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Zur Differentialgeometrie der Brachistochronen (mit Anwendungen auf Hydrodynamik und Variationsrechnung). - MaRDI portal

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Zur Differentialgeometrie der Brachistochronen (mit Anwendungen auf Hydrodynamik und Variationsrechnung). (Q1473546)

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scientific article; zbMATH DE number 2616815
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English
Zur Differentialgeometrie der Brachistochronen (mit Anwendungen auf Hydrodynamik und Variationsrechnung).
scientific article; zbMATH DE number 2616815

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    Zur Differentialgeometrie der Brachistochronen (mit Anwendungen auf Hydrodynamik und Variationsrechnung). (English)
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    1914
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    Unter Brachistochronen werden die Extremalen eines Integrales: \[ (*)\quad \int v(x,y,z)\sqrt{\left(\frac{dx}{ds}\right)^2+\left(\frac{dy}{ds}\right)^2 +\left(\frac{dz}{ds}\right)^2}ds \] verstanden, wobei \(\frac{1}{v}\) der Betrag der im Raumpunkte \((x,y,z)\) vorgeschriebenen Geschwindigkeit ist. Denkt man sich jedem Punkte einer Raumkurve einen Vektor \(\mathfrak v\) zugeordnet, dessen Richtung die Kurve, dessen Betrag \(v\) ist, so lautet die Differentialgleichung der Extremalen: \[ \frac{d{\mathfrak o}}{ds}={\text{grad}} v, \] oder, was damit gleichbedeutend ist: \[ [{\mathfrak v},{\text{curl }}{\mathfrak v}]=0, \] wo \([]\) das vektorielle Produkt bedeutet. Hieraus folgt durch einfache vektoranalytische Rechnungen: damit eine zweiparametrige Kurvenschar eine Brachistochronenschar sei, ist notwendig und hinreichend: 1. die Schmiegungsebenen im beliebigen Punkte \(P\) aller durch \(P\) hindurchgehenden Kurven der Schar schneiden sich in einer Geraden \(g\); 2. Die (zu \(P\) gehörigen) Krümmungsmittelpunkte der durch \(P\) hindurchgehenden Kurven der Schar liegen auf einer zu \(g\) normalen Ebene \(\alpha\); 3 ist \(p\) dr Abstand der Ebene \(\alpha\) vom Punkte \(P\) und wird dem Punkte \(P\) ein Vektor vom Betrage \(\frac{1}{p}\) zugeordnet, der senkrecht auf die genannte Ebene zu gezogen ist, so ist dieses Vektorfeld wirbelfrei. -- Werden die Brachistochronen aufgefaßt als die geodätischen Linien eines gekrümmten Raumes, so wird die geodätische Krümmung einer Kurve in diesem Raume bezeichnet als ihre \textit{brachistochronische Krümmung} im ursprünglichen Raume. Es wird gezeigt, daß bei Einführung der brachistochronischen Krümmung die Gleichungen der Hydrodynamik sich besonders einfach schreiben. Man erkennt dann unmittelbar die Existenz ststionärer Strömungen, deren Stromlinien Extremalen des Integrales (*) sind. Ein \textit{Mayer}sches Extremalenfeld ergibt dabei eine wirbelfreie Strömung, und der \textit{Hilbert}sche \textit{Unabhängigkeitssatz} besagt, daß längs jeder geschlossenen Linie die ``Zirkulation'' Null ist. \textit{Hahns} Verallgemeinerung des Unabhängigkeitssatzes (Pal. Rend. \textit{29};F. d. M. \textit{41}, 439, 1910) für beliebige Extremalenfelder geht über in den Satz von der Konstanz des Wirbelmomentes.
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