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2.3标量积和矢量积 * 应力、应变、位移和本构方程的矢量与张量表示, 在许多文献和参考书中是很常见的。 对一些基本物理量的矢量和张量表示代替其分量的展开形式表示,使得我们在描述这些物理量之间的关系时有很大的优点。 因为其数学表达特别简练,因此可以帮助我们把注意力集中于理解这些原理所表达的物理内涵而不是花更多的精力在数学方程本身。 第2章 矢量和张量 2.1 引言 美丽的故事需要用美丽的语言来讲述、张量就是力学的语言! 2.2 坐标系和矢量的坐标表示 本章我们限定采用的坐标系为卡氏坐标系。 在三维空间中,卡氏坐标系常用相互的右手坐标系, 常用坐标轴x,y,z表示也可以用 表示。 在各门科学中所遇到的量,可以分为两类: 一类完全由数值决定,例如面积、温度、时间、质量等, 这一类量称为标量 另一类量,除需要知道大小外还需要说明它的方向, 例如力、速度、加速度和位移等,这一类量称为矢量 (或向量) 表示矢量大小的数值称为矢量的模。 矢量可以用一条有向线段表示,使它的正方向指向矢量的方向,它的长度等于矢量的模。表示矢量的记号一般用带箭头的拉丁字母或黑体字表示,也可以用矢量的起点和终点两字母表示。 在直角坐标系中,用 表示起点在坐标 原点分别和各坐标轴平行的单位矢量。 坐标为 (i=1,2,3)的空间任意一点可以用矢量OP 或V表示.矢量V也可以用其分量 (i=1,2,3)表示。即 矢量的数乘和加减运算 数乘 加减 以分量的形式可以表示成 以下标表示 有两类矢量乘积,标量积(又称点积或内积)和矢量积(或差积),下面分别讨论。 1、标量积 矢量U和V的标量积定义为 这里 表示矢量的长度或模, 表示两矢量之间的夹角 矢量点积的另外一种表达形式为 2 矢量积 利用右手坐标系,矢量U和V的矢量积可以定义一个新矢量W.该矢量的长度为,如果U 和V位于纸平面, 那么 矢量W将和纸平面垂直,且正向按右手螺旋法则确定.用叉积表示为: 几何上两矢量的叉积的大小表示该两矢量组成的平行四边形的面积.矢量的叉积还可以用坐标系的单位矢量和行列式的形式表示为 (2.12) (2.11) 易见有下列关系式 (2.13) 混合积: 三个矢量U,V和W的混合积有下面的性质 1)、 (一般不相等) (2.14) 2) (2.15a) (等于U、V和W三矢量组成的平行六面体的体积)也可以用 矩阵形式表示为 (2.15b) 3)、 (2.16) 4)、 (2.17) 矢量方程 通过方程来表示(矢量)物理量的关系或几何事实 如,一个质点受力 作用,质点的平衡条件为 在直角坐标系Oxyz中,用投影表示 再如, p r 在直角坐标系下可表示成 在用直角坐标表示方程时,数量关系更加明确,但有时不够简练!! 2.4 标量和矢量场 温度和密度等标量只取决于所考察的点所处的空间位置, 可以表示成位置坐标的函数 1、标量场的梯度(gradient) 假设标量场Φ定义于一指定的空间区域,则其对各坐标 的导数为 。而方程 表示三维空间的一个曲面,称为标量场。而流体中质点的 速度随位置的改变关系可以表示为矢量场 。 (i=1,2,3) 这里的三个导数可以看成是矢量的三个分量,即 这里 表示梯度算子。 需要强调指出, 是垂直于空间曲面 的一矢量,且是曲面上的最大梯度(证明这里略)。 2、 矢量的散度(Divergence of a Vector) 一个梯度算子和一个矢量的点积称为矢量的散度(标量) 注: 没有意义。 3、矢量的旋度(Curl of a Vector) 梯度算子 和矢量V的叉积形成一个新矢量称为矢量的旋度 如果 , 及V的偏导数存在,下列结果很容易得到证明 1、 称为拉普拉斯算子 2、 (这里 和 是标量场) 3、 4、 5、 2.5 指标表示与求和约定 前面已经讨论,一个矢量V可以用多种方式表示,如 在三维空间中,一个矢量有三个分量,要用三个下标。 为了表示方便,可约定采用通用的单一下标来表示,即用 来表示矢量的三个分量,这里很容易理解下标i取值是1到3。 如,式 表示矢量X的各分量为零或X是零矢量。类似有 下标可以自由选取, 和 在上式中表示相同的矢量。 2、求和约定(缩略表示
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