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Considerazioni idrodinamiche. - MaRDI portal

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Considerazioni idrodinamiche. (Q1536029)

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scientific article; zbMATH DE number 2692762
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English
Considerazioni idrodinamiche.
scientific article; zbMATH DE number 2692762

    Statements

    Considerazioni idrodinamiche. (English)
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    1889
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    Nach einigen Bemerkungen über Flüssigkeitsbewegungen, bei welchen die Strömungslinien in jedem Augenblick auf den Wirbellinien senkrecht stehen, wendet der Verfasser sich der Untersuchung derjenigen Flüssigkeitsbewegungen zu, bei welchen beide Linien identisch sind, bei welchen also zwischen den Componenten \(u, v, w\) eines Flüssigkeitsteilchens und den Componenten der Rotationsgeschwindigkeit \[ p = \tfrac 12 \left( \frac{\partial w}{\partial y} - \frac{\partial v}{\partial z}\right), \quad q = \tfrac 12 \left( \frac{\partial u}{\partial z} - \frac{\partial w}{\partial x} \right), \quad r = \tfrac 12 \left( \frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y} \right) \] die Beziehungen \[ \frac{p}{u} = \frac{q}{v} = \frac{r}{w} \] bestehen. Es wird zunächst angenommen, dass die einzelnen Flüssigkeitsteilchen sich parallel einer festen Wand bewegen, in welche die \((xy)\)-Ebene des Coordinatensystems gelegt wird, sodass also \(w\) gleich Null ist, und demnach \[ 2p = - \frac{\partial v}{\partial z}, \quad 2q = \frac{\partial u}{\partial z}, \quad 2r = \frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y} \] wird. Für die bezeichneten Flüssigkeitsbewegungen wird also \[ \frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y} = 0, \quad u\;\frac{\partial u}{\partial z} + v\;\frac{\partial v}{\partial z} = 0, \] oder \[ u = \frac{\partial \varphi}{\partial x}, \quad v = \frac{\partial \varphi}{\partial y}, \quad w = 0, \] \[ \frac{\partial}{\partial z} \left(\left( \frac{\partial \varphi}{\partial x}\right)^{2} + \left( \frac{\partial \varphi}{\partial y} \right)^{2} \right) = 0. \] In particulärer Weise erfüllt man diese Bedingungen, wenn man mit \(F\) eine Function von \(x + iy\) und \(t\), mit \(Z\) eine reelle Function von \(z\) und \(t\) bezeichnet, indem man setzt \[ \varphi + i\psi = Fe^{iZ}, \] sodass, wenn \(F_1\) die conjugirte Function zu \(F\) ist, \[ 2\varphi = Fe^{iZ} + F_{1} e^{-iZ} \] wird. Dann wird \[ \left( \frac{\partial \varphi}{\partial x} \right)^{2} + \left( \frac{\partial \varphi}{\partial y} \right)^{2} = F'F_{1}', \] womit die Richtigkeit der obigen Behauptung bewiesen ist. Die Strömungslinien sind dann \[ \psi = \text{const.}, \quad z = \text{const.}, \quad t = \text{const.} \] Für \[ F = x + iy, \quad Z = 2Tz, \] wo \(T\) eine Function von \(t\) allein ist, erhalten wir \[ \varphi = x\cos(2Tz) + y\sin\; (2Tz), \quad \psi = -x \sin(2Tz) + y \cos(2Tz). \] Demnach sind die Strömungslinien hier gerade Linien, welche parallel der \((xy)\)-Ebene sind. Bezeichnen wir jetzt mit \(T, T_{1}, T_{2}, T_{3}\) beliebige Functionen der Zeit, so ist für \[ u = T_{2} \cos(2Ty) + T_{3} \sin(2Tz), \] \[ v = T_{3} \cos(2Tz) + T_{1} \sin(2Tx), \] \[ w = T_{1} \cos(2Tx) + T_{2} \sin(2Ty): \] \[ \frac{\frac{\partial w}{\partial y} - \frac{\partial v}{\partial z}}{u} = \frac{\frac{\partial u}{\partial z} - \frac{\partial w}{\partial x}}{v} = \frac{\frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y}}{w} = 2T \] oder \[ \frac{p}{u} = \frac{q}{v} = \frac{r}{w}. \] Bezeichnet jetzt \(\varphi\) eine Function von \(x, y, t\), und ist \[ u = -\frac{\partial \varphi}{\partial y}, \quad v = \frac{\partial \varphi}{\partial x}, \] so wird \[ 2p = \frac{\partial w}{\partial