看到单位法向量
之前解释过有向弧微分和弧微分的关系为:
可以推出:
那么之前的叉乘可以进一步演算变形:
因为向量场为
最终:
因为单位切向量