Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Like dokumenter
Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

MEK1100 Løsningsforslag til oppgavene i Feltteori og vektoranalyse

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Obligatorisk oppgave 2

Tillegg om strømfunksjon og potensialstrøm

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

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

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

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

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

Virvelfrihet, potensialer, Laplacelikningen

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Gradientvektoren, vektorfelt, strømlinjer, feltlinjer

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Obligatorisk oppgåve 1

Gradientvektoren, vektorfelt, strømlinjer, feltlinjer

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

Obligatorisk oppgave 1

F = x F 1 + y F 2 + z F 3 = y 2 z 2 + x 2. i j k F = xy 2 yz 2 zx 2 = i(0 ( 2yz)) j(2xz 0) + k(0 2xy) = 2yzi 2xzj 2xyk.

Eksamen, høsten 14 i Matematikk 3 Løsningsforslag

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

Feltlikninger for fluider

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 8-12/2

Vår TMA4105 Matematikk 2. Løsningsforslag Øving 6. 5 Exercise Exercise

Løsning IM

Randkurva C til flata S orienteres positivt sett ovenfra, og kan parametriseres ved: r (t) = [ sin t, cos t, sin t] dt, 0 t 2π.

Arne B. Sletsjøe. Oppgaver, MAT 1012

Fasit til eksamen i MEK1100 høst 2006

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

EKSAMENSOPPGAVE. KRAFT I og II Hall del 2 Kraft sportssenter Ingen

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

a 2 x 2 dy dx = e r r dr dθ =

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

Løsning til eksamen i ingeniørmatematikk

Difflikninger med løsningsforslag.

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

Velkommen til Eksamenskurs matematikk 2

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

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Oppgave 1. e rt = 120e. = 240 e

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Oppgaver og fasit til seksjon

The full and long title of the presentation

Tillegg om flateintegraler

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

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgavehefte for Mek 1100

Øvelse, eksamensoppgaver MAT 1050 mars 2018

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

MEK1100, vår Obligatorisk oppgave 1 av 2.

+ (y b) F y. Bruker vi det siste på likningen z = f(x, y) i punktet (a, b, f(a, b)) kan vi velge F (x, y, z) = f(x, y) z.

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

Eksamen IRF30014, høsten 15 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Partieltderiverte og gradient

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl.10:00 og 12:00

1 Mandag 22. februar 2010

UNIVERSITETET I OSLO

f =< 2x + z/x, 2y, 4z + ln(x) >.

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, 8.juni 2010

MAT feb feb mars 2010 MAT Våren 2010

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1100, H-14 DEL 1

Løsningsforslag Eksamen M100 Høsten 1998

Oppgaver og fasit til kapittel 6

Eksamen, høsten 13 i Matematikk 3 Løsningsforslag

SIF 5005 Matematikk 2 våren 2001

Eksamen IRF30014, våren 16 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Løsningsskisser til oppgaver i Kapittel Integrerende faktor

Korreksjoner til fasit, 2. utgave

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Institutt for Samfunnsøkonomi. Utlevering: Kl. 09:00 Innlevering: Kl. 14:00

MAT feb feb feb MAT Våren 2010

Innlevering BYPE2000 Matematikk 2000 HIOA Obligatorisk innlevering 2 Innleveringsfrist Tirsdag 1. april 2014 kl. 12:45 Antall oppgaver: 8+2

Løsning, Stokes setning

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Grensebetingelse for trykk der hvor vann møter luft

Fasit til Flervariabelanalyse med lineær algebra

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

Eksamensoppgavehefte 1. MAT1012 Matematikk 2: Mer funksjonsteori i en og flere variabler

EKSAMEN. Valgfag, ingeniørutdanning (3. klasse). ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og 2 sider formelark.)

