• Nem Talált Eredményt

Koordináta-rendszer forgatások, a lineáris skalár- és vektormezők felbontásaskalár- és vektormezők felbontásaskalár- és vektormezők felbontásaskalár- és vektormezők felbontása

Weidinger Tamás Tasnádi Péter

II.5. Koordináta-rendszer forgatások, a lineáris skalár- és vektormezők felbontásaskalár- és vektormezők felbontásaskalár- és vektormezők felbontásaskalár- és vektormezők felbontása

aholkadott állandó. Milyen szöget zárnak be az izobárok az izotermákkal? Adjuk meg a baroklinitási vektort és annak nagyságát! Milyen szöget zár be a baroklinitási vektor az északi iránnyal?

II.4.6.A légkör adott területén a hőmérséklet északkelet felé és a magassággal is lineárisan csökken.

,

aholT0,A,CésDismert állandók. Tegyük fel, hogy a légkör hidrosztatikai egyensúlyban van, azaz az egységnyi magasságra eső légnyomásváltozást a következő egyenlet írja le:

.

Milyen szöget zárnak be az izobárok az izotermákkal? Írjuk fel a baroklinitási vektort! Milyen szöget zár be a baroklinitási vektor az északi iránnyal?

II.4.7.Adjuk meg a hidrosztatikus egyensúlyban lévő légkörben a nedves adiabatikusan emelkedő légrész piezotropitási együtthatóját, ha adott a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiens:

!

II.4.8.Adjuk meg ismert piezotropitási együttható mellett az emelkedő légrész hőmérsékletváltozását hidrosztatikus légkörben ( )!

II.5. Koordináta-rendszer forgatások, a lineáris skalár- és vektormezők felbontása

Adott pont közelében természetes feltételezés a lineárisan változó skalár-, vagy vektormező, ami a Taylor-sorfejtés nulladik és első tagjaként állítható elő. A lineáris vektormező felírható négy invariáns mennyiség, a transzláció, a divergencia, a rotáció és a deformáció segítségével.

Fontos a meteorológiai feladatok megoldásában a megfelelő rendszer alkalmazása, pl. a koordináta-rendszer beforgatása az átlagos sebesség (2 vagy 3 dimenziós) irányába. Háromdimenziós forgatásoknál kihasználjuk azt a lineáris algebrai tételt, miszerint a 3 dimenziós koordináta-rendszer forgatás felírható kétdimenziós forgatások összegeként (lásd pl. Rózsa, 1976.)

Nézzük a kétdimenziós esetet! Legyen az átlagos szélsebesség , a szélvektor tengellyel bezárt szöge aII.5.1. ábraszerint . Jelölje a Descartes-féle koordináta-rendszer tengelyeit és , az elforgatott rendszerét pedig és . Legyen adott az helyvektor az eredeti koordináta-rendszerben! Ennek az új rendszerbeli alakja: :

, .

Fordított irányban is megadhatjuk az áttérést:

, .

II.5.1. ábra. Az ( ) és az elforgatott ( ) koordináta-rendszer.

Általános esetben a transzformációk: , illetve , ahol a koordináta-rendszer transzformáció mátrixa, illetve annak inverze rendre:

, illetve .

Megjegyezzük, hogy nem minden esetben teszik ki a mátrix ás a vektor szorzás során a pontot. Egyaránt használatos

pl. az és az írásmód.

Lineáris sebességi mező

Tekintsük a sebességmezőt az ponttól távolságra. Itt a Taylor-sorfejtés szerint a lineáris sebességi mező alakja:

,

.

Kihasználva az invariáns mennyiségek előállítását, vagyis a divergencia, a örvényesség, illetve a deformáció

( ) felírását:

, ,

, , teljesül, hogy:

, , , .

A lineáris sebességi mező alakja az invariánsokkal kifejezve:

,

.

Megjegyezzük, hogy mindig találhatunk olyan elforgatott koordináta-rendszert, ahol a deformáció egyik tagja nulla ( ), továbbá . Az ilyen irányítottságú koordináta-tengelyeket nevezzük főtengelyeknek.

