Elméleti fizika I.
Bene Gyula
Eötvös Loránd Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék
1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A
12. hét keddi előadás
5.2. Konform leképezések
(folytatás)
-
Példák
- Cirkulációs áramlás:
$$w=w(z)=\frac{\Gamma}{2\pi i}\ln z=\frac{\Gamma
\varphi}{2\pi}-i\frac{\Gamma}{2\pi}\ln r$$
-
Áramlás sarokban ill. élnél:
$$w(z)=A z^{\frac{\pi}{\alpha}}=Ar^{\frac{\pi}{\alpha}}{\rm e}^{i\frac{\pi}{\alpha}\varphi}$$
$$\Phi=Ar^{\frac{\pi}{\alpha}}\cos{\frac{\pi}{\alpha}\varphi}\;,\quad \Psi=Ar^{\frac{\pi}{\alpha}}\sin{\frac{\pi}{\alpha}\varphi}$$
$$v_r=\frac{\partial \Phi}{\partial r}=\frac{\pi}{\alpha}Ar^{\frac{\pi}{\alpha}-1}\cos{\frac{\pi}{\alpha}\varphi}\;,\quad v_\varphi=\frac{1}{r}\frac{\partial \Phi}{\partial \varphi}=-\frac{\pi}{\alpha}Ar^{\frac{\pi}{\alpha}-1}\sin{\frac{\pi}{\alpha}\varphi}$$
$\quad$sarok: $\quad\frac{\pi}{\alpha}>1\;\Rightarrow \;v(0)=0\;,\;v(\infty)=\infty$
$\quad$él: $\quad\frac{\pi}{\alpha}<1\;\Rightarrow \;v(0)=\infty\;,\;v(\infty)=0$
-
Áramlás szárnyprofil körül
Kutta-Zsukovszkij-transzformáció:
$$z=w+\frac{1}{w}$$
A kört szárnyprofilba transzformálja.
Az inverz transzformált
$$w=-w_0+\frac{1}{2}\left(z+\sqrt{z^2-4}\right)$$
a szárnyprofilt az origó középpontú körbe transzformálja.
A kör (henger) körüli áramlás komplex potenciálja ismert, így a szárnyprofil
körüli örvénymentes áramlás komplex potenciálja:
$$v_0\left(w+\frac{R^2}{w}\right)-i\frac{\Gamma}{2\pi}\ln w =
v_0\left(-w_0+\frac{1}{2}\left(z+\sqrt{z^2-4}\right)+\frac{R^2}{-w_0+\frac{1}{2}\left(z+\sqrt{z^2-4}\right)}\right)-i\frac{\Gamma}{2\pi}\ln \left(-w_0+\frac{1}{2}\left(z+\sqrt{z^2-4}\right)\right)
$$
$\Gamma=0$:
$\Gamma<0$:
5.3. Zsukovszkij-tétel
-
Tetszőleges keresztmetszetű henger áramló folyadékban
$C$ görbével határolt keresztmetszet esetén $w(z)=?$
potenciál körkeresztmetszet esetén: $F(\zeta)=v_0\left(\zeta+\frac{R^2}{\zeta}\right)-i\frac{\Gamma}{2\pi}\ln \zeta$
Találjunk olyan konform leképezést, mely a $C$ görbét az $R$ sugarú körbe viszi és $z\rightarrow \infty$-re $z=\zeta$ (így lesz mindkét esetben $v_0$ a beáramlási sebesség). Legyen ez $\zeta=h(z)$. Az új probléma potenciálja ekkor előáll, mint
$$w(z)=F(h(z))$$
Így a $z$ síkot $\zeta$ közbeiktatásával leképeztük a párhuzamos áramlásra.