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

3.1 Første ordens lineære difflikninger. y + f(x)y = g(x) (3.1)

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

1 Mandag 15. februar 2010

Eksamen i MAT1100 H14: Løsningsforslag

Integraler. John Rognes. 15. mars 2011

Eksamen R2 høsten 2014 løsning

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

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

= (2 6y) da. = πa 2 3

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Transkript:

Kapittel 4 Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen Oppgave Gitt et vektorfelt v = ui + vj + wk. Divergensen til v er definert som v = u + v + w z og virvlingen er gitt ved determinanten z u v w. a) v = xy z i + xy z j + xy z k. Divergens: v = y z + xyz + xy z. Virvling: = z xy z xy z xy z ( xyz xy z ) ( i y z xy z ) ( j + y z xyz ) k. 9

4 Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen b) v = e yz i + e xz j + e xy k. Divergens: Virvling: = z e yz e xz e xy ( xe xy xe xz) i v =. ( ye xy ye yz) ( j + ze xz ze yz) k. c) v = e x i + sin(xy)j cos(z )k. Divergens: v = xe x + x cos(xy) + z sin(z ). Virvling: z e x sin(xy) cos(z ) = y cos(xy)k. d) v = (x + y + z) i + xy z k. Divergens: v = (x + y + z) xy z. Virvling: (x + y + z) z xy z = x z i ( y z (x + y + z) )j (x + y + z)k. Oppgave a) v = u(z)i, u(z) = U z, z, U = konstant, = konstant. Vi antar at problemet er to-dimensjonalt i xz-planet. Divergens: v = u + w z =.

4 z snitt n x Figur 4.: Vindprofilet til v = U z i. Virvling: z u(z) = u z j = U z j. Strømfunksjonen ψ(x, z) finner vi ved å løse likningssystemet z Fra (4.) får vi = ψ = ψ(z). Vi setter inn for u i (4.) og integrerer: = u (4.) = w. (4.) z = U z ψ(z) = U z + C. Siden ψ er er en funksjon av bare z får vi en integrasjonskonstant C i stedet for en funksjon f(x). Strømlinjene finner vi ved å sette ψ = ψ = konstant: z = (ψ C) U z = C. = C (Brøken er konstant)

4 Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Figur 4.: Strømlinjene til v = u(z)i er rette orisontale linjer. Dette gir rette orisontale linjer (se figur 4.). Volumstrømmen er gitt ved Q = v n dσ σ der n = i er en normalvektor til snittet (se figur 4.). v i = u(z) slik at vi får Q = = U u(z) dz = U. z dz Vi skal til slutt vise at volumstrømmen er lik differansen i strømfunksjonens verdi mellom bakken og z = : Q = ψ(z =) ψ(z =) = C + U C = U. ( ) z + b) v = u(z)i, u(z) = U ln, z, U = konstant, = konstant.

4 z snitt n ( ) z + Figur 4.: Vindprofilet til v = U ln i. x Vi antar at problemet er to-dimensjonalt i xz-planet. Divergens: Virvling: v = u + w z =. u(z) z = u z j = U z + j. Strømfunksjonen ψ(x, z) finner vi ved å løse likningssystemet z Fra (4.4) får vi = ψ = ψ(z). Vi setter inn for u i (4.) og integrerer: ( ) z + = U ln z ψ(z) = U ln u dz = u (4.) = w. (4.4) der u = z +, du dz =, dz = du.

44 Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen Videre blir strømfunksjonen ψ(z) = U ln u du [ u = U u ln u ] u du + C [ = U u ( ln u )] + C ( ) [ ( ) ] z + = U z + ln + C. Vi ar er brukt substitusjon og delvis integrasjon til å løse integralet. Siden ψ er er en funksjon av bare z får vi en integrasjonskonstant C i stedet for en funksjon f(x). Strømlinjene finner vi ved å sette ψ = ψ = konstant. Siden ψ = ψ inneolder kun en variabel, z, og resten konstanter, får vi at z = konstant som gir rette orisontale linjer som i oppgave a (se figur 4.). Volumstrømmen er gitt ved Q = σ v n dσ der n = i er en normalvektor til snittet (se figur 4.). v i = u(z) slik at vi får Q = u(z) dz ( ) z + = U ln dz [ ( ) [ ( ) ] ] z + = U z + ln = U ( ln ) U ( ln ) = U ( ln ). Vi skal til slutt vise at volumstrømmen er lik differansen i strømfunksjonens verdi mellom bakken og z = : Q = ψ(z =) ψ(z =) = [ ( ) ] U ln = U + U ( ln ) = U ( ln ). [ + C + U ln ( ) ] C

