الفيزياء · المسرد

ما معنى الوصفان اللاغرانجي والأويلري؟

تعريف 2.2 الفيزياء الجامعية — السنة الثانية · الفصل 2 — تحريك الموائع

يتتبع الوصف اللاغرانجي كل جسيم مائع: موضعه r(t)\vect r(t) وسرعته  ⁣dr/ ⁣dt\dd\vect r/\dd t بدلالة الزمن وموضعه الابتدائي. وأما الوصف الأويلري فيعطي، عند كل نقطة ثابتة MM ولحظة tt، سرعة v(M,t)\vect v(M, t) الجسيم المارّ من MM في تلك اللحظة. وخط المسار هو مسار جسيم؛ وخط التيار في اللحظة tt منحنٍ يماسّ في كل نقطة v(M,t)\vect v(M, t)؛ وأنبوب التيار هو السطح المؤلَّف من خطوط التيار المارّة من منحنٍ مغلق. ويكون الجريان مستقرًّا حين لا تتوقف المجالات الأويلرية على الزمن، v/t=0\partial\vect v/\partial t = \vect 0؛ وعندئذ تنطبق خطوط التيار وخطوط المسار وتكون ثابتة.

على اليسار: جريان مستقر متقارب — خطوط التيار ثابتة، وجسيم موسوم يتبع أحدها ويتسارع حين يضيق الأنبوب. وعلى اليمين: يسجّل الوصف الأويلري متجهة السرعة عند نقاط ثابتة؛ ويتبع الوصف اللاغرانجي جسيمًا على امتداد خط مساره.
على اليسار: جريان مستقر متقارب — خطوط التيار ثابتة، وجسيم موسوم يتبع أحدها ويتسارع حين يضيق الأنبوب. وعلى اليمين: يسجّل الوصف الأويلري متجهة السرعة عند نقاط ثابتة؛ ويتبع الوصف اللاغرانجي جسيمًا على امتداد خط مساره.

أمثلة

مثال 2.3 (وصفان لجريان واحد)

ماء في خرطوم حديقة مقطعه SS وتدفقه QQ يمضي بالسرعة v=Q/Sv = Q/S في كل مكان: فالمجال الأويلري منتظم، وحركة كل جسيم بالوصف اللاغرانجي منتظمة. وأما في الفوهة المتضيّقة فيبقى المجال الأويلري مستقرًّا لكن vv يتزايد على امتداد المحور: فكل جسيم يتسارع وهو يمرّ فيها، مع أن لا شيء يتغير مع الزمن عند أي نقطة ثابتة. وذلك أول ما على الوصف الأويلري أن يتعلّم التعبير عنه.

مثال 2.15 (ثلاثة جريانات مستوية)

(1) جريان الركود v=k(x,y)\vect v = k(x, -y): فيكون divv=0\operatorname{div}\vect v = 0، و ω=0\vect\omega = \vect 0، و φ=12k(x2y2)\varphi = \tfrac12k(x^2 - y^2)؛ وخطوط التيار xy=ثابتxy = \text{ثابت}، وهي قطوع زائدة — كنفث يصطدم بجدار، بجوار المحور. (2) الدوامة النقطية v=Γ2πreθ\vect v = \dfrac{\Gamma}{2\pi r}\vect e_\theta (بالإحداثيات القطبية المستوية): وهي لاانضغاطية ولادورانية في كل مكان إلا عند r=0r = 0، و φ=Γθ/2π\varphi = \Gamma\theta/2\pi (متعدد القيم)، ويكون التكامل الخطي على أي دائرة حول المركز Γ\Gamma — أي إن الدوامية مركَّزة على المحور. (3) دوامة رانكين: لبّ r<ar < a في دوران صلب vθ=Ωrv_\theta = \Omega r (ودواميته 2Ω2\Omega) موصول بالدوامة النقطية vθ=Ωa2/rv_\theta = \Omega a^2/r في الخارج: وهو نموذج الإعصار القمعي، ودوّامة حوض الاستحمام، والدوّامة خلف دعامة الجسر — وتبلغ السرعة ذروتها عند حافة اللبّ.

اقرأ في الفصل ←