Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

3.7 Generalised dynamics

79

 

 

3.7 Generalised dynamics Lagrangian dynamics

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

action (δS = 0 for the motion)

 

Action

 

 

 

S = t1

 

L(q,q˙,t) dt

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.213)

q˙

generalised velocities

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

generalised coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

Lagrangian

 

Euler–Lagrange

 

 

 

 

d

 

 

 

∂L

 

 

 

 

 

 

 

 

∂L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.214)

m

mass

 

 

3

equation

 

 

 

 

dt

∂q˙i

∂qi

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

time

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

velocity

 

 

Lagrangian of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

U(r,t)

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.215)

 

 

 

 

 

L =

 

 

mv

 

 

 

 

 

 

 

 

r

position vector

 

 

particle in

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

external field

 

 

 

 

 

= T U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.216)

U

potential energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

kinetic energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m0

(rest) mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Relativistic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m0c2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

Lorentz factor

 

Lagrangian of a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L = −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e(φA · v)

 

 

(3.217)

+e

positive charge

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

charged particle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

electric potential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

magnetic vector potential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Generalised

 

 

 

pi =

∂L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.218)

pi

generalised momenta

 

 

momenta

 

 

 

∂q˙i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hamiltonian dynamics

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

Lagrangian

 

Hamiltonian

H =

 

piq˙i

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.219)

p

generalised momenta

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q˙ii

generalised velocities

 

Hamilton’s

 

 

 

∂H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

Hamiltonian

 

 

equations

q˙i =

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

p˙i = −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.220)

 

 

 

∂pi

 

 

 

 

 

 

 

 

∂qi

 

 

 

 

 

 

 

 

qi

generalised coordinates

 

 

Hamiltonian

H =

1

mv

2

+ U(r,t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.221)

v

particle speed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

position vector

 

 

of particle in

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

potential energy

 

 

external field

 

= T + U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.222)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

kinetic energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m0

(rest) mass

 

Relativistic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

speed of light

 

 

Hamiltonian

 

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

of a charged

H = (m0c

 

+

|p eA|

 

c )

 

 

 

+

(3.223)

+e

positive charge

 

particle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

electric potential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

vector potential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂f ∂g

 

 

∂f ∂g

 

 

 

 

 

 

 

 

[f,g] =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.224)

p

particle momentum

 

 

 

i

 

 

∂qi

∂pi

∂pi

∂qi

 

 

Poisson

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂g

 

 

 

t

time

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f,g

arbitrary functions

 

 

brackets

[qi,g] = ∂pi ,

 

 

 

 

 

 

 

 

[pi,g] = − ∂qi

(3.225)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,·]

Poisson bracket (also see

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂g

 

 

 

 

 

 

 

dg

 

 

 

 

 

 

 

[H,g] = 0

 

 

 

 

if

 

 

 

 

 

= 0,

 

= 0

(3.226)

 

Commutators on page 26)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hamilton–

 

∂S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jacobi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

action

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t + H qi, ∂qi ,t = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.227)

 

 

equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

80

Dynamics and mechanics

 

 

3.8Elasticity

Elasticity definitions (simple)a

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

τ

stress

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

Stress

τ = F/A

(3.228)

F

applied force

 

 

 

 

 

A

cross-sectional

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

area

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

strain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strain

e = δl/l

(3.229)

δl

change in length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Young modulus

E = τ/e = constant

(3.230)

E

Young modulus

 

 

 

 

 

(Hooke’s law)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

Poisson ratio

 

 

 

 

 

 

δw/w

 

 

 

 

 

 

Poisson ratiob

 

δw

change in width

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ = − δl/l

(3.231)

 

 

 

 

 

 

w

width

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aThese apply to a thin wire under longitudinal stress.

bSolids obeying Hooke’s law are restricted by thermodynamics to −1 ≤ σ ≤ 1/2, but none are known with σ < 0. Non-Hookean materials can show σ > 1/2.