4 Oppgave Skal feltet være divergensfritt må v = ax i + v(x, y)j v = u + v = ax + v. ax + v v = = ax. Vi integrerer med ensyn på y: v(x, y) = axy + f(x). Feltet er nå divergensfritt for et vert valg av f(x). Videre i oppgaven skal vi se på det enkleste valget av f(x), nemlig f(x) =, slik at v = ax i axyj. Strømfunksjonen ψ(x, y) kan vi finne fra likningene = u (4.) = v. (4.6) Dette gir (4.) : (4.6) : = ax ψ(x, y) = ax y + f (x) = axy ψ(x, y) = ax y + f (y). For å få en entydig ψ må vi velge f (x) = f (y) = C, og strømfunksjonen blir Strømlinjene finner vi ved å sette ψ = ψ : ψ(x, y) = ax y + C. y = C ψ ax = C x.

46 Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen 4 4 4 4 Figur 4.4: Vektorfeltet v = ax i axyj med strømlinjer for a =. Oppgave 4 Vi skal finne volumstrømmen til vektorfeltet v = xi + yj gjennom et rektangel med sentum i origo og sidekanter x og y (se figur 4.). Volumstrømmen er definert som Q = v n dσ σ der σ er den samlede overflaten til sidekantene og dσ er et lite flateelement med normalvektor n. Vi deler opp rektangelet i fire deler: Q = v n dσ + v n dσ + v n dσ + v n dσ. DA AB BC AB: n = i, x = x/, dσ = dy : CD AB v n dσ = y/ y/ x dy = x y/ y/ dy = x y. BC: n = j, y = y/, dσ = dx : BC v n dσ = x/ x/ y dx = y x/ x/ dx = x y.

47 y C j dy B i dx i x D j A Figur 4.: Et rektangel med sidekanter x og y. Vi antar at tykkelsen er lik en. CD: n = i, x = x/, dσ = dy : CD v n dσ = y/ y/ x dy = x y/ y/ dy = x y. DA: n = j, y = y/, dσ = dx : DA v n dσ = x/ x/ y dx = y x/ x/ dx = x y. Legger vi sammen disse leddene får vi Volumstrømmen per arealenet blir Q = 4 x y. Q = Vi kontrollerer ved å beregne divergensen: Q x y = 4. v = u + v = + = 4.

48 Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen For at en strømfunksjon skal kunne eksistere må vi a et to-dimensjonalt divergensfritt felt. Divergensen er er 4, altså eksisterer det ikke noen strømfunksjon for dette feltet, men vi kan alltid finne strømlinjene ved u dy = v dx x dy = y dx dy y dy y = dx x dx = x ln y = ln x + C e ln y = e ln x+c y = e ln x e C y = Cx. 8 6 4 4 6 8 4 4 Figur 4.6: Strømlinjene til feltet v = xi + yj.

49 Oppgave Vi ar gitt det to-dimensjonale vektorfeltet v = axi, der a er en konstant. a) Divergens: v = u + v = a. b) Vi skal beregne volumstrømmen, Q = σ v n dσ, gjennom det samme rektangelet som i oppgave 4 (se figur 4.). Vi deler også er opp integralet i fire deler: AB: n = i, x = x/, dσ = dy : AB v n dσ = y/ y/ ax dy = a x y/ y/ dy = a x y. BC: n = j, y = y/, dσ = dx : BC v n dσ = x/ x/ v j dx =. CD: n = i, x = x/, dσ = dy : CD v n dσ = y/ y/ ax dy = a x y/ y/ dy = a x y. DA: n = j, y = y/, dσ = dx : DA v n dσ = x/ x/ v ( j) dx =. Volumstrømmen blir Q = a x y. c) Sammenlikner vi resultatene fra oppgave a og b får vi v = Q x y. Divergensen er altså lik volumstrømmen per arealenet.

