Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Курс механики сплошных сред

..pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
20.58 Mб
Скачать

рестности точки

Я]. Точно так же элементарный объем III

часть области

S),

внещняя относительно iZ>\ равен — n -Uda (/' — <).

Окончательно

получае^

Мы пришли к последнему из выражений (7), которое включает член, вызванный изменением С, и член, вызванный изменением 3>. Первый интеграл из (7) может быть получен применением теоремы Гаусса —Остроградского. Это же выражение выводится через пол­ ную (субстанциональную) производную от С:

 

 

T ^

C d “

- I s ( w + c d i v £ , )

d»-

<9>

Используем полученный

результат для вычисления скорости

и объ­

емного расширения.

 

 

 

 

 

При

С = 1

К равно

объему У0 (&)) области

@)у и в этом частном

случае

имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

^

^

(®) = J^div 17 di>.

 

(10)

Таким образом, div{7 есть скорость объемного расширения дви­ жущейся среды в точке х в момент ty так как интеграл от div U, взятый по движущейся области @> в момент времени /, равен про­ изводной от объема области.

Случай векторно-значных интегралов. Нетрудно найти выражение полной производной интеграла по объему от вектор-функции, исполь­ зуя для этой цели проекции на координатные оси. В частности,

 

T

W

 

- J

» ¥

d ‘’ + L

c

<£' ' > > d<’ -

С

»

II.

1.3. Поток

вектора

через

поверхность. Теорема

2.

Пусть

Ф (t) некоторый

поток, задаваемый функцией

 

 

 

 

 

 

Ф = $

ЕДяс1а,

 

(12)

где /?(х, /) —векторное

консервативное

(соленоидальное) поле

(т. е.

div/? = 0); 2 —часть

связной

поверхности,

изучаемой в движении.

Полная

производная

потока

дается выражением *

 

 

 

 

■ ^ = ^ { ^ + го4(Я /\£ 0 } -» й а .

(13)

Замечание. Если С —замкнутый контур, стягивающий поверх­ ность 2, а т da —элементарная дуга этого контура, направление которой ориентировано положительно относительно нормали л, то, применяя теорему Стокса, можем записать выражение (13) в виде

где (Bt U, а) — смешанное произведение трех векторов. Здесь опять

* Общий случай неконсервативного поля будет рассмотрен в приложениях.

 

 

 

 

ограничимся лишь

очевидными соображ^

 

 

 

 

ниями; строгое доказательство дано в nptf'

 

 

 

 

ложениях.

 

 

 

рассмотрим

п0~

 

 

 

 

 

Для вывода формулы

 

 

 

 

верхность 2 ', совпадающую с 2 в мешен1,

 

 

 

 

 

и найдем разность

 

 

 

 

 

 

ф '_ ф

= $г,Я (х, t')-n' d o '-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t)n d a .

 

 

 

 

 

Отрезки траекторий,

по которым

двИ"

 

Рис. з

 

 

гались

с момента

t

по

момент V точки

 

 

 

 

контура С, стягивающего поверхность 2, обт

разуют

поверхность

2

Три

поверхности

2,

2 '

и

2Ь ограничиваю1*

замкнутую область

 

(рис. 3). Так как поле В

консервативно6

(соленоидальное), то, применяя теорему

Гаусса—

Остроградского»

можно написать

тождество для момента V

 

 

 

 

 

П -п 1d

a ' - J ^

x , t')-n d o - J r

В(х, t')-Nda = 0,

 

где N —единичный

вектор,

нормальный

к

24

и

ориентированный

относительно 3> таким

же, как и п. Тогда

 

 

 

 

Ф '- Ф =

$s (fl(x, t') - B ( x ,

/) ) - « d a - J

Д(х, t')-Ndo.

