Virvelfrihet, potensialer, Laplacelikningen

Like dokumenter
Tillegg om strømfunksjon og potensialstrøm

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit for eksamen i MEK1100 torsdag 13. desember 2007 Hvert delspørsmål honoreres med poengsum fra 0 til 10 (10 for perfekt svar).

Obligatorisk oppgave 2

UNIVERSITETET I OSLO

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

Fasit til eksamen i MEK1100 høst 2006

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Tillegg om flateintegraler

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

Partieltderiverte og gradient

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

Oppgavehefte for Mek 1100

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, 8.juni 2010

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

Definisjoner og løsning i formel

Feltlikninger for fluider

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN, MAT 1001, HØSTEN (x + 1) 2 dx = u 2 du = u 1 = (x + 1) 1 = 1 x + 1. ln x

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Integraler. John Rognes. 15. mars 2011

Oppgavesettet har 10 punkter 1, 2ab, 3ab, 4ab, 5abc som teller likt ved bedømmelsen.

β = r 2 cosθsinθ. β = β β i+ j = yi+xj. (8.1)

Oblig 2 MEK1100, vår 2016

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

y = x y, y 2 x 2 = c,

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

z2 u(z, 0) = 0, u(0, t) = U. (8) Hvilken standardlikning er dette? b) Vi antar (håper) at u kan uttrykkes som en similaritetsløsning δδ ν ηf + F = 0,

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING 11, TMA4105, V2008. x = r cos θ, y = r sin θ, z = 2r for 0 θ 2π, 2 2r 6. i j k. 5 r dr dθ = 8

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

β = r 2 cosθsinθ. β = β β i+ j = yi+xj. (8.1) = 2rcosθsinθi r +r( sinθsinθ+cosθcosθ)i θ

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1050, vår 2019

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

dx = 1 1 )dx = 3 y= x . Tangentplanet til hyperboloiden i (2, 1, 3) er derfor gitt ved x 2, y 1, z 3 = 0 x 2 + 2(y 1) 2 (z 3) = 0 x + 2y 2z 3 = 2

EKSAMEN i MATEMATIKK 30

UNIVERSITETET I OSLO

FYS1120 Elektromagnetisme

(t) = [ 2 cos t, 2 sin t, 0] = 4. Da z = 2(1 + t) blir kurva C en helix/ei skruelinje på denne flata (se fig side 392).

MAT Vår Oblig 2. Innleveringsfrist: Fredag 23.april kl. 1430

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: MAT-1003 Dato: Tirsdag 15. desember 2015 Tid: Kl 15:00 19:00 Sted: Åsgårdvegen 9

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, vår 2009

EKSAMENSOPPGÅVE. Tilletne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator og formelsamling og 2 eigne A4-ark (4 sider totalt)

differensiallikninger-oppsummering

MEK1100, vår Obligatorisk oppgave 1 av 2. Torsdag 28. februar 2019, klokken 14:30 i Devilry (devilry.ifi.uio.no).

(s + 1) s(s 2 +2s+2) : 1 2 s s + 2 = 1 2. s 2 + 2s cos(t π) e (t π) sin(t π) e (t π)) u(t π)

Løsningsforslag Eksamen M001 Våren 2002

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

og variasjon av parameterene Oppsummering.

Eksamen, høsten 14 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Løysingsframlegg øving 1

Forelesning 23 den 18/4 2017

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Difflikninger med løsningsforslag.

Kap. 16: Kontinuerlige systemer

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

Onsdag og fredag

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i emnet M117 - Matematiske metodar Onsdag 7. september 2001, kl Løysingsforslag:

Vi regner først ut de nødvendige partiellderiverte for å se om vektorfeltet er konservativt. z = 2z, F 2 F 2 z = 2y, F 3. x = 2x, F 3.

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Løsning IM

Mandag qq 4πε 0 r 2 ˆr F = Elektrisk felt fra punktladning q (følger av definisjonen kraft pr ladningsenhet ): F dl

Løsningsforslag Øving 5

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

MAT mars mars mars 2010 MAT Våren 2010

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

MEK1100, vår Obligatorisk oppgave 1 av 2.

