Rotor (matematika)
From Wikipedia, the free encyclopedia
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

Pogledajmo linijski integral vektorskog polja duž zatvorne krivulje
koja ograničava površinu
. Premostimo krivulju
nekim lukom, tako da je vanjska krivulja razdvojena na dvije (
). 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
:
Uzmimo sada omjer te vrijednosti i infinitezimalno malog dijela površine koji okružuje krivulja
. Pustimo li da
, odnosno
, 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
, dolazimo upravo do definicije rotacje ili
rotora vektorskog polja:
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 ne mijenja dok se element plohe smanjuje k nuli.
Rotor je, kao i Divergencija, također invarijanta vektorskog
polja.
Rotor u kartezijevu sustavu

Kako bismo izveli izraz za rotor u kartezijevu sustavu, napravimo integraciju po rubu
pravokutnika paralelnog s - ravinom (
), kao na sl.
Uvršatavanjem u definiciju rotacije, te potpunom analogijom, imamo:
Očito u danoj fomuli možemo prepoznati simbolički zapisanu determinantu:
Nadalje, očito je
pa često označavamo s
, gdje je
Hamiltonov operator.
Rotacija i Stokesov teorem
Za rotaciju vrijedi Stokesov teorem
Izrazi za rotaciju u drugim koordinatnim sustavima
- u cilindričnom:
( rot W → ) φ | = 1 r ∂ ∂ r ( r W ϑ ) − 1 r ∂ W r ∂ ϑ {\displaystyle |({\mbox{rot}}{\overrightarrow {W}})_{\varphi }|={\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}(rW_{\vartheta })({\mbox{rot}}{\overrightarrow {W}})_{\varphi }|={\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}(rW_{\vartheta })\frac {1}{r}}{\frac {\partial W_{r}}{\partial \vartheta }}}"/> rot W → = [ 1 r sin ϑ ∂ ∂ ϑ ( W φ sin ϑ ) − 1 r sin ϑ ∂ W ϑ ∂ φ ] r ^ + [ 1 r sin ϑ ∂ W r ∂ φ − 1 r ∂ ∂ r ( r W φ ) ] ϑ ^ + [ 1 r ∂ ∂ r ( r W ϑ ) − 1 r ∂ W r ∂ ϑ ] φ ^ . {\displaystyle {\mbox{rot}}{\overrightarrow {W}}={\biggl [}{\frac {1}{r\sin \vartheta }}{\frac {\partial }{\partial \vartheta }}(W_{\varphi }\sin \vartheta )\frac {1}{r\sin \vartheta }}{\frac {\partial W_{\vartheta }}{\partial \varphi }}{\biggr ]}{\hat {r}}+{\biggl [}{\frac {1}{r\sin \vartheta }}{\frac {\partial W_{r}}{\partial \varphi }{\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}(rW_{\varphi }){\biggr ]}{\hat {\vartheta }}+{\biggl [}{\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}(rW_{\vartheta })\frac {1}{r}}{\frac {\partial W_{r}}{\partial \vartheta }}{\biggr ]}{\hat {\varphi }}.}
Rotacija i algebarske operacije
Neka su dana vektorska polja i
, skalar
,
skalarna funkcija
i radij-vektor
. Tada vrijedi:
rot ( u → + v → ) = rot u → + rot v → {\displaystyle {\textrm {rot}}({\vec {u}}+{\vec {v}})={\textrm {rot}}{\vec {u}}+{\textrm {rot}}{\vec {v}}} rot ( U ⋅ v → ) = U ⋅ rot v → − v → × grad U {\displaystyle {\textrm {rot}}(U\cdot {\vec {v}})=U\cdot {\textrm {rot}}{\vec {v}{\vec {v}}\times {\mbox{grad}}U} rot [ f ( U ) ⋅ v → ] = f ( U ) ⋅ rot v → − v → × f U ′ ( U ) grad U {\displaystyle {\textrm {rot}}[f(U)\cdot {\vec {v}}]=f(U)\cdot {\textrm {rot}}{\vec {v}{\vec {v}}\times f_{U}^{'}(U){\textrm {grad}}U} rot r → = 0 {\displaystyle {\textrm {rot}}{\vec {r}}=0} rot ( u → × v → ) = u → div v → − v → div u → + ( v → ⋅ ∇ → ) u → − ( u → ⋅ ∇ → ) v → {\displaystyle {\mbox{rot}}({\vec {u}}\times {\vec {v}})={\vec {u}}{\mbox{div}}{\vec {v}}\vec {v}}{\mbox{div}}{\vec {u}}+({\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {u}({\vec {u}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {v}}} grad ( u → ⋅ v → ) = v → × rot u → + u → × rot v → + ( v → ⋅ ∇ → ) u → + ( u → ⋅ ∇ → ) v → {\displaystyle {\mbox{grad}}({\vec {u}}\cdot {\vec {v}})={\vec {v}}\times {\mbox{rot}}{\vec {u}}+{\vec {u}}\times {\mbox{rot}}{\vec {v}}+({\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {u}}+({\vec {u}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {v}}} div ( u → × v → ) = v → rot u → − u → rot v → . {\displaystyle {\mbox{div}}({\vec {u}}\times {\vec {v}})={\vec {v}}{\mbox{rot}}{\vec {u}}\vec {u}}{\mbox{rot}}{\vec {v}}.}
Primjeri
- Rotor elektrostaskog polja točkastog naboja,
E → = 1 4 π ε 0 q r 3 r → {\displaystyle {\overrightarrow {E}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q}{r^{3}}}{\vec {r}}} :
rot E → = rot ( 1 4 π ε 0 q r 3 r → ) = ( 2. ) q 4 π ε 0 r 3 rot r → − r → × grad q 4 π ε 0 r 3 = − 3 q 4 π ε 0 r 4 r → r × r → = [ r → × r → = 0 ] = 0. {\displaystyle {\mbox{rot}}{\overrightarrow {E}}={\mbox{rot}}{\Bigl (}{\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q}{r^{3}}}{\vec {r}}{\Bigr )}{\stackrel {(2.)}{=}}{\frac {q}{4\pi \varepsilon _{0}r^{3}}}{\mbox{rot}}{\vec {r}}=\\hat{x} (z\n\\omega_y-y\\omega_z)+\\hat{y}(x\\omega_z-z\\omega_x)+\\hat{z}(y\\omega_x-x\\omega_y);"}}' id="mwwA"> v → = ω → × r → = | x ^ y ^ z ^ ω x ω y ω z x y z | = x ^ ( z ω y − y ω z ) + y ^ ( x ω z − z ω x ) + z ^ ( y ω x − x ω y ) ; {\displaystyle {\vec {v}}={\vec {\omega }}\times {\vec {r}}=\left|{\begin{array}{ccc}{\hat {x}}&{\hat {y}}&{\hat {z}}\\\omega _{x}&\omega _{y}&\omega _{z}\\x&y&z\end{array}}\right|={\hat {x}}(z\omega _{y}-y\omega _{z})+{\hat {y}}(x\omega _{z}-z\omega _{x})+{\hat {z}}(y\omega _{x}-x\omega _{y});}
rot v → = | x ^ y ^ z ^ ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z ( z ω y − y ω z ) ( x ω z − z ω x ) ( y ω x − x ω y ) | = 2 ω x x ^ + 2 ω y y ^ + 2 ω z z ^ = 2 ω → . {\displaystyle {\mbox{rot}}{\vec {v}}=\left|{\begin{array}{ccc}{\hat {x}}&{\hat {y}}&{\hat {z}}\\{\frac {\partial }{\partial x}}&{\frac {\partial }{\partial y}}&{\frac {\partial }{\partial z}}\\(z\omega _{y}-y\omega _{z})&(x\omega _{z}-z\omega _{x})&(y\omega _{x}-x\omega _{y})\end{array}}\right|=2\omega _{x}{\hat {x}}+2\omega _{y}{\hat {y}}+2\omega _{z}{\hat {z}}=2{\vec {\omega }}.}
Odatle se lako mogu iščitati komponente kutne brzine:
ω x = 1 2 ( ∂ v z ∂ y − ∂ v y ∂ z ) {\displaystyle \omega _{x}={\frac {1}{2}}{\Bigl (}{\frac {\partial v_{z}}{\partial y}}\frac {\partial v_{y}}{\partial z}}{\Bigr )}} ω y = 1 2 ( ∂ v x ∂ z − ∂ v z ∂ x ) {\displaystyle \omega _{y}={\frac {1}{2}}{\Bigl (}{\frac {\partial v_{x}}{\partial z}}\frac {\partial v_{z}}{\partial x}}{\Bigr )}} ω z = 1 2 ( ∂ v y ∂ x − ∂ v x ∂ y ) . {\displaystyle \omega _{z}={\frac {1}{2}}{\Bigl (}{\frac {\partial v_{y}}{\partial x}}\frac {\partial v_{x}}{\partial y}}{\Bigr )}.}
Na ovom primjeru primijetimo: vektor brzine
je polarni vektor, a vektor
je aksijalni vektor. Međutim, to
vrijedi i
općenito: rotor polarnog vektora je aksijalni vektor, a rotor aksijalnog vektora je polarni vektor.
Vezani pojmovi
- Tok polja
- Gradijent
- Divergencija
- Vektorsko polje
- Elektromagnetizam
- Električno polje
- Magnetsko polje
- Hidrodinamika
- Vektorske operacije u zakrivljenim koordinatama
Vanjske veze
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.