$w(z)$ ismeretében a felhajtóerő számolható (Kutta-Zsukovszkij-erő) és
$$F_y=-\rho v_0 \Gamma$$
Áramvonalas szárnyra ható erő
5.4. Thomson-tétel: a cirkuláció megmaradása
- Cirkuláció időbeli viselkedése
A cirkulációt adott $t$ pillanatra kiszámítjuk valamilyen zárt $C_t$ görbe
mentén, majd a görbét alkotó folyadékrészek mozgását követjük, és kiszámítjuk
a cirkulációt az így létrejött $C_{t+dt}$ görbe mentén is:
$$\Gamma_t=\oint_{C_t}{\bf v}d{\bf s}$$
$$\Gamma_{t+dt}=\oint_{C_{t+dt}}{\bf v'}d{\bf s'}$$
A ${\bf v'}$ és $d{\bf s'}$ mennyiségeket a $t$ időpontbeli értékekkel fejezzük
ki:
$${\bf v'}={\bf v}+\frac{d{\bf v}}{dt}dt\;,\quad
d{\bf s'}=d{\bf s}+\underbrace{({\bf v}_B-{\bf v}_A)}_{d{\bf v}}dt$$
$$\Downarrow$$
$${\bf v'}d{\bf s'}={\bf v}d{\bf s}+\frac{d{\bf v}}{dt}d{\bf s}dt+{\bf v}d{\bf v}dt+\mathcal{O}(dt^2)$$
Integrálva:
$$
\Gamma_{t+dt}=\Gamma_{t}+\left(\oint_{C_t}\frac{d{\bf v}}{dt}d{\bf s}+\oint_{C_t}{\bf v}d{\bf v}\right)dt
$$
A zárójelen belüli második tag eltűnik, mert teljes differenciál integrálja zárt görbe mentén:
$$\oint_{C_t}{\bf v}d{\bf v}=\frac{1}{2}\oint_{C_t}d{ v^2}=0$$
$$\Downarrow$$
$\begin{eqnarray}
\frac{d \Gamma_{t}}{dt}=\oint_{C_t}\frac{d{\bf v}}{dt}d{\bf s}&=&\oint_{C_t}{\bf f}\;d{\bf s}-\oint_{C_t}\frac{1}{\rho}{\rm grad}\;p\;d{\bf s}\\
&\uparrow&\\
\text{Euler}&\text{-}&\text{egyenlet}
\end{eqnarray}$
Megmaradás: ha a tömegerő konzervatív (${\bf f}=-{\rm grad}\; V$) és a folyadék barotróp ($\frac{1}{\rho}{\rm grad}\;p={\rm grad}\;P$), akkor $$\frac{d\Gamma_{t}}{dt}=0\;,$$ azaz a folyadékkal együtt sodródó görbére vonatkozó cirkuláció időben állandó. Ez a Thomson-tétel. Igaz mind örvényes, mind örvénymentes ideális folyadékra.
5.5. Örvényes áramlások
- Az áramlás örvényes, ha van olyan hely az áramlásban, ahol ${\rm rot}{\bf v}\ne 0$.
- Örvényvektor:
$${\bf \Omega}=\frac{1}{2}{\rm rot}{\bf v}$$
az adott helyen és időben a folyadék szögsebessége.
- Szemléltetése:
Örvényvonal: érintője a helyi ${\bf \Omega}$ vektor.
Örvénycső: palástján ${\bf \Omega}$ érintőirányú.
- Örvényfluxus:
$\begin{eqnarray}
K=\int {\bf \Omega}d{\bf F}&=&\frac{1}{2}\oint_C {\bf v}d{\bf s}=\frac{1}{2}\Gamma_C\\
&\uparrow&\\
\text{Stokes}&\text{-}&\text{tétel}
\end{eqnarray}$
6.2. Örvénytételek
- Az örvénycsőbe zárt örvényfluxus adott időpontban a cső mentén állandó (általánosan érvényes, nem ideális folyadékra is):
$${\rm div}{\bf \Omega}=0$$
$$\Downarrow$$
$$\int {\rm div}{\bf \Omega}\;dV=\underbrace{\int_{\text{palást}}{\bf \Omega}d{\bf F}}_{=0}+\int_{\text{2}}{\bf \Omega}d{\bf F}-\int_{\text{1}}{\bf \Omega}d{\bf F}=0$$
$$\Downarrow$$
$$K=\int {\bf \Omega}d{\bf F}=\text{állandó a cső mentén}$$
Az örvénycső lehet zárt. Ha nem zárt, akkor csak a folyadék határán végződhet.