Elasticity definitions (general)

Stress tensora

τij =

force i direction

 

 

(3.232)

τij

stress tensor (τij = τji)

 

 

area j direction

 

 

 

 

 

1

 

 

 

∂uk

 

 

∂ul

 

 

 

 

 

 

 

ekl

strain tensor (ekl = elk)

Strain tensor

ekl =

 

 

 

+

 

 

 

 

 

(3.233)

uk

displacement to xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

∂xl

∂xk

 

 

 

 

 

 

xk

coordinate system

Elastic modulus

τij = λijklekl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.234)

λijkl

elastic modulus

Elastic energyb

U =

1

 

λijkleij ekl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.235)

U

potential energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume strain

 

δV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ev

volume strain

ev =

 

 

+ e33

(3.236)

 

 

(dilatation)

 

V

 

= e11 + e22

δV

change in volume

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

volume

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Shear strain

ekl = (ekl

 

evδkl)+

 

 

evδkl

(3.237)

 

 

3

3

δkl

Kronecker delta

Hydrostatic

 

)

 

 

 

*+

 

 

,

)

 

*+

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pure shear

 

 

dilatation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

compression

τij = −ij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.238)

p

hydrostatic pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aτii are normal stresses, τij (i = j) are torsional stresses.

bAs usual, products are implicitly summed over repeated indices.

Ml

3.8 Elasticity

81

 

 

Isotropic elastic solids

 

µ =

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.239)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lame´ coe cients

2(1 + σ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.240)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 + σ)(1 − 2σ)

 

 

 

 

Longitudinal

Ml =

 

 

E(1

σ)

 

 

= λ+ 2µ

(3.241)

modulusa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 + σ)(1 − 2σ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

[τii

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eii =

 

σ(τjj + τkk)]

(3.242)

Diagonalised

E

τii = Ml eii +

 

 

 

σ

(ejj + ekk)

(3.243)

equationsb

 

 

1 − σ

 

t = 2µe + λ1tr(e)

 

 

 

 

(3.244)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K =

 

 

 

E

 

 

 

 

= λ+

2

µ

(3.245)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bulk modulus

3(1 − 2σ)

3

(compression

1

 

 

 

 

 

 

 

1 ∂V

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KT

= − V ∂p

 

 

 

 

 

(3.246)

modulus)

 

 

 

 

 

 

 

p = Kev

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.247)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Shear modulus

µ =

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.248)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(1 + σ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(rigidity modulus)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τT = µθsh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.249)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Young modulus

E =

 

 

 

 

9µK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.250)

µ+ 3K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Poisson ratio

σ =

 

 

 

3K − 2µ

 

 

 

 

 

 

 

(3.251)

 

 

 

 

 

2(3K + µ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ,λ Lame´ coe cients

EYoung modulus

σPoisson ratio

longitudinal elastic modulus

eii

strain in i direction

3

τii

stress in i direction

 

estrain tensor

tstress tensor

1 unit matrix tr(·) trace

Kbulk modulus

KT isothermal bulk modulus

Vvolume

ppressure

Ttemperature

ev volume strain

µshear modulus

τT

transverse stress

θsh

shear strain

τT

θsh

aIn an extended medium.

bAxes aligned along eigenvectors of the stress and strain tensors.

Torsion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

Torsional rigidity

 

 

 

 

 

 

 

G

twisting couple

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

torsional rigidity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(for a

G = C

φ

(3.252)

l

rod length

 

 

a

homogeneous

 

 

 

 

 

 

φ

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

rod)

 

 

 

 

 

 

 

φ

twist angle in

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

length l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

radius

 

 

 

 

 

 

Thin circular

C = 2πa3µt

 

 

 

 

 

 

 

(3.253)

t

wall thickness

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cylinder

 

 

 

 

 

 

 

µ

shear modulus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thick circular

C =

1

µπ(a24 a14)

(3.254)

a1

inner radius

 

 

 

 

 

 

cylinder

2

a2

outer radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

cross-sectional

 

A

 

 

 

 

Arbitrary

 

4A2µt

 

 

 

 

 

 

 

C =

(3.255)

 

area

 

 

 

 

 

 

thin-walled tube

 

 

P

P

perimeter

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Long flat ribbon

C =

1

µwt3

(3.256)

w

cross-sectional

 

 

 

 

 

 

3

 

width

 

w

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

82

Dynamics and mechanics

 

 

Bending beamsa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gb

bending moment

 

 

 

 

E

 

ξ2 ds

 

 

 

 

E

Young modulus

 

Gb =

 

 

 

 

(3.257)

Rc

radius of curvature

 

 

 

 

 

 

 

 

Bending

 

 

 

Rc

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

area element

moment

=

EI

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.258)

ξ

 

distance to neutral

 

Rc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

surface from ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

moment of area

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

displacement from

Light beam,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!x

 

 

 

 

horizontal

horizontal at

 

 

