通量的定义

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:

但是这个圆上的向量特别复杂,我们应该怎么加?

1 垂直

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。

2 通量的计算

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圆分为个圆弧,只要把每个圆弧的通量算出来,加起来就得到了整个圆的通量:

来观察其中的一段圆弧段,用切线段来近似该圆弧段,用切线段的单位法向量来近似圆弧段的法向量(规定单位法向量的方向要指向圆外):

假设圆弧上某一点对应的水流速度向量为(速度向量一般用,这里用是为了表示下面的推论对一般的向量场也适用):

在速度场连续的情况下,可以认为整个圆弧段上的水流速度都为。当与单位法向量一致时流出达到最大,相反时流入达到最大:

方向一致,流出最大

方向相反,流入最大

与单位法向量夹角小于为流出,大于为流入,而与单位法向量垂直时既不流出也不流入:

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:

那么圆弧段上的通量为:

假设用曲线来表示圆,只需要将线上的所有圆弧段的通量累加起来就可以得到圆的通量

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,当的时候是净流出;的时候是净流入;的时候没有流出也没有流入。

3 通量的定义

综合上面的分析,可以得到通量的定义为:

在连续向量场中的光滑闭曲线为光滑闭曲线的单位法向量(指向闭曲线外部),则穿过的流量,即为:

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。

之前说过,规定了单位法向量的方向指向圈外:

如果放到三维空间中的话,可看到单位法向量可由单位切向量(指向逆时针方向)和轴的单位方向向量通过叉乘得到:

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,所以:

最终:

因为单位切向量指向逆时针方向,所以从第一类曲线积分化为第二类曲线积分之后,光滑曲线的方向指向逆时针方向。

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