- A cirkuláció megmaradásából származó örvénytételek (ideális és barotróp folyadék + konzervatív térfogati erő esetén)
- Az örvénycsőbe zárt örvényfluxus időben sem változik.
Örvényfonál: olyan vékony cső, hogy benne $\bf \Omega$ állandó. Az örvényfonalat bárhol és bármely időpontban a $\kappa={\bf \Omega} d{\bf F}$ örvényesség (örvényfluxus) jellemzi. Ideális folyadékban minden örvényfonal örvényessége megadandó mint külső paraméter.
- Ideális folyadékban örvények nem keletkeznek és nem szűnnek meg.
Ha $t_0$ időpontban egy folyadéktartományban nincsenek örvények, akkor ott $ {\boldsymbol \Omega}=0$. Mivel $\Gamma$ ekkor tetszőleges görbére eltűnik, a megmaradás miatt később is eltűnik, ezért később is fenn kell állnia, hogy $ {\bf \Omega}=0$.
- Örvénycsövet alkotó folyadékrészek később is örvénycsövet alkotnak.
Bizonyítás: vegyünk fel tetszőleges zárt redukálható görbét az örvénycső palástján. Az erre vett cirkuláció nulla. Későbbi időpontban a folyadékkal együttmozgó görbére a cirkuláció Thomson tétele szerint továbbra is nulla lesz. Mivel ez bármely és tetszőlegesen kicsi görbére is igaz, az örvényvektornak a korábbi örvénycső sodródásával létrejött cső palástján a palásttal párhuzamosnak kell lennie, azaz ez a cső is örvénycső.
Pl.: pipafüst-karika
Füstkarikák 1.
Füstkarikák 2.
6.3. Örvények keletkezése ideális folyadékban
A cirkuláció nem marad meg, ha
-
a folyadék nem barotróp (azaz baroklin: kezdetben nincs egyensúly)
-
a tömegerő nem konzervatív
-
baroklin folyadék (de konzervatív tömegerő)
$$\frac{d\Gamma}{dt}=-\oint \frac{1}{\rho}{\rm grad} \;p\;d{\bf s} $$
Ezúttal nem igaz, hogy $\rho=\rho(p)$, amiből következne, hogy a
$p=\text{állandó}$ (izobár) és a $\rho=\text{állandó}$ (izosztér) felületek
egybeesnek. Most tehát ezek a felületek metszik egymást.
Pl.
$$\frac{d\Gamma_{ABCD}}{dt}=
-\underbrace{\int_A^B \frac{1}{\rho}{\rm grad} \;p\;d{\bf s}}_{=0}
-\underbrace{\int_B^C \frac{1}{\rho}{\rm grad} \;p\;d{\bf s}}_{\frac{p_2-p_1}{\rho_2}}
-\underbrace{\int_C^D \frac{1}{\rho}{\rm grad} \;p\;d{\bf s}}_{=0}
-\underbrace{\int_D^A \frac{1}{\rho}{\rm grad}
\;p\;d{\bf s}}_{\frac{p_2-p_1}{\rho_1}}
=\left(\frac{1}{\rho_1}-\frac{1}{\rho_2}\right)(p_2-p_1)\ne 0$$
Általában
$\begin{eqnarray}
\frac{d\Gamma_{C}}{dt}=-\oint\frac{1}{\rho}{\rm grad} \;p\;d{\bf s}
&=&-\int {\rm rot}\left( \frac{1}{\rho}{\rm grad} \;p\right)d{\bf F}\\
&\uparrow&\\
&\text{Stokes-tétel}&\\
&=&-\int\left({\rm grad} \;\frac{1}{\rho}\times {\rm grad} \;p\right)d{\bf F}\\
&=&\int\frac{{\rm grad} \;\rho\times {\rm grad} \;p}{\rho^2}d{\bf F}\\
&=&\int{\bf B}d{\bf F}
\end{eqnarray}$
${\bf B}=\frac{{\rm grad} \;\rho\times {\rm grad} \;p}{\rho^2}$ :
baroklin vektor.
Alkalmazások
- Nyugalomban levő légkörben nagy kiterjedésű felmelegedés lokálisan
$\rightarrow$ nincs termodinamikai egyensúly, $s\ne\text{állandó}\quad
\rightarrow$ baroklin.