W

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

W

end-weight

x = 0, weight

y = 2EI

 

l 3

 

(3.259)

 

 

l

 

beam length

at x = l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

distance along beam

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Heavy beam

 

d4y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

beam weight per

EI dx4 = w(x)

 

 

 

 

(3.260)

 

 

unit length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π2EI/l2

 

 

 

 

(free ends)

 

 

 

Euler strut

Fc = 4π2EI/l2

 

 

(fixed ends)

F

c

critical compression

 

 

 

force

failure

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EI/(4l

)

 

(1 free end)

l

 

strut length

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.261)

 

 

 

aThe radius of curvature is approximated by 1/Rc d2y/dx2.

ds

ξ

neutral surface

(cross section)

x

y

W

free

Fc Fc

fixed

Elastic wave velocitiesa

 

vt = (µ/ρ)1/2

 

(3.262)

In an infinite

vl = (Ml)1/2

(3.263)

isotropic solidb

 

vl

2

2σ

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

=

1

2σ

 

(3.264)

 

 

vt

 

 

 

 

 

 

 

In a fluid

vl = (K/ρ)1/2

 

(3.265)

On a thin plate (wave travelling along x, plate thin in z)

 

 

vl(x) =

 

 

E

 

1/2

(3.266)

 

 

ρ(1

σ2)

 

k

v(y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

= (µ/ρ)1/2

 

(3.267)

 

t

= k

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

Et2

1/2

y

vt(z)

 

 

(3.268)

 

12ρ(1 − σ2)

 

 

vl = (E/ρ)1/2

 

 

 

(3.269)

In a thin circular

vφ = (µ/ρ)1/2

 

 

 

(3.270)

rod

 

ka

 

E

1/2

 

 

 

 

 

vt =

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.271)

 

 

2

ρ

 

 

 

vt

speed of transverse wave

vl

speed of longitudinal wave

µshear modulus

ρdensity

Ml

longitudinal modulus

 

 

!

 

=

E(1−σ)

 

 

(1+σ)(1−2σ)

Kbulk modulus

vl(i)

speed of longitudinal

 

wave (displacement i)

vt(i)

speed of transverse wave

 

(displacement i)

EYoung modulus

σPoisson ratio

kwavenumber (= 2π/λ)

tplate thickness (in z, t λ)

vφ torsional wave velocity a rod radius ( λ)

aWaves that produce “bending” are generally dispersive. Wave (phase) speeds are quoted throughout.

bTransverse waves are also known as shear waves, or S-waves. Longitudinal waves are also known as pressure waves, or P-waves.

3.8 Elasticity

83

 

 

Waves in strings and springsa

 

 

 

vl

speed of longitudinal wave

 

In a spring

vl = (κl/ρl)1/2

(3.272)

κ

spring constantb

 

 

 

 

l

spring length

 

 

 

 

ρl

mass per unit lengthc

 

On a stretched

vt = (T /ρl)1/2

(3.273)

vt

speed of transverse wave

 

string

 

 

T

tension

 

 

 

 

 

 

 

On a stretched

vt = (τ/ρA)1/2

(3.274)

τ

tension per unit width

3

sheet

 

 

ρA

mass per unit area

aWave amplitude assumed wavelength. bIn the sense κ = force/extension.

cMeasured along the axis of the spring.

Propagation of elastic waves

Acoustic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

force

 

 

 

=

F

(3.275)

 

 

Z = response velocity

u˙

Z

impedance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

impedance

 

 

= (E ρ)1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

stress force

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.276)

u

strain displacement

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v =

E

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

Wave velocity/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

elastic modulus

impedance

 

 

if

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

(3.277)

ρ

density

relation

then

 

 

 

 

Z = (E ρ)1/2 = ρv

 

(3.278)

v

wave phase velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mean energy

U

=

 

1

E k2u2

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.279)

U

energy density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wavenumber

density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

1

ρω2u02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

angular frequency

(nondispersive

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.280)

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

waves)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u0

maximum displacement

P = Uv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.281)

P

mean energy flux

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r =

ur

=

τr

=

Z1 Z2

 

(3.282)

r

reflection coe cient

Normal

 

 

 

 

 

 

 

 

ui

 

 

τi

 

Z1 + Z2

 

 

t

transmission coe cient

coe cientsa

 

 

 

 

 

 

2Z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.283)

 

 

 

t = Z1 + Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

τ

stress

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θi

angle of incidence

 