y}, \quad 2q = - \frac{\partial w}{\partial x}, \quad 2r = \frac{\partial^{2} \varphi}{\partial x^2} + \frac{\partial^{2} \varphi}{\partial y^2}. \] Aus der Bedingung \(\frac{p}{u} = \frac{q}{v}\) folgt dann weiter: \[ \frac{\partial w}{\partial y}\;\frac{\partial \varphi}{\partial x} - \frac{\partial w}{\partial x}\;\frac{\partial \varphi}{\partial y} = 0. \] Es ist also \(w\) eine Function von \(\varphi\), \(z\) und \(t\). Und es wird \[ \frac{2p}{u} = \frac{2q}{v} = - \frac{\partial w}{\partial \varphi}. \] Soll nun auch \(\frac{2r}{w}\) diesen Wert haben, so erhält man zwischen \(w\) und \(\varphi\) die Beziehung: \[ \frac{\partial^{2} \varphi}{\partial x^2} + \frac{\partial^{2}\varphi}{\partial y^2} + \tfrac 12\;\frac{\partial w^2}{\partial \varphi} = 0. \] Da \(\varphi\) von \(z\) unabhängig ist, so muss \(w^2\) die Form haben: \[ w^2 = F (\varphi, t) + Z (z, t). \] Jetzt wird vorausgesetzt, dass \(\varphi\) nur von der Entfernung \(\varrho\) von der \(z\)-Axe abhänge. Dann wird die Gleichung zwischen \(\varphi\) und \(w\) \[ \frac{\partial}{\partial \varrho} \left(\varrho\;\frac{\partial \varphi}{\partial \varrho} \right) + \varrho \tfrac 12\;\frac{\partial w^2}{\partial \varphi} = 0. \] Endlich wird die Voraussetzung gemacht, dass \(\varphi = \tfrac 12 \varOmega \varrho^{2}\) wird, \(\varOmega\) constant. Dann ergiebt sich für die Strömungslinien die Gleichung: \[ \varrho = \text{const.}, \text{ arctg}\;\tfrac{y}{x} - \int \frac{\varOmega dz}{\sqrt{Z - 2\varOmega^{2} \varrho^{2}}} = \text{const.}, \quad t = \text{const.} \] Die Bewegungen, deren Existenz durch das eben besprochene Beispiel nachgewiesen ist, nennt der Verfasser Schraubenbewegungen (moti elicoidali). Die Bedingungen \(qw - rv = 0\) oder \[ \left( \frac{\partial u}{\partial z} - \frac{\partial w}{\partial x}\right) w - \left( \frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y} \right) v = 0 \] können wir auch so schreiben: \[ \frac{\partial u}{\partial y}\;v + \frac{\partial u}{\partial z}\;w = \frac{\partial v}{\partial x}\;v + \frac{\partial w}{\partial x}\;w. \] Demnach wird bei den Schraubenbewegungen: \[ \frac{du}{dt} = \frac{\partial u}{\partial t} + \tfrac 12\;\frac{\partial \omega^{2}}{\partial x}, \] \[ \frac{dv}{dt} = \frac{\partial v}{\partial t} + \tfrac 12\;\frac{\partial \omega^{2}}{\partial y}, \] \[ \frac{dw}{dt} = \frac{\partial w}{\partial t} + \tfrac 12\;\frac{\partial \omega^{2}}{\partial z}, \] wo \(\omega^{2} = u^2 + v^2 + w^2\) gesetzt ist. Aus diesen Gleichungen erhalten wir: \[ \frac{\partial}{\partial y}\left( \frac{dw}{dt} \right) - \frac{\partial }{\partial z} \left( \frac{dv}{dt} \right) = 2\;\frac{\partial p}{\partial t}\quad \text{etc.} \] Haben nun die wirkenden Kräfte ein Potential, so muss auch \[ \frac{du}{dt} dx + \frac{dv}{dt} dy + \frac{dw}{dt} dz \] ein vollständiges Differential sein, und folglich müssen die Componenten der Rotationsgeschwindigkeit von \(t\) unabhängig sein. Der Verfasser beweist dann weiter, dass auch \(u, v, w\) in diesem Falle von \(t\) unabhängig sein müssen: ``Eine Schraubenbewegung mit einem Beschleunigungspotential ist notwendig eine stationäre Bewegung''. Den Schluss bilde folgende Bemerkungen: Es ist allgemein \[ \frac{du}{dt} = \frac{\partial u}{\partial t} + \tfrac 12\;\frac{\partial \omega^{2}}{\partial x} + 2\; (qw - rv). \] Ebenso \( \frac{du}{dt} = \frac{\partial u}{\partial t} + \frac{\partial u^2}{\partial x} + \frac{\partial uv}{\partial y} + \frac{\partial uw}{\partial z} - u \left( \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} \right).\) Subtrahirt man, so folgt, wenn \(s = \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z}:\) \[ \frac{\partial (u^2 - \tfrac 12 \omega^{2})}{\partial x} + \frac{\partial uv}{\partial y} + \frac{\partial uw}{\partial z} = su + 2qw - 2rv. \]
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