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen Oppgave 6 Et to-dimensjonalt strømfelt i xy-planet er gitt ved v = ayi + axj, der a er en konstant. a) Virvlingen: = i( ) j( ) + k(a + a) = ak. ay ax b) Sirkulasjonen til v langs den lukkede kurven λ er definert ved C = v dr der dr er et lite buelement. Vi deler linjeintegralet inn i fire deler (se figur 4.7): C = v dr + v dr + v dr + v dr. AB: dr = j dy, AB v dr = BC: dr = i dx, BC v dr = CD: dr = j dy, CD v dr = DA: dr = i dx, DA v dr = AB x = x/: y/ y/ y = y/: x/ x/ BC λ CD DA ( ayi + axj) j dy = a y/ x y/ ( ayi + axj) ( i) dx = a x/ y x = x/: y/ y/ y = y/: x/ x/ Sammen gir disse leddene sirkulasjonen: x/ ( ayi + axj) ( j) dy = a y/ x y/ ( ayi + axj) i dx = a x/ y C = a x y. c) Sammenengen mellom sirkulasjonen og virvlingen: v = C x y. x/ Virvlingens størrelse er altså lik sirkulasjonen per arealenet. dy = a x y. dx = a x y. dy = a x y. dx = a x y.

y C i B j j x D i A Figur 4.7: Et rektangel med sidekanter x og y. Oppgave 7 Vi ar gitt et to-dimensjonalt strømfelt i xy-planet: v = xyi + v(x, y)j. a) For at feltet skal være divergensfritt må vi kreve v = : v = u + v = y + v = v = y v(x, y) = y + f (x). Hvis feltet skal være virvelfritt må : xy v(x, y) = ( ) v x k v = x v(x, y) = x + f (y).

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen For å få en entydig v(x, y) må vi velge f (x) = x og f (y) = y. slik at v(x, y) = ( x y ) v = xyi + ( x y ) j. b) Strømfunksjonen ψ(x, y) er gitt ved likningene = u = xy = v = ( x y ). Integrasjon av likningene med ensyn på enoldsvis y og x gir ψ(x, y) = xy + f (x) ψ(x, y) = 6 x xy + f (y). En entydig løsning krever at vi velger f (x) + 6 x og f (y) =. Strømfunksjonen blir da ψ(x, y) = xy + 6 x. Strømlinjene finner vi ved å sette ψ = ψ = konstant. For ψ = får vi de tre rette linjene For ψ er strømlinjene gitt ved x =, y = ± x. y = ± ψ x + x. Oppgave 8 For et vilkårlig skalarfelt β = β(x, y, z) ar vi β = β i + β j + β z k

4 4 4 4 Figur 4.8: Strømlinjene til feltet v = xyi + ( x y ) j. og β = β ( = i β z β z β z z β ( β = i z β z ) ( j ) j β z z ( β z β z ) ( + k β ) + k β ) β ). ( β β For partielt deriverte gjelder det generelt at β = β, β z = β z, β z = β z slik at β =. Oppgave 9 a) Stagnasjonsstrøm: [x,y] = mesgrid(-:.:); psi = x.*y;

4 Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen [C,] = contour(x, y, psi); clabel(c, ) axis square b) Punktvirvelfelt: [x,y] = mesgrid(-:.:); psi = *log(sqrt(x.^ + y.^)); [C,] = contour(x, y, psi); clabel(c, ) axis square c) Dipolfelt: [x,y] = mesgrid(-6:.:6); psi = y./(x.^ + y.^); [C,] = contour(x, y, psi, [- -. -. -.... ]); clabel(c, ) axis square 4 4 4 4 Figur 4.9: Stagnasjonsstrøm ψ(x, y) = xy.

4 4 4 4 4 Figur 4.: Punktvirvelfeltet ψ(x, y) = ln x + y. 6. 4............. 4.. 6 6 4 4 6 Figur 4.: Dipolfeltet ψ(x, y) = y x + y.