 

sinθi

 

 

 

sinθr

 

 

 

sinθt

 

 

 

 

 

Snell’s lawb

 

=

=

 

 

 

(3.284)

θr

angle of reflection

 

 

 

 

 

 

 

 

vi

 

 

 

 

 

 

vr

 

 

 

vt

 

 

 

θt

angle of refraction

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aFor stress and strain amplitudes. Because these reflection and transmission coe cients are usually defined in terms of displacement, u, rather than stress, there are di erences between these coe cients and their equivalents defined in electromagnetism [see Equation (7.179) and page 154].

bAngles defined from the normal to the interface. An incident plane pressure wave will generally excite both shear and pressure waves in reflection and transmission. Use the velocity appropriate for the wave type.

84 Dynamics and mechanics

3.9 Fluid dynamics Ideal fluidsa

 

 

∂ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

density

Continuityb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

fluid velocity field

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t + · (ρv) = 0

 

 

(3.285)

 

 

 

 

t

time

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Γ

circulation

 

Γ =

 

v

·

dl = constant

(3.286)

dl

loop element

Kelvin circulation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

element of surface

 

 

 

= S ω · ds

 

 

 

(3.287)

 

bounded by loop

 

 

 

 

 

 

ω

vorticity (= ×v)

 

 

∂v

+ (v

·

)v =

p

+ g

(3.288)

p

pressure

 

 

 

 

 

Euler’s equationc

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

g

gravitational field

 

or

 

 

( ×v) = ×[v×( ×v)]

(3.289)

 

strength

 

 

 

 

 

 

(v · )

advective operator

 

 

 

∂t

Bernoulli’s equation

 

1

ρv2 + p+ ρgz = constant

(3.290)

z

altitude

(incompressible flow)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

ratio of specific heat

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bernoulli’s equation

 

 

v

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ gz = constant

(3.291)

 

capacities (cp/cV )

2

 

 

 

 

 

− 1

 

 

(compressible

 

1

 

 

 

γ

ρ

 

 

 

 

cp

specific heat capacity

adiabatic flow)d

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

at constant pressure

= 2 v

 

+ cpT + gz

(3.292)

 

 

 

T

temperature

Hydrostatics

p = ρg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.293)

 

 

Adiabatic lapse rate

 

dT

= −

 

g

 

 

 

 

 

 

(3.294)

 

 

(ideal gas)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

cp

 

 

 

 

 

 

 

 

aNo thermal conductivity or viscosity. bTrue generally.

cThe second form of Euler’s equation applies to incompressible flow only. dEquation (3.292) is true only for an ideal gas.

Potential flowa

Velocity potential

v = φ

 

 

 

 

(3.295)

v

velocity

 

2

φ = 0

 

 

 

 

(3.296)

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

velocity potential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

vorticity

 

ω = ×v = 0

 

 

 

 

Vorticity condition

 

 

 

(3.297)

F

drag force on moving

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sphere

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

sphere radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Drag force on a

 

2

 

πρa3u˙

= −

1

 

 

u˙

sphere acceleration

sphereb

F = −

 

 

 

Mdu˙

(3.298)

 

 

3

2

ρ

fluid density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Md

displaced fluid mass

aFor incompressible fluids.

bThe e ect of this drag force is to give the sphere an additional e ective mass equal to half the mass of fluid displaced.

3.9 Fluid dynamics

85

 

 

Viscous flow (incompressible)a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τij

fluid stress tensor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂vi

 

 

∂vj

 

 

 

p

hydrostatic pressure

 

 

Fluid stress

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

(3.299)

vi

velocity along i axis

 

 

τij = −ij + η ∂xj

∂xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

shear viscosity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δij

Kronecker delta

 

 

 

 

∂v

+ (v

·

)v =

p

 

η

×

ω + g

(3.300)

v

fluid velocity field

 

 

Navier–Stokes

 

∂t

 

ρ

ρ

 

 

ω

vorticity

 

3

equationb

 

 

 

 

=

p

 

+

η

 

2v + g

(3.301)

g

gravitational acceleration

 

 

 

 

 

 

 

ρ

ρ

density

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kinematic

ν = η/ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.302)

ν

kinematic viscosity

 

 

viscosity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aI.e., · v = 0, η = 0.

bNeglecting bulk (second) viscosity.