$\begin{eqnarray}\Downarrow\end{eqnarray}$
Áramlás indul meg, ami általában örvényes lesz.
- Egyenlítői erősebb felmelegedés $\rightarrow$ passzát (északi féltekén) -
antipasszát
- Óceán és szárazföld különböző mértékű felmelegedése télen és nyáron:
monszun (évszakonként változó)
- Szárazföld és víz különböző mértékű felmelegedése ill. lehűlése nappal
és éjjel
- Egyenlítői ciklonok: helyi felmelegedés (anticiklon: helyi lehűlés)
- Tengeri áramlás a sókoncentráció-különbség hatására
$\rho$ növekszik a sótartalommal: alul áramlik a sósabb víz, felül a
kevésbé sós
- Áramlás Gibraltárnál: a Földközi-tenger sósabb, mint az Atlanti-óceán
- Áramlás a Boszporusznál: a Földközi-tenger sósabb, mint a
Fekete-tenger
- Nemkonzervatív erő (ugyanakkor barotróp folyadék)
A legtipikusabb eset: Coriolis-erő
Áramlás forgó koordináta-rendszerben
Az Euler-egyenlet:
$$\frac{d{\bf v}}{dt}=-{\rm grad}\; V-\frac{1}{\rho}{\rm grad}\;p\underbrace{-{\rm
grad}\;\frac{\Omega_0^2R^2}{2}}_{\text{centrifugális
gyorsulás}}\underbrace{-2\left({\bf \Omega_0}\times
{\bf v}\right)}_{\text{Coriolis-gyorsulás}}$$
Bernoulli-egyenlet:
$${\bf v}{\rm
grad}\left(\frac{v^2}{2}+V-\frac{1}{2}\Omega_0^2R^2+w\right)=0$$
A cirkuláció egyenlete:
$$\frac{d\Gamma}{dt}=-2\oint\left({\bf \Omega_0}\times
{\bf v}\right)d{\bf s}$$
Szemléletes jelentése:
Legyen $C$ jobbkéz-körüljárású. Ekkor
$$\oint_C\left({\bf \Omega_0}\times
{\bf v}\right)d{\bf s}={\bf \Omega_0}\oint_C\left({\bf v}\times
d{\bf s}\right)={\bf \Omega_0}\oint_{C_\perp}\left({\bf v}_\perp\times
d{\bf s}_\perp\right)$$
mivel ${\bf v}_\perp\times
d{\bf s}_\perp$ a ${\bf v}\times
d{\bf s}$ vektornak az ${\bf \Omega_0}$-lal párhuzamos komponense.
$dt\left|{\bf v}_\perp\times
d{\bf s}_\perp\right|$ a paralelogramma területe
$\left|\oint ({\bf v}_\perp\times
d{\bf s}_\perp)\right|$ a területváltozás $C_\perp^{t+dt}$ és
$C_\perp^{t}$ között egységnyi idő alatt.
$$\oint\left({\bf \Omega_0}\times
{\bf v}\right)d{\bf s}=\Omega_0\frac{d\Sigma}{dt}\;,$$
ahol $\Sigma$ a $C_\perp$ által körbezárt terület.
Passzát: A $C$ görbe az egyenlítő irányába mozog,
$\frac{d\Sigma}{dt} > 0$, így $\Gamma_C$ csökken $\Rightarrow$ erősödő áramlás
lkeletről. (Antipasszát ugyanígy)
Ciklon: az alsó légtömegek a mag felé áramlanak,
$\frac{d\Sigma}{dt} < 0$, így $\Gamma$
növekszik: csavarodó áramvonalak, pozitív (az óramutató járásával ellentétes) fogásirány. Ez összhangban van azzal, hogy a
$2{\bf v}\times {\bf \omega}$ Coriolis-erő az északi féltekén
jobbra, a déli féltekén balra térít el.
-
Általános esetben mindkét oka megvan a cirkuláció megváltozásának.
$$\frac{d\Gamma}{dt}=-2\oint\left({\bf \Omega_0}\times
{\bf v}\right)d{\bf s}+\int{\bf B}d{\bf F}$$
bene@arpad.elte.hu