 

Поделим равенство на ( /'—t) и перейдем к пределу при V —►

Первый

интеграл — V

п da, во втором интеграле элемент

Ndo

поверхности

при

V,

близком к

t, равен (f/Д т) ds(f' — t), так

каК

триэдр направлений U, т,

N — правый *. Можно, таким образом, напи­

сать вклад от второго интеграла:

 

 

 

 

 

 

 

$c #-(<7Ax)ds =

^c (B/\U)-Tdo =

 

rot (ЯД/У)-я da,

 

тем самым формула (13) доказана.

Консервативные поля, вмороженные в движущуюся среду. Принято говорить, что поле вморожено в движущуюся среду, если в любой точке для каждого момента времени

 

 

 

^

+

ro t(^ A t/) = 0,

 

 

 

(14)

где U (х, t) — поле скоростей

данной

среды.

 

 

 

 

 

Согласно (13)

поток вектора

В

через

произвольно выбранную

поверхность,

прослеживаемую

в движении,

остается постоянным

во времени. В

частности, если

в некоторый данный момент /0

поверхность 2 представляет собой поверхность поля,

т. е. поверхность, для которой

в каждой ее точке

вектор

В (х,

/0) служит каса­

тельной, то можно утверждать, что 2 будет оставаться поверхностью

поля В (*, t).

Точно так же, если L представляет собой векторную линию поля В в момент

f0, то она останется таковой,

если

изучать

ее в движении

для

любого момента

* Знак смешанного произведения U, т, N не меняется при изменении направ­ ления вектора U относительно 2. Если в некоторой точке контура С принять V параллельным п} то можно убедиться, что имеет место знак плюс.

времени

t. Таким образом,

можно сказать, и это объясняет употребляемую терми­

нологию,

что линии поля достаются вмороженными в движущуюся среду. Обратно,

если

поток соленоидального

(консервативного)

поля В через произвольно выбран­

ную

поверхность остается

постоянным

при

движении

этой поверхности вместе

с полем, то применение фундаментальной

леммы* дает

немедленно уравнение (14).

Однако фиксация линий поля в среде еще не

подтверждает равенства (14).

II.1.4. Обобщения. Дифференцирование по произвольному полю скоростей. Полная (субстанциональная) производная позволяет изу­ чать (и в этом ее значение) изменение величин, характеризующих определенную частицу движущейся среды. Могут, однако, предста­ виться случаи, когда необходимо проследить эволюцию тех же ве­ личин в точках или частицах, имеющих собственное поле скоростей

W (х, /), отличающееся от поля скоростей U{xyt) частиц среды. Так обстоит дело, например, когда исследуется распространение волн в

непрерывной среде**

с

Через -убудем обозначать дифференцирование по времени, когда

наблюдатель движется вместе с точкой или

системой согласно полю

скоростей

W Очевидно, что с математической точки

зрения

нахож­

дение этой

производной сводится к нахождению полной

производ-

ной, т. е. мы можем заменить операцию d

и поле

U на

б

и W.

Можно, например, написать для функции

 

 

 

 

 

Ж = f - + W - g r a d /

 

 

 

(15)

и для интеграла по объему

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(16)

Необходимо иметь в виду, что в уравнении (16) участвует лишь одна нормальная составляющая w поля W на границе.

Представляет интерес рассмотрение скорости V среды относитель­ но собственного движения, задаваемого полем W, полагая

 

U = v + W

 

(17)

Это позволяет найти связь между

операциями d и

б Например,

 

1 = 1 - +

, л «га'11.

 

С»)

l t a

C d " “ - H

»

Cd‘’ + L

C ,' ' ' > d<’ -

< '°»

Очевидно, что если W = 0,

то

операция-убудет просто частным

дифференцированием

, что соответствует

случаю,

когда точка или

объем покоятся в системе отсчета, относительно которой описывается движение. Тогда V = [/> и уравнение (19) сводится к формуле (7).

*О фундаментальной лемме смотри ниже (11.2).