Laminar viscous flow

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vz

flow velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Between

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂p

 

 

 

z

direction of flow

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(hy)

(3.303)

y

distance from

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

parallel plates

vz(y) =

2η

∂z

 

 

 

plate

 

 

h

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

shear viscosity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

∂p

 

 

r

distance from

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vz(r) =

 

 

 

 

(a r

 

)

 

 

(3.304)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Along a

4η

 

∂z

 

pipe axis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

circular pipea

 

dV

 

 

 

 

πa

4

 

∂p

 

 

 

 

 

a

pipe radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =

=

 

 

 

 

(3.305)

 

r

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

volume

 

 

 

 

 

 

dt

 

8η

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Circulating

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gz

axial couple

 

 

 

 

 

 

 

 

 

between

 

 

 

4πηa12a22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

between cylinders

 

 

 

 

 

 

 

 

 

concentric

Gz =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ω2 ω1)

 

 

 

per unit length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rotating

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.306)

ωi

angular velocity

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cylindersb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

of ith cylinder

 

 

ω1

 

 

a2

Along an

Q =

 

π ∂p

 

a24

a14

 

 

(a22

a12)2

 

a1

inner radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

outer radius

 

 

ω2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

annular pipe

8η ∂z

 

 

 

 

 

ln(a2/a1)

Q

volume discharge

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.307)

 

rate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aPoiseuille flow.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bCouette flow.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Draga

On a sphere (Stokes’s law)

F = 6πaηv

(3.308)

F

drag force

a

radius

 

 

 

 

 

 

v

velocity

On a disk, broadside to flow

F = 16aηv

(3.309)

η

shear viscosity

 

 

 

 

 

 

 

 

On a disk, edge on to flow

F = 32aηv/3

(3.310)

 

 

 

 

 

 

 

aFor Reynolds numbers 1.

86 Dynamics and mechanics

Characteristic numbers

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Re

Reynolds number

Reynolds

 

 

 

ρUL

 

inertial force

 

ρ

density

Re =

 

 

 

 

number

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

(3.311)

U

characteristic velocity

 

 

 

 

η

 

 

viscous force

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

characteristic scale-length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

shear viscosity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Froude

F =

U2

 

 

 

 

 

 

 

inertial force

 

F

Froude number

numbera

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

(3.312)

g

gravitational acceleration

Lg

gravitational force

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strouhal

S =

=

 

evolution scale

(3.313)

S

Strouhal number

numberb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

physical scale

τ

characteristic timescale

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

Prandtl number

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prandtl

P =

ηcp

 

=

 

momentum transport

(3.314)

cp

Specific heat capacity at

number

 

λ

 

 

 

 

 

heat transport

 

constant pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

thermal conductivity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mach

M =

U

=

 

 

 

 

speed

(3.315)

M

Mach number

number

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

sound speed

c

sound speed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rossby

Ro =

U

 

 

 

inertial force

 

Ro

Rossby number

number

 

=

 

 

(3.316)

 

 

L

Coriolis force

angular velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aSometimes the square root of this expression. L is usually the fluid depth. bSometimes the reciprocal of this expression.

Fluid waves

 

vp =

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

vp

wave (phase) speed

 

K

 

1/2

dp

 

1/2

 

K

bulk modulus

Sound waves

 

 

 

 

 

 

 

(3.317)

p

pressure

ρ

 

 

dρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

density

In an ideal gas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

ratio of heat capacities

 

 

 

 

 

 

γRT

 

1/2

 

 

γp 1/2

 

R

molar gas constant

(adiabatic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vp =

 

µ

 

 

 

 

 

= ρ

(3.318)

T

(absolute) temperature

conditions)a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

mean molecular mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vg

group speed of wave

 

ω2 = gktanhkh

 

 

 

 

(3.319)

h

liquid depth

Gravity waves on

 

 

 

 

 

1

 

 

g 1/2

 

(h λ)

 

λ

wavelength

a liquid surfaceb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

wavenumber

vg

2

 

 

k

 

 

 

(3.320)

 

 

 

(gh)1/!2

 

 

 

(h

 

λ)

 

g

gravitational acceleration

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

angular frequency

Capillary waves

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

2

=

σk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.321)

σ

surface tension

(ripples)c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capillary–gravity

ω2 = gk +

σk3

 

 

 

 

(3.322)

 

 

waves (h λ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

aIf the waves are isothermal rather than adiabatic then vp = (p/ρ)1/2. bAmplitude wavelength.

cIn the limit k2 gρ/σ.

