Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Матан - шпоры.docx
Скачиваний:
16
Добавлен:
26.04.2019
Размер:
1.98 Mб
Скачать

§26 .Сферическая и цилиндрическая системы координат: координатные линии, параметры Ламе.

1) Цилиндрическая система координат.

,

где , , .

Найдём координатные линии данной системы координат.

а) Координатная линия :

.

В результате мы получили луч, выходящий из оси и лежащий в плоскости, пересекающей ось в точке и параллельной плоскости (см. рис. 26).

б) Координатная линия :

.

В результате мы получили окружность радиуса , параллельную плоскости , и лежащую в плоскости, пересекающей ось в точке и параллельной плоскости (см. рис. 27).

в) Координатная линия :

.

В результате мы получили прямую, параллельную оси , проходящую через точку (см. рис. 28).

Очевидно, что все координатные линии перпендикулярны. Следовательно цилиндрическая система координат – ортогональная.

Найдём коэффициенты Ламе:

,

.

В последнем выражении видно, что , то есть изменение координатной линии происходит пропорционально расстоянию от оси .

.

Из данного выражения следует, что , то есть изменение координаты по оси вызывает такое же изменение координатной линии.

Якобиан цилиндрической системы координат:

.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2) Сферическая система координат.

,

где , , .

Найдём координатные линии данной системы координат.

а) Координатная линия :

.

В результате мы получили луч, выходящий из точки и проходящий через точку (см. рис. 29).

б) Координатная линия :

.

В результате мы получили окружность радиуса , параллельную плоскости и пересекающую ось в точке (см. рис.).

в) Координатная линия :

.

В результате мы получили полуокружность радиуса с осью, лежащей на оси . Эта окружность пересекает плоскость в точке (см. рис. 31).

О чевидно, что все координатные линии перпендикулярны. Следовательно, сферическая система координат – ортогональная.

Найдём коэффициенты Ламе:

,

,

.

Якобиан сферической системы координат:

.

§27.Вычисление градиента и дивергенции в криволинейных координатах

1. Градиент.

По определению градиент – это вектор. Найдём проекции этого вектора на некоторый локальный базис. Обозначим , , - касательные единичные векторы к координатным линиям , , , причём ..

Очевидно, что - есть производная функции . Следовательно, имеем:

.

Таким образом, мы получили выражение для градиента в криволинейной системе координат:

.

2. Дивергенция.

По определению дивергенция есть:

,

г де - объём тела, ограниченного поверхностью . Возьмём в качестве поверхности участки координатных поверхностей, ограничивающие бесконечно малый параллелепипед, одной из вершин которого является точка (см. рис. 32). В данном случае . (1) Вершины параллелепипеда имеют координаты:

, , , , , .

Обозначим единичные векторы - касательные к координатным линиям в точке - , , . Поток векторного поля через грань равен:

,

где , а нормальный вектор равен .

Следовательно:

. (1`)

Поток векторного поля через противоположную грань :

,

где . Следовательно, получаем:

. (2)

Суммируя (1`) и (2) получаем:

.

(3)

- это поток векторного поля через две противоположные грани и .

Аналогично можно получить поток векторного поля через грани и :

. (4)

Поток векторного поля через грани и :

. (5)

Складывая выражения (3), (4), (5) получаем поток векторного поля через всю поверхность параллелепипеда:

. (6)

Согласно определению дивергенции (§19) имеем:

, (7)

то есть, это предел, при котором поверхность стягивается в точку . Подставляя (1`), (6) в (7) получаем:

.

Окончательно получаем:

.