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Numerisk løsning av differensiallikninger Eulers metode,eulers m

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TMA4105 MATEMATIKK 2 Lørdag 14. aug 2004

Alternativ II: Dersom vi ikke liker å stirre kan vi gå forsiktigere til verks. Først ser vi på komponentlikninga i x-retning

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4120 MATEMATIKK 4K H-03 Del B: Kompleks analyse

Obligatorisk oppgave 1

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Obligatorisk oppgåve 1

Den deriverte og derivasjonsregler

Kap. 22. Gauss lov. Vi skal se på: Fluksen til elektrisk felt E Gauss lov. Elektrisk ledere. Integralform og differensialform

Tirsdag E = F q. q 4πε 0 r 2 ˆr E = E j = 1 4πε 0. 2 j. r 1. r n

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

TMA4110 Matematikk 3 Høst 2010

Foreta omskrivninger av den stedsderiverte av et produkt som forekommer i den vanlige formen:

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4120 MATEMATIKK 4K H-03 Del B: Kompleks analyse

The full and long title of the presentation

Transkript:

Virvelfrihet, potensialer, Laplacelikningen Kap 10 og 9 Matematisk Institutt, UiO MEK1100, FELTTEORI OG VEKTORANALYSE Forelesninger

NYTT TEMA Hvorfor snakker vi om virvelfri bevegelse? Forelesninger

Todimensjonal strøm Antar: homogen, inkompressibel, ideell væske. Kontinuitetslikningen og Euler-likningen v = v x x + v y y = 0, v t + v v = 1 p + g, ρ der ρ er tettheten og g ytre kraftfelt (feks. tyngde) Forelesninger

Lineær likning og virvling Hvis vi sløyfer det konvektive leddet, vil på gi v t = 1 p + g, ρ v t = 1 p + g, ρ og c t = g, der c = v er virvlingen. g = 0 (feks. g konst.) c t = 0 Er c = 0 ved t = 0 forblir strømningen virvelfri Forelesninger

Med konvektivt ledd I todimensjonal strøm er virvlingen v = ( vy x v x y På komponentform gir Euler-likningen v x ) k = ck. p t + v v x = 1 ρ x + g x, v y p t + v v y = 1 ρ y + g y. Likning for c = vy x vx y : / x på den nedre minus / y på den øvre, antar g = 0: c t + x (v v y) y (v v x) = g y x g x y = 0, Forelesninger

x (v v y) y (v v x) = v v y x v v x y + v x v y v y v x = ( vy v x v ) x + v ( y vx y x x + v ) y v ( x vx y y x + v ) y = y v c + c v = v c. Nedererste likning forrige slide Dc dt = c t + v c = 0, Virvellikningen som sier at en virvelfri partikkel forblir virvelfri. Er v = 0 overalt forblir virvlingen lik null overalt. Forelesninger

Hvor kommer virvlingen i væsker fra? To viktige kilder: 1 Kraft på flateelement er df = pndσ ved likevekt. Stadig god tilnærmelse uten kraftige strømskjær. Strøm over fast flate gir et grensesjikt med strømskjær og virvling. Dette kan separere og/eller bli turbulent virvling spres i væsken. 2 Den ytre kraften g oppfyller ikke g = 0 1. Et viktig eksempel er Coriolis-kraften som skyldes jordrotasjonen og påvirker storskalastrømmer i hav og atmosfære. 1 : g = 0 betyr at g er konservativ og kan avleses av et kraftpotensial. Forelesninger

NYTT TEMA Eksistens av strømpotensial og hastighetspotensial Forelesninger

Strømpotensial Vi har tidligere påstått at dersom en todimensjonal strøm er divergensfri, v(x, y) = v x (x, y)i + v y (x, y)j v = v x x + v y y = 0, så eksisterer det en strømfunksjon, ψ(x, y) slik at ψ y = v x, ψ x = v y. (1) Enkelt å vise at dersom det eksisterer en ψ som oppfyller (1) så er v = 0. Den omvendte påstanden er tyngre å vise Forelesninger

Eksempel, finner vi ψ eksisterer den. Divergensfritt felt: Må finne ψ slik at v x (x, y) = 3x 2 3y 2, v y (x, y) = 6xy, (2) ψ y = v x, ψ x = v y. Den første ψ = v x dy = ( 3x 2 + 3y 2 )dy = 3x 2 y + y 3 + F(x), deretter innsetting i den andre 6xy = v y = ψ x = 6xy + F (x). F = 0 F er en konstant og ψ = 3x 2 y + y 3 + const. Forelesninger

Strømfunksjon og fluksintegral Dersom det finnes en ψ slik at følger ψ y = v x, ψ x = v y. dψ = ψ dr = ψ ψ dx + x y dy = v ydx v x dy. (3) Velges ψ(r 0 ) = 0 blir strømfunksjon i r = xi + yj ψ(x, y) = dψ = v y dx v x dy = der C er en kurve fra r 0 til r. C Siste integralet i (4) = minus volumfluksen gjennom C. Derav navnet strømfunksjon. C C v nds, (4) Forelesninger