3.9 Fluid dynamics

87

 

 

Doppler e ecta

Source at rest,

ν

 

 

 

 

 

|u|

 

 

 

ν ,ν observed frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

emitted frequency

observer

 

= 1

 

 

cosθ

(3.323)

 

 

 

 

 

moving at u

ν

 

 

vp

 

vp

wave (phase) speed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in fluid

Observer at

ν

=

 

 

1

(3.324)

u

velocity

rest, source

ν

 

 

 

 

|u|

 

θ

angle between

1

 

 

cosθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

moving at u

 

 

 

 

 

vp

 

 

wavevector, k, and u

aFor plane waves in a stationary fluid.

Wave speeds

 

 

 

 

 

 

 

 

vp

phase speed

 

 

 

ω

 

 

ν

frequency

 

 

 

 

 

 

 

Phase speed

vp =

 

= νλ

(3.325)

ω

angular frequency (= 2πν)

k

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

wavelength

 

 

 

 

 

 

 

 

k

wavenumber (= 2π/λ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vg =

 

dω

 

(3.326)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Group speed

 

dk

 

vg

group speed

 

 

 

 

 

dvp

 

 

= vp λ

(3.327)

 

 

 

dλ

 

 

k

θ

u

3

Shocks

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vp

 

 

 

 

 

 

 

 

θw

wedge semi-angle

Mach wedgea

sinθw =

 

 

 

 

 

 

 

(3.328)

vp

wave (phase) speed

vb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vb

body speed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kelvin

 

λK =

4πvb2

 

 

 

 

 

(3.329)

λK

characteristic

 

 

3g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wavelength

wedgeb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θw = arcsin(1/3) = 19.5

 

(3.330)

g

gravitational

 

 

 

 

acceleration

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

shock radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical

 

 

 

 

Et2

 

 

 

 

1/5

 

 

 

 

 

E

energy release

adiabatic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

time

r ρ0

 

 

 

 

 

 

(3.331)

shockc

 

 

 

 

 

 

ρ0

density of undisturbed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

medium

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

upstream values

 

 

 

p2

 

 

2γM12 − (γ − 1)

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

(3.332)

2

downstream values

 

 

 

 

 

Rankine–

 

p1

 

 

 

 

 

 

γ + 1

 

 

 

 

 

p

pressure

Hugoniot

 

v1

 

=

ρ2

=

 

 

 

 

γ + 1

 

 

(3.333)

v

velocity

shock

d

 

v2

ρ1

 

 

(γ

1) + 2/M12

 

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

relations

 

 

T2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

ρ

density

 

 

 

=

[2γM1 − (γ − 1)][2 + (γ − 1)M1

]

(3.334)

γ

ratio of specific heats

 

 

 

 

 

 

 

 

T1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(γ + 1)2M2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

M

Mach number

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aApproximating the wake generated by supersonic motion of a body in a nondispersive medium.

bFor gravity waves, e.g., in the wake of a boat. Note that the wedge semi-angle is independent of vb. cSedov–Taylor relation.

dSolutions for a steady, normal shock, in the frame moving with the shock front. If γ = 5/3 then v1/v2 ≤ 4.

88

Dynamics and mechanics

 

 

Surface tension

 

σlv =

surface energy

 

(3.335)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Definition

 

 

 

 

 

 

area

 

 

 

 

 

surface tension

 

 

=

(3.336)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Laplace’s

1

 

 

1

 

 

 

formulaa

p = σlv

 

 

 

 

+

 

 

(3.337)

R1

R2

Capillary

1/2

 

 

 

 

cc =

2σlv

 

 

 

 

 

constant

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.338)

 

 

 

 

Capillary rise

h =

2σlv cosθ

 

 

 

 

 

(3.339)

(circular tube)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρga

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Contact angle

cosθ =

σwv σwl

 

 

(3.340)

 

 

 

 

 

 

 

σlv

 

 

 

 

 

σlv

surface tension

 

(liquid/vapour

 

interface)

p

pressure di erence

 

over surface

Ri

principal radii of

 

curvature

cc

capillary constant

ρliquid density

ggravitational acceleration

hrise height

θcontact angle

atube radius

σwv wall/vapour surface tension

σwl wall/liquid surface tension

aFor a spherical bubble in a liquid ∆p = 2σlv/R. For a soap bubble (two surfaces) ∆p = 4σlv/R.

surface

R2

R1

ha θ

σwv

σwl θ σlv