Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
22. Случай установившихся движений. Движение является установившимся, если все функции, обозначеные нами как $u, v, w, \psi$, не зависят от $t$, а лишь от переменных Эйлера $x, y, z$. Следовательно, в случае установившихся движений имеем и, учитывая п. 1, Впрочем, эти соотношение могут быть применены к некоторой произвольной функции $\psi$. Учитывая это замечание, из основной теоремы Гельмгольца можно вывести несколько следствий. Рис. 9 провести через различные точки на $A T$ линии тока, то они образуют другую поверхность. Из теоремы следует, что эти две поверхности тождественны. Иначе говоря, если провести через точки $A, A^{\prime}, A^{\prime \prime}, A^{\prime \prime \prime}$ на кривой $A T$ линии тока $A C, A^{\prime} C^{\prime}, A^{\prime \prime} C^{\prime \prime}, A^{\prime \prime \prime} C^{\prime \prime \prime}$, то вихревые линии, проведенные через некоторую точку $B$ на $A C$, пересекутся с $A C, A^{\prime} C^{\prime}, \ldots$ и т. д. Это утверждение почти очевидно. Действительно, когда движение является установившимся, линии тока представляют собой траектории частиц жидкости. Таким образом, рассмотрим частицы, которые в начальный момент времени $t=0$ находятся в $A, A^{\prime}, A^{\prime \prime}, A^{\prime \prime \prime}$; в момент времени $t$ эти частицы находятся в $B, B^{\prime}, B^{\prime \prime}, B^{\prime \prime \prime}$. Так как в силу теоремы Гельмгольца вихри остаются неизменными (т. е. состоят из одних и тех же частиц жидкости), то частицы $B, B^{\prime}, B^{\prime \prime}, B^{\prime \prime \prime}$ будут находиться на одной и той же вихревой линии. Пусть также Я утверждаю, что уравнение поверхности, которая была нами введена, можно записать в виде Для доказательства достаточно показать, что $\psi-T$ постоянно с одной стороны на линиях тока, с другой стороны — на вихревых линиях. так как, по уравнениям Лагранжа из п. 4, Таким образом, или Я утверждаю, что Действительно, и после подстановки одного в другое получим С другой стороны, Но в п. 18 мы выяснили, что Следовательно, то есть когда существует функция скоростей, любая линия может рассматриваться как вихревая, а $\psi-T$ постоянно во всем пространстве. Если мы можем найти решение этой задачи (исходя из того, что вихри остаются неизменными), то после интегрирования по времени мы узнаем скорость, с которой эти вихри перемещаются и, следовательно, их направление и величину, бесконечно мало отличающуюся в момент времени $t+d t$ от первоначальной величины. Сначала заметим, что эта задача вообще является неопределенной, за исключением двух случаев: когда речь идет об однородной жидкости, занимающей бесконечное пространство или об однородной жидкости, полностью заполняющей сосуд, в котором она содержится. Односвязным объемом является объем, в котором нет отверстий: такими объемами могут быть сфера, эллипсоид или куб. Любая замкнутая кривая, проведенная во внутренней части такого объема, может быть превращена в точку, деформируясь непрерывным образом и не покидая объем (рис. 10). При этом она заметает некоторую площадь $A$, которая исключительно ограничивается первоначальной кривой. Таким образом, условие, что объем является односвязным, выполняется, если любая замкнутая кривая внутри этого объема может быть рассмотрена в качестве контура плоской площади, расположенной целиком внутри объема. Если принять это определение, то объем, заключенный между двумя концентрическими сферами, является односвязным. В многосвязных объемах можно провести замкнутые кривые двух родов. Кривые первого рода, подобные тем, что были определены в предыдущем параграфе, могут быть деформированы в точку, не покидая объема. В торе они будут окружностями, проведенными в меридианной плоскости, концентрическими с одной из меридианных окружностей. Кривые второго рода, которые не могут быть превращены непрерывной деформацией в точку, не покидая объем: например, на торе это окружности, проведенные в плоскостях, перпендикулярных оси и имеющие свои центры на этой оси. и рассмотрим интеграл Этот интеграл, взятый вдоль замкнутой кривой первого рода равен нулю. Действительно, согласно п. 9, имеем где $\xi_{n}$ является нормальной компонентой вихря, а $d \omega$ — элементом площади, ограниченной кривой. Согласно предположению, Это предположение справедливо и для кривых второго рода. Действительно, предположим, что объем является тором и что Линии тока являются окружностями, имеющими центры на оси и проведенные в плоскостях, перпендикулярных этой оси. При этом Функция скоростей $\operatorname{arctg} \frac{y}{x}$ не является однозначной, но имеет бесконечное множество значений, различающихся на $\pi$. Когда будем брать интеграл $J$ вдоль кривой второго рода, этот интеграл не будет равен нулю, а равен $\pi$ или кратен ему, потому что, возвращаясь в начальную точку, мы приходим к другому значению этой функции. Кривые, которые не пересекают разрез, будут представлять собой кривые первого рода; кривые, пересекающие разрез, — второго рода. Функция скоростей остается однозначной пока не пересекает разрез, а интеграл $J$, взятый вдоль кривой, не пересекающей разрез, равен нулю. С другой стороны, рассмотрим две бесконечно близкие друг другу и разрезу точки, но расположенные по разные стороны от этого разреза. Функция скорости испытывает разрыв между двумя точками; разность величин, которые она принимает в двух этих точках будет конечной и равной интегралу $J$, взятому вдоль кривой второго рода, соединяющей эти две точки. Действительно, предположим, что кривая $C$ деформируется непрерывным образом, не покидая объем и, например, отклонясь в сторону как $C^{\prime}$ (рис. 12). Во время этой деформации кривая $C$ заметает некоторую площадь, которая полностью расположена внутри объема. Интеграл $J$, взятый вдоль полного контура этой площади $C C^{\prime}$, равен нулю. Однако две кривые $C$ и $C^{\prime}$ пробегаются при интегрировании в противоположных направлениях так, что или Pис. 12 Значение разрыва функции скоростей $\varphi$ на границе разреза постоянно во всех точках и равно $A$. Если кривая второго рода после интегрирования дважды пересекает разрез, то разрыв функции $\varphi$ будет $2 A$ и так далее. Вообще, если контур интегрирования пересекает разрез $n$ раз в направлении по часовой стрелке и $n^{\prime}$ раз в направлении против часовой стрелки, значение интеграла будет равно $\left(n-n^{\prime}\right) A$. Рис. 13 скоростей $\varphi$ является вполне определенной, но она имеет разрыв на границе каждого из разрезов. Разрыв имеет одну постоянную величину $A$ вдоль первого разреза и постоянную величину $B$ вдоль второго, обычно отличную от $A$. Если контур интегрирования $C$ пересекает только первый разрез один раз, то Если контур $C^{\prime}$ пересекает второй разрез также только один раз, при этом не пересекая первый, то Наконец, в общем случае, если контур интегрирования пересекает первый разрез $n$ раз в направлении по часовой стрелке и $n^{\prime}$ раз против часовой стрелки, а второй разрез — $p$ раз в направлении по часовой стрелке и $p^{\prime}$ раз против, то имеем
|
1 |
Оглавление
|