**Первый пример распространения волн дается в 1.1.3.

Замечание относительно области при­ менения. Полученные результаты и доказа­ тельство, даваемое в приложении, позво­ ляют определить достаточные условия

применимости

найденных формул.

 

Первое равенство

из (7) имеет место в

том случае,

когда функция С и поле U не­

прерывны

и

ограничены в 3),

вместе

со

своими

первыми производными.

Для

по­

лучения

уравнения (16), представляющего

собой общий

случай

второго

уравнения

(7), необходимо применить

теорему Гаус­

са—Остроградского.

Будем

считать,

на­

пример,

что граница дЗ> области 3> пред­

ставляет собой кусочно-гладкую поверх­ ность и что С непрерывна вместе со своими частными производными * в замкнутой области 3) + д3>; к тому же нормальная составляющая w

на дЗ) (определяющая при вычислении

собственное

движение

области ЗУ) также кусочно-непрерывна на дЗ)**.

 

 

 

 

11.1.5.

Случай,

когда

 

функции кусочно-непрерывно дифферент

цируемы. Рассмотрим

для

конкретности

интеграл

по

объему. Фор­

мула (7) была выведена в предположении, что

С(х,

t)

и U(x, t)

непрерывно дифференцируемы в замыкании***

области 3>.

Предположим

теперь,

что

 

область

3> разделена

поверхностью 2

на части 3>х и 3>2 и что С и U и их

производные

(непрерывные и

непрерывно

дифференцируемые в

3>х и 3>2)

терпят

разрыв непре­

рывности при пересечении поверхности 2.

N

обозначим

единичный

Уточним

обозначения

(рис.

4).

Через

вектор,

нормальный к

2

и направленный

внутрь

3)2Уa (J {Р)) будет

означать

скачок

величины f

при пересечении 2 в точке

Р

в направ­

лении вектора N

или,

что

то

же,

разность f (Р+)—f (Я“),

где Р+ и

Р “ —соответственно предел точек

со стороны

3)2 и со стороны 3>v

Через W (Я, t) обозначим

 

скорость

точки Р

и будем

считать, что

точка остается на поверхности разрыва 2 (которую, впрочем, можно

интерпретировать

как

волну).

 

что

в

уравнениях фигурирует лишь

В дальнейшем мы увидим,

одна

нормальная

составляющая скорости

 

W»N точек

поверхно­

сти

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После такого уточнения заметим, что

 

 

 

 

 

 

 

_________

 

S iCdy = Sa)1Cdt,+

Si1C da

 

 

 

 

(20)

 

* Эти условия

могут’быть ослаблены: вполне достаточно,

чтобы частные про­

изводные по пространственным переменным существовали и были интегрируемы в 3).

 

** Можно задать в области 3 )

поле скоростей W, непрерывно дифференци­

руемое, у которого пограничные на дЗУ значения

имели

бы нормальную состав­

ляющую,

равную w.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*** Когда о функции говорят,

что она

непрерывно дифференцируема в замы­

кании области 3), то это означает,

что функция со

своими

первыми

производными

непрерывна в 3) + д3 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образов, приводим к выводу, что с течением времени соб­ ственное движенце S , и определяется перемещением границ. Имеют место равенства а® , = ^ + 2, d2>a = Si + 2. Так как изу­ чается в движении,_ то движение систем St и Sa—это движение

среды (поле скоростей U). Движение поверхности 2 задается полем W, как это было показано выше.