Eksempel v x = 3x 2 3y 2, v y = 6xy Valg 1 for C C er den rette linja fra origo til r = x 1 i + y 1 j. Parametrisering x(t) = x 1 t, y(t) = y 1 t ψ = = C 1 0 v y dx v x dy = 1 0 ( 6xy dx dt (3x2 3y 2 ) dy ) dt dt ( 6x 2 1y 1 3x 2 1y 1 + 3y 3 1)t 2 dt = y 3 1 3x 2 1y 1 Samme svar som tidligere med const=0 Forelesninger

Eksempel Valg 2 for C To rette linjestykker: v x = 3x 2 3y 2, Fra origo til x 1 i, langs x-aksen v y = 6xy x 1 ψ(x 1, 0) = v y dx = 0. Fra x 1 i til r parallelt med y-aksen y 1 0 ψ(x 1, y 1 ) = ψ(x 1, 0) + v x (x 1, y)dy = y1 3 3x1y 2 1. Lur metode for å finne ψ? Nei, men peker mot definisjon. 0 Forelesninger

Definisjon av ψ y Ĉ r 0 Ω r C x Definisjon ψ(x, y) = C Ĉ v nds. Kunne også definert ψ(x, y) = v nds. Entydighet krever: integral uavhengig av vei fra r 0 til r. Forelesninger

Bevis for entydighet λ lukket kurve:fra r 0 til r langs C, tilbake til r 0 langs Ĉ. v y dx v x dy v y dx v x dy = v nds, C fordi n har motsatt retning på λ i forhold til Ĉ. Gauss sats v nds = v dx dy = 0, λ Ĉ Ω der Ω er området omsluttet av λ. Integrasjon uavhengig av vei. NB: Bevis ugyldig dersom hastighetsfelt har singulariteter eller huller i Ω λ Forelesninger

Hastighetspotensial Potensialstrøm: det eksisterer et hastighetspotensial, φ slik at v = φ. Finnes φ er v = 0. Medfører v = 0 at φ finnes? Definisjon Fra dφ = φ dr = v dr følger φ(r) = der kurven C går fra r 0 til r. Entydig dersom integral uavhengig av vei. C v dr, (5) Forelesninger

Alternativ kurve, Ĉ, fra r 0 til r. C fulgt av Ĉ, baklengs lukket kurve, λ. Stokes sats v dr v dr = v dr = C Ĉ λ σ v n dσ = 0, der σ en sammenhengende flate med λ som rand. Effekter av singulariter og hull anderledes enn i 2D. I 3D kan vi gå utenom isolerte singulariter det er nok at det finnes en flate σ der v er definert og lik null. Forelesninger

NYTT TEMA Laplacelikningen Forelesninger

Divergens og virvelfrie felter Hvis både virvling og divergens er null 0 = v = φ 2 φ = 2 φ x 2 + 2 φ y 2 + 2 φ z 2. markerer ny derivasjonsoperator 2 er Laplace-operatoren. Kartesisk 2 = 2 x 2 + 2 y 2 + 2 z 2 Er 2 på et skalarfelt er null kalles det Laplaceisk. Forelesninger

Strømfunksjon og virvelfrie felt Todimensjonal, divergensfri og virvelfri strøm 0 = v = 2 ψ x 2 + 2 ψ y 2 = 2 ψ. Strømfunksjonen er Laplaceisk for virvelfrie felt. Cauchy-Riemanns relasjoner Relasjon mellom φ og ψ φ x = ψ y, φ y = ψ x. Vektorform (gjelder også i polarkoordinater) φ = k ψ. Medfører φ φ = 0 ekviskalarlinjer for ψ of φ er ortogonale Forelesninger

Laplacelikningen 2 φ = 0, (6) er et av de mest kjente eksemplene på partielle differensiallikninger. Entydig løsning krever at vi har sidebetingelser, feks. randbetingelser (generelt for differensiallikninger) Formelløsninger for Laplacelikningen er et omfattende felt. Vi skal bare skrape litt i overflaten Effektiv og generell numerisk løsning av Laplacelikningen også omfattende. Dette lar vi ligge Forelesninger

Randverdiproblemer* En andreordens, homogen og linear differensiallikning f (x) + p(x)f (x) + q(x)f (x) = 0. (7) Generell løsning er lineær kombinasjon av to uavhengige løsninger (se Kalkulus, T. Lindstrøm). Initialverdiproblem f (x) + p(x)f (x) + q(x)f (x) = 0, f (0) = α, f (0) = β, har entydig løsning. Forelesninger

* Randverdiproblem på intervall [a, b]. f (x) + p(x)f (x) + q(x)f (x) = 0, f (a) = α, f (b) = β, Randverdiproblem uten løsning Bare prøv! f (x) + f (x) = 0, f (0) = 1, f (π) = 2, Randverdiproblem med løsning f (x) = 0, f (0) = α, f (1) = β, (8) en entydig løsning for alle konstanter α og β (Finn den!). Forelesninger

