Zacznijmy od przykładu. W rzece woda płynie powoli w pobliżu dna zaś szybciej przy swej powierzchni. Gdybyśmy w takim strumieniu umieścili wiatraczek podobny do tego, który pokazany jest na rysunku 1.5.1. to zacząłby się on obracać w kierunku wskazanym strzałką. Gdyby jednak prędkość wody była ta sama dla różnych wysokości albo wiatraczek ustawiony byłby w innej płaszczyźnie - pozostawałby nieruchomy. Przykład ten ilustruje nie omawiane przez nas dotychczas własności pola wektorowego, które charakteryzują wielkości zwane cyrkulacją i rotacją.
|
Rys.1.5.1. Przepływ wody w rzece ilustruje pojęcia cyrkulacji i rotacji. |
Dla ich określenia wyróżnijmy w wodzie objętość w postaci wąskiej
rurki
o stałym przekroju
.
(Na rysunku 1.5.1 rurka ta pokazana jest kolorem zielonym.) W naszych dalszych
rozważaniach będziemy zakładać, że mamy do czynienia z cieczą idealną,
tj. nielepką i nieściśliwą. Oznaczmy przez
wektor
elementarnego przesunięcia się wody wzdłuż osi rurki w danym jej miejscu.
(Na rysunku wektory te pokazane są w kilku miejscach kolorem ciemnobrązowym.)
Wektory prędkości wody w różnych punktach są różne i na ogół nie
pokrywają się z kierunkami osi rurki. (Na rysunku pokazane są kolorem
czerwonym.) Można jednak wyróżnić składową prędkości wzdłuż tej osi.
(Składowa taka dla jednego wybranego punktu oznaczona jest na rysunku symbolem
.)
Wyrażenie
(patrz rysunek) można przyjąć za miarę ruchu wody wzdłuż rurki w danym jej
punkcie. W różnych punktach wartości tego wyrażenia będą różne, bo zarówno
prędkość wody jak i jej kierunek względem osi rurki mogą się zmieniać
od punktu do punktu. (Kilka przykładów pokazanych jest na rysunku.) Obliczając
jednak całkę z tego wyrażenia wzdłuż całej długości rurki stanowiącej
zamknięty kontur, określamy wielkość zawierającą uśrednioną informację
o cyrkulacji wody w rurce. Rzeczywiście, wyrażenia
mogą być większe i mniejsze, dodatnie i ujemne, ale ich suma obliczona dla całej
rurki będzie uśrednioną miarą krążenia w niej wody co do ilości i co do
kierunku. Całkę tę nazywamy cyrkulacją lub krążeniem
wektora prędkości wzdłuż konturu
i zapisujemy w postaci.
|
(1.5.1) |
Ważną własnością cyrkulacji jest jej addytywność.
![]() |
Oznacza to, że gdybyśmy powierzchnię ograniczoną konturem |
Rys.1.5.2. Ilustracja addytywnosci cyrkulacji |