Если обозначить через

и

операции

дифференцирования

по времени собственных движений

£D(1) и

то изучаемая вели­

чина может быть записана

в виде

 

J

где каждое из слагаемых в правой части можно переписать, приме­ няя формулу (16);

^

k Cdt,^ L

^ - dt, + I s ,Ci7nd(T + L C (P '- 0 ^ d a ,

(21)

^

L . С d0~ k

1Г d0 + L CU n d o - ^ C (Р*, t)w da;

(22)

знак минус в последнем выражении связан с тем, что N является еди­ ничным нормальным вектором на поверхности 2, внешним по отно­ шению к S>2. Можно теперь написать

l S a Cd” - L £

d”+ L CP'” d0- S s <c >»’d<’-

<23>

Если использовать относительную скорость в соответствии с оп­

ределением

(17), то выражения (21) и (22) можно переписать в виде

Ж 5а, С

U , {Ж + <Hv (CP)} Л>■-

С (Р -. О V (Р - . () ■N do,

Ж L С

L { ж + « » <РО)]л> + L С <'’*•') V

0 ■

 

Для упрощения записи положим v=*V N, тогда

 

 

жг 5^с du“ L

+ d1v <сс° } du+ ^ сСи>dcr-

 

<24)

Теперь

можно сформулировать теорему.

 

 

Теорема 3. Если объем SD включает поверхность разрыва Б, то

формулы (7) должны быть

заменены на

(24) и (23), в которых w и v

обозначают соответственно нормальную к Б составляющую скорости некоторой точки на Б и нормальную составляющую скорости среды

относительно Б.

Обратим внимание на то, что добавочный член в (23) не зависит от поля U. Отсюда сразу же следует, что уравнение (19) верно и для случая, когда область @) имеет поверхности разрывов. (Нор­ мальную составляющую скорости поверхности разрыва обозначим

через w, чтобы не путать ее со скоростью W , используемой в оп­

ределении оператора

и применении формул (23) при вычислении

производных -jjj- и б/бt в

соотношении (23)).

Имеет место теорема.

 

связывающее дифференцирование по

Теорема 4.

Уравнение (19),

времени полей

скоростей

U и

W,

остается

верным и в случае, когда

область ЗУ включает поверхность

разрыва

непрерывности.

II. 2. ОСНОВНАЯ ЛЕММА ФИЗИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД

Вывод, к которому придем в настоящем параграфе, будет часто использоваться в дальнейшем, и имеет смысл сформулировать его более четко. Но сначала дадим определение.

Определение. Семейство ¥ открытых множеств D некоторой области ЗУ называется плотным в ЗУ, если для любой точки М вну­ три ЗУ и для любой окрестности V этой точки, существует по меньшей мере одно множество D из семейства, расположенное вну­ три V.

Пример. Если ЗУ— некоторая трехмерная область, то множество всех шаров внутри ЗУ является плотным семейством в области ЗУ- Так же обстоитдело и для

всех кубиков, грани которых параллельны

координатным осям. Определение при­

менимо также и к случаю,

когда

ЗУ— поверхность или отрезок кривой линии.

В последнем случае, если

дуга ЗУ задается криволинейной абсциссойs (а < s < Ь),

то множество криволинейных отрезков

<

s <

s2является плотным семейством ¥

в области ЗУ, если только а <

<

s2 <

b и

Si и sa— рациональные числа. Во

всех этих случаях совокупность всех открытых множеств из ЗУ составляет семей­ ство ¥* плотное в ЗУ-

Теперь можно сформулировать основную лемму.

 

 

 

и не­

Лемма. Пусть

<р(М) — некоторая

функция,

определенная

прерывная в области ЗУ,

а

семейство ¥

является

плотным

в ЗУ.

Если для любого D из ¥

интеграл

от <p(M)

по

области D

равен

нулю, то функция

ср (М) тождественно

равна

нулю

в ЗУ.

 

 

Здесь под интегралом

следует понимать объемный,

поверхност­

ный или, наконец, криволинейный интеграл в зависимости

от того,

является ЗУ объемом, поверхностью или отрезком

кривой

линии.

Для каждого из этих случаев основная

гипотеза

леммы формули­

руется следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$D<pdt> = 0;

$о ф<1ст=0;

$£><pcis = 0.

 

 

 

(25)

 

 

Доказательство

очень

просто. Предполо­

 

жим,

что ЗУ — трехмерная область.

