Геометрическая интерпретация потока

Поле всякого вектора можно задать с помощью линий, аналогичных силовым линиям . Представление поля с помощью линий вектора является весьма неточным, но очень полезно для наглядного представления о поле. В рамках этого представления потоку вектора можно придать очень наглядную геометрическую интерпретацию. При этом будем предполагать, что количество линий вектора достаточно для представления модуля вектора с заданной точностью.

Для плоского элемента поверхности , нормаль к которому образует угол c вектором , число пересечений линий вектора с равно произведению густоты линий (т.е. модуля вектора) на площадь площадки, расположенной перпендикулярно силовым линиям в данной точке пространства. Очевидно, что количество линий, пересекающих и одинаково, а площади связаны соотношением:

. (13.09)

Поэтому

(13.10)

Поток вектора выражается таким же соотношением. Поэтому можно утверждать, что поток вектора через некоторую поверхность численно равен количеству пересечений линий вектора с этой поверхностью:

(13.11)

Необходимо, однако, учесть, что поток – величина алгебраическая. Если на рисунке 13.2 направление линий вектора изменить на противоположное, то поток станет отрицательным. Для совпадения знаков и пересечения с острым углом считают положительными, а с тупым – отрицательными.

Большое значение имеет рассмотрение потока вектора через замкнутую поверхность. Для замкнутых поверхностей положительной считается внешняя нормаль и с «+» берутся пересечения, связанные с выходом наружу линий вектора. Пересечения при входе внутрь берутся с « – ».

Обратим внимание на то, что если линии вектора непрерывны внутри поверхности, то каждая линия пересекает поверхность четное число раз: половину с «+», половину с « – » и, соответственно поток через поверхность оказывается равным нулю.

Дивергенция вектора

Вернемся к рассмотрению течения жидкости и поля вектора скорости частиц жидкости. Представим в окрестности некоторой точки воображаемую з амкнутую поверхность , ограничивающую объем . Если внутри в объеме жидкость не исчезает и не появляется, то линии вектора (они же линии тока жидкости) непрерывны, и .

Если , то это означает, что внутри есть источники, мощность которых равна (стоки рассматриваем как источники с отрицательной мощностью). Под мощностью источника подразумевается объем жидкости, выбрасываемый им в единицу времени. Отношение есть средняя удельная мощность источников в .

Поток вектора через поверхность и средняя удельная мощность источников в объеме интегрально, по объему , характеризует характер изменения поля и поведение вектора скорости частиц. Однако очень часто возникает необходимость более детального описания поведения поля вектора скорости, например интенсивности возникновения новых линий вектора в зависимости от координат. С этой целью естественно уменьшить мысленно объем . По определению предел отношения потока вектора через замкнутую поверхность, ограничивающую некоторый объем в окрестности заданной точки поля, к величине объема , при его стремлении к нулю, называют дивергенцией соответствующего вектора:

(13.12)

(можно говорить о пределе удельной мощности источников вектора).

Соответственно, по определению, для произвольного вектора дивергенцией называется величина

(13.13)

Геометрическая интерпретация потока вектора, как количества пересечений линий вектора с поверхностью, позволяет истолковать дивергенцию вектора , как функцию, равную плотности точек, в которых начинаются линии . В точках, где линии вектора заканчиваются дивергенция вектора отрицательна.

По смыслу характеризует распределение в пространстве источников силовых линий и определяет плотность мощности источников вектора. Произведение дает мощность источников в объеме .