A deriválttenzor

Legyen differenciálható vektor-vektor függvény. tetszőleges elmozduláshoz tartozó megváltozása előállítható

, .

alakban, ami egyértelműen meghatározza a sebességmező deriváltját, hiszen az operátor determinánsa nullához tart, ha . Kis növekmény mellett

,

tehát a változások közötti kapcsolat lineárisnak és homogénnek tekinthető. Elhanyagoljuk a magasabb rendű tagokat és a hozzájuk köthető invariáns mennyiségeket. A fenti egyenlőség alapján felírható a vektor-vektor függvény deriváltja, az ún. deriválttenzor, .

.

A deriválttenzor mátrixát a vektor komponenseinek térváltozók szerinti parciális deriváltjaival adhatjuk meg.

E megváltozásokat a mátrix egyes sorai tartalmazzák. Descartes-féle koordináta-rendszerben:

.

A kifejezéssel megadott homogén lineáris függvényrendszer kettős értelmezésre ad módot. Egyrészt koordináta-transzformációnak tekinthető, másrészt tér-transzformációnak, más néven mozgásnak foghatjuk fel.

A deriválttenzor a leképezés során megadja az hely tetszőleges kis környezetében bekövetkező, lokális hossz-, értelem- (tükrözés) és szögváltozásokat, illetve a különböző dimenziójú lokális mértéktorzulásokat.

(Természetesen ezek a megváltozások nem egymástól függetlenek, mert pl. egy lokális hosszváltozás egyben mértéktorzulás is.)

A deriválttenzor, ahogy bármely más tenzor is felírható egy szimmetrikus és egy antiszimmetrikus tenzor összegeként (Lásd aII.3. fejzetetis).

.

A főtengely tétel szerint (Lásd aII.3. fejzetetis) minden szimmetrikus tenzor létesítette affin (összeg és aránytartó) leképezésnél (a 3 dimenziós térben) legalább 3 egymásra merőleges sajátvektor megtartja az irányát és csupán nyújtást-zsugorítást és tükrözést szenvedhet a sajátérték mértékében

.

Nézzük az antiszimmetrikus tenzorokat! Az tenzor vektor invariánsán – megállapodás szerint – antiszimmetrikus részének, az

,

alakját értjük, ahol az tenzor transzponáltja, míg az egység tenzor. Az

vektorinvariáns alakja:

. A vektorinvariáns jelentése szerint:

.

E felírásból következik, hogy a vektorinvariáns az adott vektortól függetlenül állítható elő.

Megjegyzés: A meteorológiában kiemelkedő fontosságú a sebességmező deriválttenzora. A fenti összefoglalóban a definíciókat lényegében a sebességmező deriválttenzorára vonatkozóan adtuk meg. Természetesen tetszőleges vektormezőnek létezik deriválttenzora.

A következőkben, ha külön nem jelöljük, akkor deriválttenzoron mindig a sebességmező deriválttenzorát értjük.

II.5.1.Határozzuk meg a mátrix sajátértékeit és a hozzájuk tartozó sajátvektorokat (a saját-alterek egy-egy bázisát)!

II.5.2.Adjuk meg vektor reprezentánsát olyan koordináta-rendszerben, amit a) az óramutató járásával ellentétesen -kal ( ),

b) az óramutató járásával megegyezően -kal ( ) elforgattunk. (Lásd aII.5.1. ábrátis!)

II.5.3.Adjuk meg a forgatás mátrixát, ha az új koordináta-rendszer tengelye az koordináta-rendszert az origójába rajzolt kocka átlójának az irányába mutat aII.5.2. ábraszerint.

II.5.2. ábra. Az új elforgatott koordináta-rendszer tengelye az origóból induló kocka átlója.

II.5.4.Miért nem cserélhető fel az előző feladatban szereplő

és két kétdimenziós forgatás sorrendje?