Если в

 

некоторой точке М () внутри ЗУ функция ф(М0)

 

отлична от нуля (ф (Л40) >

0),

то

в

силу не­

 

прерывности

ф можно найти для М0 окрест­

 

ность V, такую,

что

ф (М) в V

будет

боль­

 

ше,

чем 7 2 ф (М0). Пусть

теперь D неко­

 

торое множество из семейства ¥ , располо­

 

женное внутри

V (рис.

5).

Интеграл

от ф

Рис. 5

по области D ограничен

снизу строго

поло-

жительным числом 7 а <p(Af0)vol(D), где vol(D) —объем V. Это, однако, противоречит гипотезе (25). Такие же рассуждения можно применить и к случаю поверхности или отрезка кривой.

- Естественно, вывод не изменится, если ср —некоторая векторфункция, непрерывная в D. В этом случае достаточно применить лемму к компонентам вектор-функции по осям координат.

11.3. ОБЩИЕ СЛЕДСТВИЯ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ

Итак, будем считать, что закон сохранения (1) справедлив в

любой области

лежащей внутри изучаемой системы S,

и сде­

лаем из этого некоторые

выводы. Если не будет оговорено

обрат­

ное, будем считать, что уравнение (1) применимо ко всем областям S),

лежащим в тех

частях

пространства, где £7(х,/), Л (х, /),

4(х, t)

непрерывно дифференцируемы. Предположим также, что ос(дс, t , п)— некоторая функция, непрерывно дифференцируемая по своим аргу­

ментам. Случай,

когда эти функции кусочно-непрерывно дифферен­

цируемы, рассмотрен

в

11.3.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.3.1.

Закон

поверхностных взаимодействий. Теорема 1. Вели­

чина ос

является

нечетной функцией аргумента п , иначе говоря

 

 

 

 

«(х, t, п) = а(х, t,

—л).

 

 

 

 

 

(26)

Будем рассуждать, фиксируя момент времени t. Пусть Р

и N

соответственно точка и выходящий из нее луч, для

которых

необ­

ходимо доказать

соотношение (26). Рассмотрим плоскость П, про­

ходящую через точку Р перпендикулярно N, и область S)0, содер­

жащую Р и образующую при пересечении с

плоскостью П поверх­

ность

2 0, на

которой

все

величины непрерывно дифференцируемы.

Пусть,

наконец,

£Й> —область внутри й>0, при пересечении с которой

плоскость П дает поверхность 2, содержащуюся

в 2 0.

 

 

Плоскость

П

делит

 

на

части

&)х и

й)а. Употребим те же

обозначения, что

в II. 1.5

и

на

рис.

4.

Запишем

соотношение (1)

последовательно

в Й>1Эй)а и S), помня, что — N единичный вектор

нормали, направленный

вне 3)2 в

некоторой

точке

2.

Получаем:

 

Ш S A d i dv + L

а ' W

+

1 *

 

(Л°

d a “

I

A A ‘ dV’

 

 

a? I *

/ *

d o +

L

a «-(n) d° +

U

a ‘ {~

m

d a ~

L

A{ dv>

 

 

 

 

 

 

^ o j ‘ d v + S ^ a ‘ (n)da=sL Aid°-

 

Складывая

первые

два

равенства

и

вычитая

из

результата

третье, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ss {«i(W + «/ (-A 0 } d a = 0.

 

 

 

 

(27)

По построению, поверхности 2, вместе взятые,

 

составляют не­

которое плотное

семейство,

входящее

в 2 0,

и,

по предположению,

подынтегральное выражение в фигурной скобке

в (27) —непрерыв­

ная в 2 0 функция. Согласно

основной

лемме эта

величина тожде­

Wa*d0=W °

(не невидимых гранях а я не пока-

ственно

равна нулю в

2 0 и, в частно­

сти, в

точке Р.

Таким

образом,

тео­

рема доказана.

