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Ein neuer hydrodynamischer Wirbelsatz. - MaRDI portal

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Ein neuer hydrodynamischer Wirbelsatz. (Q2579150)

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Ein neuer hydrodynamischer Wirbelsatz.
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    Ein neuer hydrodynamischer Wirbelsatz. (English)
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    1942
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    Wenn \(\mathfrak v\) die Relativgeschwindigkeit auf der rotierenden Erde und \(\mathfrak f\) die Winkelgeschwindigkeit der Erde ist, dann ist \[ \mathfrak W=\mathfrak {rot}\,\mathfrak v+2\mathfrak f \] der doppelte Wirbelvektor in Bezug auf ein ruhendes System. Aus den Grundgleichungen ergibt sich hierfür \[ \frac{\partial \,\mathfrak {rot\, v}}{\partial t}-\mathfrak {rot\, v}\times\mathfrak W=\text{grad}\,p\times\text{grad}\,\sigma,\;\;\sigma =\frac{1}{\varrho }. \] Es sei nun \(\psi =\psi (x,y,z,t)\) eine Eigenschaft, welche für jedes Flüssigkeitselement individuell erhalten bleibt: \[ \frac{d\psi }{dt}=\frac{\partial \psi }{\partial t}+\mathfrak v\,\text{grad}\,\psi =0. \] Wenn man diese Gleichung mit der obigen multipliziert, erhält man auf Grund vektoranalytischer Umformungen: \[ \frac{d}{dt}\,(\sigma \,\mathfrak {W}\,\text{grad}\,\psi )=\sigma (\text{grad}\,p\times\text{grad}\,\sigma )\cdot \text{grad}\,\psi . \] Mathematisch ist dies der wesentlichste Inhalt des neuen Wirbelsatzes. Die rechte Seite läßt sich anschaulich deuten. Die Äquiskalarflächen \(p\), \(\sigma \), \(\psi \) bilden nämlich -- von Einheit zu Einheit gezeichnet -- eine Schar von ``Einheitszellen''. Sei \(V\) das Volumen einer solchen Einheitszelle, dann ist \((\text{grad}\,p\times\text{grad}\,\sigma )\,\text{grad}\,\psi =\dfrac{1}{V}\), also \[ \sigma (\text{grad}\,p\times\text{grad}\,\sigma )\cdot \text{grad}\,\psi =N(p,\sigma,\psi ) \] die Anzahl der im spezifischen Volumen enthalteneu Einheitszellen. Durch Integration über das Volumen \(\tau \) mit der Oberfläche \(\varOmega \) erhält man den neuen Wirbelsatz in Integralform: \[ \frac{d}{dt}\iint \mathfrak W_n\psi d\varOmega =N_m(p,\sigma,\psi ), \] wobei \(N_{m}\) jetzt die Zahl der in der Masse \(m\) von \(\tau \) enthaltenen Einheitszellen ist. Als Spezialfall ergibt sich für \(\psi =\psi (p,\sigma )\) der Erhaltungssatz: \[ \frac{d}{dt}\{\sigma (\mathfrak {rot\,v}+2\mathfrak f)\,\text{grad}\,\psi \}=0. \] Setzt man hierin für \(\psi \) die potentielle Temperatur \(\theta \), \(\mathfrak f = 2\omega \,\sin\, \varphi \cdot \mathfrak k\) und \(\mathfrak {rot\,v}=\xi \mathfrak k\) (\(\mathfrak k\) zum Zenit gerichtet), so erhält man an der Stelle \(x\), \(y\), \(z\) für \(t = 0\) (\(\xi \) verschwinde in diesem Augenblick): \[ \frac{d\xi }{dt}=-2\omega \,\sin\, \varphi \frac{\dfrac{d}{dt}\biggl(\sigma \dfrac{\partial \theta }{\partial z}\biggr)}{\sigma \dfrac{\partial \theta }{\partial z}}=-2\omega \,\sin\, \varphi \,\text{div}_\theta \mathfrak v, \] wobei \(\text{div}_\theta \,\mathfrak v\) die Winddivergenz auf der durch \(x\), \(y\), \(z\) laufenden Fläche konstanter potentieller Temperatur bedeutet. Bei Divergenz auf der Isotropen wird also ein antizyklonaler, bei Konvergenz ein zyklonaler Wirbel eingeleitet.
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