II.5.5.Adjuk meg az elforgatott koordináta-rendszer egységvektorainak a reprezentációját az eredeti koordináta-rendszerben, ha az új koordináta-rendszer tengelyei a

tenzor sajátvektorainak az irányába esnek. Ez ortogonális koordináta-rendszer lesz? Adjuk meg annak a forgatásnak a mátrixát is, ami az új koordináta-rendszerből forgat vissza az eredetibe!

II.5.6.A szonikus anemométerrel a három dimenziós szélmező és a hőmérséklet ( ) pillanatnyi érékeit mérjük, általában 10 Hz-es frekvenciával. Ebből számítjuk ki a kovariancia mátrixot,

,

ami általában félórás átlagolási időre vonatkozik. Ismert félórás átlagos szélsebesség és az átlagos hőmérséklet is. A vesszős tagok a fluktuációs mennyiségek, a felülvonás az átlagolást jelöli a kovariancia számításnál.

A mikrometeorológiában az elforgatott koordináta-rendszer tengelyét az átlagos szélsebesség irányában vesszük fel, vagyis

, , .

a) Írjuk fel a forgatás mátrixát!

b) Adjuk meg a vertikális impulzusáram értékét az elforgatott rendszerben!

c) Adjuk meg a vertikális hőmérsékleti áram értékét az új rendszerben!

d) Változik-e a transzformáció során a hőmérséklet szórásnégyzete?

e) Adjuk meg a sebességkomponensek varianciáját az elforgatott koordináta-rendszerben!

II.5.7.Írjuk fel a lineáris sebességmező alakját, örvényességét és horizontális divergenciáját a szélirányba fordított horizontális koordináta-rendszerben ! Hogyan transzformálódnak az egyes deriváltak? Az elforgatás szöge legyen .

II.5.8.A sebességváltozás alakja:

, .

Adjuk meg a lineáris sebességi mező divergenciáját örvényességét és deformációját!

II.5.9.Adjuk meg a lineáris sebességi mező alakját, ha a szélsebesség értéke , a divergencia értéke , az örvényesség . A mezőben a deformáció értékét elhanyagoljuk!

II.5.10.Adjuk meg a deriválttenzor szimmetrikus és antiszimmetrikus tenzorra való felbontását. Használjuk fel a transzponált tenzor tulajdonságait. (Lásd aII.3. fejezetetis.)

II.5.11. Adjuk meg a deriválttenzor alakját, szimmetrikus és antiszimmetrikus tenzorra történő felbontását a Descartes-rendszerben, ha

,

ahola,b,cállandók. Adjuk meg a három mátrix értékét a pontban.

II.5.12. Tengelyszimmetrikus feladatok esetén hasznos a henger koordináta-rendszer . Itt a három egységvektor: . Az egységvektorok koordináta-irányok szerinti megváltozásai közül kettő különbözik nullától:

, .

Tekintsük a alakú vektormezőt. Adjuk meg a deriválttenzor alakját, szimmetrikus és antiszimmetrikus részét!

II.5.13.Mutassuk meg, hogy a tiszta alakváltozás ellipszoiddá torzítja az elemi gömböt!

II.5.14.Adott a deriváltmátrix a Descartes-féle koordináta-rendszer pontjában:

. a) Adjuk meg a deriválttenzor skalár invariánsait!

b) Írjuk fel a karakterisztikus egyenletet!

c) Számítsuk ki a főfeszültségek (a főtengelyek irányába eső nyújtás és zsugorítás) értékeit, vagy más szavakkal a három sajátértéket!

d) Írjuk fel a szimmetrikus és az antiszimmetrikus tenzor mátrixát!

e) Adjuk meg a deriválttenzor vektor invariánsát is!

f) Adjuk meg az izotróp dilatációt és a tiszta alakváltozás tenzorát is!

II.5.15.Adott a deriváltmátrix a Descartes-féle koordináta-rendszer pontjában:

. a) Adjuk meg a deriválttenzor skalár invariánsait!

b) Írjuk fel a karakterisztikus egyenletet!

c) Számítsuk ki a főfeszültségek (a főtengelyek irányába eső nyújtás és zsugorítás) értékeit és a főtengelyek egységvektorait!

Outline

KAPCSOLÓDÓ DOKUMENTUMOK