смысл полученного ре­

Физический

зультата станет

яснее,

когда в

двух

последующих главах мы уточним при­ роду величин, входящих в закон со­ хранения. Здесь же заметим, что сде­ ланный вывод и доказательство пол­ ностью идентичны выводу и доказа­ тельству теоремы действия и противо­ действия из общей механики.

II.3.2. Ассоциированное уравнение

вчастных производных. Введем сле­

дующие обозначения: пусть

е19 е2, е3 —

единичные векторы базиса

декартовой

системы координат xh тогда

 

а,.(х, t, eJ) = ai / (x,

t).

(28)

Пока будем считать, что это всего лишь обозначение: величины а,7 представляют девять функций, зависящих от выбранной декар­ товой системы координат, и пока неизвестно, представляет матрица,

составленная из

ai/9 тензор

или

нет в данной

системе координат.

Выпишем для

фиксированного

момента времени t

закон

сохра­

нения (1) применительно к лежащему внутри

@)0 прямоугольному

параллелепипеду

ребра которого параллельны осям координат.

Напомним, что внутри области @)0, принадлежащей системе S, изу­

чаемые функции

считаются

непрерывно дифференцируемыми.

Еди­

ничный вектор нормали л,

направленный

вне Э*9 в

любой

точке

на гранях

(кроме ребер) представляет собой один из

трех векторов

± e i9 ± е а,

± е 3,

и можно легко

проверить

(рис. 6) с учетом

усло­

вия (28), что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\ d5>ai do = \ dg>aiJnJ Aa.

 

 

(29)

Применяя теперь теорему Гаусса —Остроградского, можно на­ писать

Wa ' da== $j»e/ / . / d®*

ис учетом (7) представить уравнение (1) в виде

15» {^Г + № /> • 1+ аИ. у - Л/} = 0.

(30)

Это равенство справедливо для всех параллелепипедов 5», со­ держащихся в £2)0 и образующих в этой области плотное семейство, причем выражение в фигурных скобках есть функция, непрерыв­ ная в £>„. Основная лемма позволяет теперь сформулировать сле­ дующую теорему.

Теорема 2. Функции А {, А{ и a{J удовлетворяют во всех точках системы S, где они имеют непрерывные производные, системе урав­ нений в частных производных

 

(c/£,-t/y+ Д//), j = А{-

(31)

Система (31)

(i, /= 1 , 2, 3) —представляет собой

систему урав­

нений в частных

производных, соответствующую закону сохране­

ния (1).

 

 

Обратим внимание на то, что левая часть равенства есть сумма частных производных по переменным Эйлера, в то время как пра­ вая часть считается известной (в частности, она равна нулю, если заданная функция А( в свою очередь равна нулю). Уравнение, об­ ладающее такими свойствами, называется уравнением сохранения в частных производных.

Следствие. Для всякой

области

й>, входящей в @)0,

имеет место

равенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Saii<a ' _ a '-/V>dCT = 0-

 

 

 

 

(32)

Обратно, если уравнение (31) справедливо в любой точке области й>0,

а уравнение

(32) —для

любой

области

3> внутри @>Qy то закон,

формулируемый равенством (1), справедлив для любой области 3>.

Утверждение очевидно, так

 

как

согласно

теореме

Гаусса —Остро­

градского и уравнениям

(7)

и (31)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ши * 1dt’+ U

a'Vn/ dCT =

I s A d»-

 

 

 

 

(33)

Заметим,

что

уравнение (32) представляет собой обобщение урав­

нения (29) на случай произвольной области 3>.

изучением

величи­

II.3.3.

Тензор плотности потока.

 

Займемся

ны а как функции нормали

п

и

определим природу

величин

а(/.

Начнем с того,

 

что расширим определения величины а

на векторы

не обязательно

единичной

длины,

положив

 

 

 

 

 

 

 

 

а

(х,

t, Xri) =

Ха (х,

/, я),

 

 

 

 

(34)

где я —единичный вектор,

 

а

?t—действительное

число.