Laplacelikning og randbetingelser* Laplacelikningen 2 φ = 0. Er lineær sum av løsninger gir ny løsning. Problem i forhold til ordinær likning: Uendelig mange uavhengige løsninger Dirichlet problem Lukket område Ω omgitt av rand λ Entydig løsning. Flerdimensjonal utgave av (8) 2 φ = 0 i Ω, φ er gitt på λ. Forelesninger

...* Neumann problem 2 φ = 0 i Ω, φ n er gitt på λ, λ φ n ds = 0. Entydig løsning, på en konstant nær. : Hvis φ er hastighetspotensial for en inkompressibel væske gir dette null netto utstrømning. Få komplette randverdiproblemer i MEK1100 (oppg. 2 i andre oblig er et eksempel). MEK1100: diskusjon av enkle løsninger som beskriver deler av mer fullstendige løsninger og spesielle strømningsfenomener Forelesninger

Kartesisk separarasjon av 2 φ = 0 Begrenser oss til to dimensjoner: φ = φ(x, y). Gruppe løsninger finnes på formen φ(x, y) = F(x)G(y): 0 = 2 φ = 2 φ x 2 + 2 φ y 2 = F (x)g(y) + F(x)G (y), der betegner derivasjon mhp. x eller y. Likning er separabel og kan skrives F (x) F(x) = G (y) G(y). Mulig bare dersom begge sider er lik en konstant, α. Forelesninger

Ordinære likninger for F og G Løsninger F (x) αf(x) = 0, G (y) + αg(y) = 0, α F(x) G(y) 0 Ax + B Cy + D γ 2 < 0 Acos(γx) + B sin(γx) Ce γy + De γy γ 2 > 0 Ae γx + Be γx C cos(γy) + D sin(γy) A, B, C, D integrasjonskonstanter. Viktige løsninger, men ikke i MEK1100 (untatt α = 0). Forelesninger

Laplacelikningen i polarkoordinater φ = φ r i r + 1 φ r θ i θ, gir Laplacelikningen på formen 2 φ = φ = 1 r Separasjon φ = R(r)Θ(θ) gir r v = 1 r (rv r ) r + 1 r v θ θ, ( r φ ) + 1 2 φ r r 2 θ 2 = 0. ( r d r dr ) = 1 d 2 Θ R dr dr Θ dθ 2. Igjen er begge sider lik α, en konstant Forelesninger

Løsninger for Θ ( d r dr ) α dr dr r R = 0, d 2 Θ + αθ = 0. dθ2 α = 0, Θ = Cθ + B α = γ 2 < 0, Θ = Ce γθ + De γθ α = γ 2 > 0, Flertydighet når θ θ + 2π. -forsvinner når α = n 2. -ikke kritisk når α = 0. Vi velger α = n 2, for n = 0, 1, 2... Θ = C cos(γθ) + D sin(γθ) Forelesninger

Likning for R ordnes til r 2d2 R dr 2 + r dr dr n2 R = 0. Spesielt tilfelle med variable koeffisienter n > 0: løsning på form R = r q med q = ±n. n = 0: førsteordenslikning i dr/dr Oppsummering n = 0 R = A + B lnr n > 0 R = Ar n + Br n Θ = Cθ + D B 0 singularitet; n = 0, C 0 flertydig φ Θ = C cos(nθ) + D sin(nθ) Omskrivninger, eksempler r cos θ = x, r 2 cos(2θ) = r 2 (cos 2 θ sin 2 θ) = x 2 y 2 Forelesninger

Løsninger brukt i kompendiet løsning Konstanter Kartesisk φ 9.4.1 rettlinjet n = 1, B = 0, AC = v x, AD = v y v x x + v y y 9.4.2 stagnasjon n = 2, B = D = 0, AC A 2 1 2 A(x2 y 2 ) 9.4.3 kilde/sluk n = 0, A = C = 0, BD A Aln x 2 + y 2 ( y ) 9.4.4 virvel n = 0, B = D = 0, AC A Aarctan x 9.4.7 dipol n = 1, A = D = 0, BC A 2 Ax x 2 + y 2 Forelesninger

Kombinasjon av løsninger φ 1 og φ 2 løsninger av Laplacelikningen der a og b er konstanter. 2 (aφ 1 + bφ 2 ) = a 2 φ 1 + b 2 φ 2 = 0, Derivasjon gir ny løsning (pga. konstante koeffisienter) ( ) φ 2 = x x ( 2 φ) = 0. For punktkilden gir dette dvs. dipolfeltet. (Aln ) x x 2 + y 2 = Ax x 2 + y 2, Forelesninger