Rotor (matematika)

Izvor: testwiki
Datum izmjene: 17. decembra 2024. u 21:26; autor/autorica: imported>AcaBot (standardizacija naziva odjeljka "External links")
(razlika) ← Starija verzija | Aktualna verzija (razlika) | Novija verzija → (razlika)
Prijeđi na navigaciju Prijeđi na pretragu

U vektorskoj analizi i teoriji polja, rotor ili rotacija (rot, eng. curl) je veličina koja odražava svojstva vektorskoga polja u prostoru. Najviše se primjenjuje u fizici, pogotovo u elektromagnetizmu i hidrodinamici.

Definicija

Datoteka:Shema rotacija.png
Shematski prikaz uz definiciju rotacije vektorskoga polja

Pogledajmo linijski integral vektorskog polja W duž zatvorne krivulje C koja ograničava površinu S. Premostimo krivulju nekim lukom, tako da je vanjska krivulja razdvojena na dvije (C1+C2=C). Pri integriranju sada udio imaju samo vanjski dijelovi početne linije, jer se po luku integrira jednom u jedom, a drugi put u suprotom smijeru pa se taj integral poništava (v. sl.). Naravno, isto se događa i za velik broj razdioba početne površine S:

WdS=CWdS=i=1NCiWdSi.

Uzmimo sada omjer te vrijednosti i infinitezimalno malog dijela površine Ai koji okružuje krivulja Ci. Pustimo li da N, odnosno Ai0, dobivamo graničnu vrijednost koja predstavlja skalarnu veličinu pridruženu određenoj točki prostora, pa je stoga možemo smatrati komponentom vektora. Pomnožimo li dati izraz s vektorom normale n^, dolazimo upravo do definicije rotacje ili rotora vektorskog polja:

n^rotW=def.limAi0CiWdSAi=limΔS0WdSΔS.

Svojstva i pretpostavke

Nije nužno da ploha omeđena krvuljom koju promatramo leži u ravnini, traži se jedino da ta ploha nema singularnosti.

Nadalje, pretpostavlja se da se vektor normale n^ ne mijenja dok se element plohe smanjuje k nuli. Rotor je, kao i Divergencija, također invarijanta vektorskog polja.

Rotor u kartezijevu sustavu

Datoteka:Rotor pravokutni.png
Shematski prikaz uz definiciju rotacije vektorskoga polja

Kako bismo izveli izraz za rotor u kartezijevu sustavu, napravimo integraciju po rubu pravokutnika paralelnog s xOy - ravinom (n^=z^), kao na sl.

WdS=C1WdS+C2WdS+C3WdS+C4WdS=
=C1Wx(x,y0,z0)dx+C2Wy(x0+Δx,y,z0)dy
C3Wx(x,y0+Δy,z0)dxC4Wy(x0,y,z0)dy=
=[Wx(x,y0,z0)Wx(x,y0+Δy,z0)]dx+
+[Wy(x0+Δx,y,z0)Wy(x0,y,z0)]dy=
=WyxΔxΔyWxyΔxΔy=
=ΔS(WyxWxy).

Uvršatavanjem u definiciju rotacije, te potpunom analogijom, imamo:

z^rotW=limΔS0WdSΔS=limΔS0(WyxWxy)ΔSΔS=(WyxWxy)=(rotW)z.
(rotW)x=(WzyWyz)
(rotW)y=(WxzWzx)
(rotW)z=(WyxWxy)
rotW=x^(WzyWyz)+y^(WxzWzx)+z^(WyxWxy).

Očito u danoj fomuli možemo prepoznati simbolički zapisanu determinantu:

rotW=|x^y^z^xyzWxWyWz|.

Nadalje, očito je

rotW=(x^x+y^y+z^z)×(x^Wx+y^Wy+z^Wz)=×W,

pa rotW često označavamo s ×W, gdje je Hamiltonov operator.

Rotacija i Stokesov teorem

Za rotaciju vrijedi Stokesov teorem

SrotWdA=CWdS.

Izrazi za rotaciju u drugim koordinatnim sustavima

|(rotW)ρ|=1ρWzφWφz
|(rotW)φ|=WρzWzρ
|(rotW)z|=1ρρ(ρWφ)1ρWρφ
rotW=[1ρWzφWφz]ρ^+[WρzWzρ]φ^+[1ρρ(ρWφ)1ρWρφ]z^
|(rotW)r|=1rsinϑϑ(Wφsinϑ)1rsinϑWϑφ
|(rotW)ϑ|=1rsinϑWrφ1rr(rWφ)
|(rotW)φ|=1rr(rWϑ)1rWrϑ
rotW=[1rsinϑϑ(Wφsinϑ)1rsinϑWϑφ]r^+[1rsinϑWrφ1rr(rWφ)]ϑ^+[1rr(rWϑ)1rWrϑ]φ^.

Rotacija i algebarske operacije

Neka su dana vektorska polja u i v, skalar U, skalarna funkcija f(U) i radij-vektor r. Tada vrijedi:

  • rot(u+v)=rotu+rotv
  • rot(Uv)=Urotvv×gradU
  • rot[f(U)v]=f(U)rotvv×fU'(U)gradU
  • rotr=0
  • rot(u×v)=udivvvdivu+(v)u(u)v
  • grad(uv)=v×rotu+u×rotv+(v)u+(u)v
  • div(u×v)=vrotuurotv.

Primjeri

  • Rotor elektrostaskog polja točkastog naboja, E=14πε0qr3r:
rotE=rot(14πε0qr3r)=(2.)q4πε0r3rotrr×gradq4πε0r3=3q4πε0r4rr×r=[r×r=0]=0.
Datoteka:Brzina rot.png
Shematski prikaz uz rotaciju polja obodne brzine
v=ω×r=|x^y^z^ωxωyωzxyz|=x^(zωyyωz)+y^(xωzzωx)+z^(yωxxωy);
rotv=|x^y^z^xyz(zωyyωz)(xωzzωx)(yωxxωy)|=2ωxx^+2ωyy^+2ωzz^=2ω.

Odatle se lako mogu iščitati komponente kutne brzine:

ωx=12(vzyvyz)
ωy=12(vxzvzx)
ωz=12(vyxvxy).

Na ovom primjeru primijetimo: vektor brzine v je polarni vektor, a vektor rotv je aksijalni vektor. Međutim, to vrijedi i općenito: rotor polarnog vektora je aksijalni vektor, a rotor aksijalnog vektora je polarni vektor.

Vezani pojmovi

Vanjske veze