Обратим

внимание на то, что (34) вполне согласуется с (26). Теперь можно

сформулировать

теорему.

 

 

 

 

 

и —произвольный

 

 

Теорема

3.

Функция

а ( х ,/, и),

где

вектор,

является линейной функцией от я и определяет

в

любой

момент

времени / и в

любой точке

системы

S

тензор а,

называемый

тен­

зором плотности потока, соответствующий закону

сохранения

(1),

соответствие определяется

отображением

и >а(и).

В

системе ко­

ординат Х( этот тензор представлен

матрицей ai/t

следовательно*,

_________

 

 

a i (х, t, и) = al7 (х, t) Uj.

 

 

 

 

(35)

* Некоторые авторы записывают это

в виде a/ = ayj-Wy,

что

означает линей­

ное отображение и >а. При этом используется

не данная, а транспонированная

матрица. Этот путь

вполне законен, но будем придерживаться

обозначений, ко­

торыми пользуются

математики. (См.,

например,

П1.2.1а.)

 

 

 

 

 

 

Пусть

в фиксированный момент

 

времени t даны точка Р и проходя­

 

щий через нее единичный

вектор N.

 

Докажем

теорему,

пользуясь

этими

 

данными;

покажем,

что

 

 

 

 

 

 

a i = t a i j N j .

 

 

(36)

 

Рассмотрим снова плоскость П, про­

 

ходящую через точку Р перпенди­

 

кулярно

вектору N, и область

S>ot

 

сечение которой плоскостью П дает

Т: А ХА %А Л,

поверхность

2 0 (включающую точку

Р) (рис.

7).

 

 

 

 

 

Т: CAt A t + C A t A a+

 

 

внутри

об­

+ С А ЬА ,

Пусть

ST — тетраэдр

{

ласти S),

у

которого

три

ребра

параллельны координатным осям и, следовательно, три прямых

угла. Одна

из

граней тетраэдра Т

(гипотенуза)

лежит

внутри 2 0.

Положим

д<&~ = Т -\-Т , так

что Г

будет

объединением

граней,

параллельных

координатным

плоскостям.

Согласно

определе­

нию (28) можно написать, как

и для

уравнения

(29),

 

 

 

 

(ai —atjtij) da = 0.

 

 

 

 

 

Применяя равенство (32) к тетраэдру <^Г, имеем

 

 

 

 

 

(а /—aijNj) da = 0.

 

 

 

 

(37)

Множество треугольников Г, получающихся друг из друга пре­

образованиями подобия и переносом, образует в

2 0

плотное семей­

ство, в то время как подынтегральная функция

в

(37)

по

предпо­

ложению непрерывна на 20. Из основной леммы в этом случае сле­

дует,

что равенство (36) справедливо в любой точке на 2 0 и, в част­

ности,

в точке

Р

и (35) обобщают все

полученные до

Заметим, что уравнения (31)

сих пор результаты. С другой

стороны, так как из

(35) следует,

очевидно, (32),

то можно сформулировать следующую теорему.

Теорема 4.

Если непрерывно дифференцируемые в 3)0* функции

v^( (x, /), Л(х, /), Д/у(х, t) удовлетворяют уравнениям (31), а вектор а определяется уравнениями (35), то закон сохранения (1) тождественно справедлив для любой области 3> внутри 2>0.

11.3.4. Условия на разрывах. Предположим теперь, что поле скоростей U и все величины, участвующие в формулировке закона сохранения, всего лишь кусочно-дифференцируемы. Таким образом, все функции вместе со своими производными терпят разрыв при пересечении некоторой поверхности, называемой поверхностью раз­ рыва. Будем считать, что касательная плоскость к поверхности раз­

* Понятно, что результат не изменится, если в отношении функции Л/ огра­ ничиться только непрерывностью.