נגזרת חומרית

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
Gnome-edit-clear.svg ערך זה זקוק לעריכה: הסיבה לכך היא: ניסוח, עיצוב.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.

במכניקת הרצף הנגזרת החומרית/מלווה מתארת את קצב ההשתנות בזמן של גודל פיזיקלי (כמו טמפרטורה ותנע) עבור חומר נזיל הנתון לשדה מהירות תלוי זמן ומרחב.

הנגזרת המלווה יכולה להוות קשר בין התיאורים של אוילריאן ולגראנז'יאן לעיוות המרחב.

למשל: בדינמיקת נוזלים, ניקח מקרה בו שדה המהירות הוא מהירות הזרימה עצמה והתכונה הנבדקת היא טמפרטורת הנוזל, אז הנגזרת המלווה מתארת את השתנות הטמפרטורה בזמן, של כמות נוזל הנעה לאורך קו מסלול.

הגדרה

הנגזרות החומריות של שדה סקלרי הפענוח נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle \varphi (x,t)} ושל שדה וקטורי הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u(x,t)} מוגדרות בהתאמה:

הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align}\frac{D\varphi}{Dt}&=\frac{\part\varphi}{\part t}+v\cdot\nabla\varphi\\\frac{Du}{Dt}&=\frac{\part u}{\part t}+v\cdot\nabla u\end{align}}

כאשר מדובר במקרה של נגזרת חומרית הפועלת על שדה וקטורי, ניתן לפרש את הביטוי הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v\cdot\nabla u} כ- או כ-הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (v\cdot\nabla)u} כאשר בשני המקרים נגיע לאותה תוצאה.

למשל: במערכת צירים קרטזית תלת-ממדית הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (x_1,x_2,x_3)} , הביטוי הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v\cdot\nabla\varphi} שווה:

הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v_1\frac{\part\varphi}{\part x_1}+v_2\frac{\part\varphi}{\part x_2}+v_3\frac{\part\varphi}{\part x_3}}

באופן מטעה משתמשים בביטוי נגזרת מלווה עבור הביטויים או הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v\cdot\nabla u} כשלמעשה השימוש נכון רק במקרים בהם הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{D}{Dt}} הזרימה אינה תלויה בזמן.

פיתוח

ניקח פונקציה סקלרית הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi=\varphi(x,t)} כאשר הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x} המיקום ו-הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle t} הזמן. הפונקציה מתארת גודל פיזיקלי כלשהו כגון טמפרטורה, גובה וכו'.

הגודל הפיזיקלי קיים בתוך נוזל שאת מהירותו ניתן לייצג על ידי שדה וקטורי הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v(x,t)} . נשתמש בכלל השרשרת על מנת לגזור את הפונקציה הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi(x,t)}  :

הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{d}{dt}\bigl(\varphi(x,t)\bigr)=\frac{\part\varphi}{\part t}+\nabla\varphi\cdot\frac{dx}{dt}}

נגזרת הפונקציה הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi(x,t)} תלויה בווקטור:

המתאר קו מסלול נבחר במרחב.

למשל, אם המסלול הנבחר הוא הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{dx}{dt}=0} נגזרת הפונקציה תהיה שווה לנגזרת החלקית לפי זמן. במקרה הזה הזמן הוא המשתנה והמרחב הנו קבוע. המצב הנ"ל בו המיקום קבוע מוגדר כנגזרת אוילריאן.

דוגמה הממחישה מצב זה, הוא אדם העומד במיקום קבוע בתוך אגם, ומרגיש שינויים בטמפרטורה הנגרמים כתוצאה מהתחממות המים על ידי השמש.

לחלופין אם המסלול של השחיין הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x(t)} אינו קבוע, הנגזרת בזמן של הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi} עשויה להשתנות בהתאם למסלול.

למשל, נתונה בריכה מקורה עם מים עומדים. שני הקצוות של הבריכה מוחזקות בטמפרטורות קבועות כאשר הקצה האחד חם והשני קר. שחיין השוחה מצידה האחת לצידה השני של הבריכה ירגיש עם הזמן שינוי בטמפרטורה וזאת למרות שהטמפרטורה נשארת קבועה בכל נקודה במרחב. הסיבה לשינוי בטמפרטורה היא ביצוע המדידות במיקומים שונים. הנגזרות החומריות מתקבלת, כאשר המסלול הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x(t)} נבחר כמסלול בעל מהירות השווה למהירות הנוזל:

הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{dx}{dt}=V}

מסלול זה עוקב אחר זרם הנוזל ומתואר על ידי שדה מהירות של הנוזל הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v} . כך שהנגזרת המלווה של הסקלר הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varphi} היא:

דוגמה למקרה זה הנו גוף קל משקל הצף באופן טבעי ונסחף בנהר זורם שהטמפרטורה בו משתנה (חלק מהנהר מוצל וחלקו חשוף לשמש) ובנוסף טמפרטורת המים עולה עם התקדמות בזמן. השינויים בעקבות תנועת החלקיק (הנגרמת מתנועת הזורם) נקראים אדווקציה או קונווקציה במקרה של הזזת הווקטור הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{dx}{dt}} .

ההגדרה הנ"ל מניחה את הטבע הפיזיקלי של זרם הנוזל, עם זאת אין הסתמכות על חוקי הפיזיקה (למשל, אין כל הוכחה שחלקיק קל משקל הנע בזרם נהר, ינוע במהירות המים). יחד עם זאת מסתבר כי ניתן להיעזר בנגזרות החומריות לתיאור תופעות פיזיקליות שונות. המקרה הכללי של אדווקציה מסתמך על חוקי שימור מסה בזרם הנוזל, אך כאשר מדובר בתווך לא משמר המצב שונה.

עד כה התייחסנו לגודל הפיזיקאלי כסקלר. במקרה בו מדובר בווקטור, הגרדיאנט יהפוך לנגזרת של טנזור. עבור השדה הטנזורי בנוסף לתזוזה של מערכת הקואורדינטות בעקבות תנועת הנוזל יש גם לקחת בחשבון את הרוטציה והמתיחה.

קואורדינאטות אורתוגונאליות

הרכיב ה-הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle j} של הנגזרת בקואורדינאטות האורתוגונאליות:

הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \left[V\cdot\nabla u\right]_j=\sum_i\frac{v_i}{h_i}\frac{\part u_j}{\part q^i}+\frac{u_i}{h_i h_j}\left(v_j\frac{\part h_j}{\part q^i}-v_i\frac{\part h_i}{\part q^j}\right)}

כאשר ה-הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle h_i} מוגדרים על ידי מטריצה טנזורית:

הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle h_i=\sqrt{g_{ii}}}

במערכת קואורדינאטות קרטזיות הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (x,y,z)}  :

הפענוח נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle V\cdot\nabla u=\begin{pmatrix}v_x\dfrac{\part u_x}{\part x}+v_y\dfrac{\part u_x}{\part y}+v_z\dfrac{\part u_x}{\part z}\\v_x\dfrac{\part u_y}{\part x}+v_y\dfrac{\part u_y}{\part y}+v_z\dfrac{\part u_y}{\part z}\\v_x\dfrac{\part u_z}{\part x}+v_y\dfrac{\part u_z}{\part y}+v_z\dfrac{\part u_z}{\part z}\end{pmatrix}}