例斯托克斯公式举例
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斯托克斯公式
斯托克斯公式(Stokes' formula)是一种用于计算物体在流体中的沉降速度的公式。
这个公式常用于计算圆柱形物体、球体或椭圆体在流体中的沉降速度。
斯托克斯公式的通常形式是:
v = gd^2(ρs - ρf)/18μ
其中:
v是物体的沉降速度(m/s);
g是重力加速度(9.8 m/s^2);
d是物体的直径(m);
ρs是物体的密度(kg/m^3);
ρf是流体的密度(kg/m^3);
μ是流体的粘度(Pa·s)。
注意:斯托克斯公式仅适用于流体的流动是静态的、流动是匀速的、流体的流动是无流速场的情况。
例如,如果有一个圆柱形物体直径为0.1 m,密度为800 kg/m^3,流体密度为1000 kg/m^3,粘度为0.001 Pa·s,则其沉降速度为约0.15 m/s。
斯托克斯公式例题斯托克斯公式是一种用于解决带约束的最优化问题的算法。
它通过迭代求解来寻找最优解。
下面是一个使用斯托克斯公式的例题:有一个公司要生产两种产品 A 和 B,它有 $X$ 小时的生产时间和 $Y$ 元的生产成本。
每小时生产 A 产品能赚到 $p_A$ 元的利润,每小时生产 B 产品能赚到 $p_B$ 元的利润。
同时,生产 A 产品需要消耗 $c_A$ 小时的生产时间,生产 B 产品需要消耗$c_B$ 小时的生产时间。
问公司应该生产多少 A 产品和 B 产品,才能使得利润最大。
解题步骤:建立数学模型:设 A 产品的生产数量为 $x$,B 产品的生产数量为 $y$,则有:最大利润 = $p_A \times x + p_B \times y$生产时间约束:$c_A \times x + c_B \times y \le X$生产成本约束:$p_A \times x + p_B \times y \le Y$使用斯托克斯公式求解:令 $\lambda$ 为时间约束的松弛变量,$\mu$ 为成本约束的松弛变量。
则有:$\begin{cases} \frac{\partial}{\partial x} (p_A \times x + p_B \times y + \lambda \times c_A \times x + \mu \times p_A \times x) = 0\ \frac{\partial}{\partial y} (p_A$\begin{cases} p_A + \lambda \times c_A + \mu \times p_A = 0\ p_B + \lambda \times c_B + \mu \times p_B = 0\ c_A \times x + c_B \times y - X \le 0\ p_A \times x + p_B \times y - Y \le 0 \end{cases}$解得 $\lambda = \frac{p_B - p_A}{c_A \times p_B - c_B \times p_A}$,$\mu =\frac{Y - p_A \times x - p_B \times y}{p_A \times x + p_B \times y}$。
例斯托克斯公式举例斯托克斯公式是向量微积分中的一个重要定理,用于计算曲面与闭合路径的积分关系。
该公式为我们提供了计算曲面积分的有效方法,通过将曲面积分转化为路径积分,进而简化了计算过程。
下面,我将通过一些具体的例子来说明斯托克斯公式的应用。
1.二维情况下的斯托克斯公式:假设有一个平面区域D,边界为C。
现在我们要计算沿逆时针方向的路径积分,即顺着边界C的曲线积分。
根据斯托克斯公式,这个路径积分等于通过D内部的顶点的曲面积分。
具体而言,如果我们定义一个向量场F=(P,Q),其中P和Q是D上的实值函数,并且P和Q的偏导数在D上是连续的,则斯托克斯公式可以写成以下形式:∮CF·dr = ∬D(curl F)·dS其中,curl F是向量场F的旋度,dS是曲面元素的面积。
假设曲线C为单位圆,向量场F=(x,y),那么我们可以计算F在路径C上的曲线积分:∮CF·dr = ∮C(x, y)·dr根据斯托克斯公式的推导,我们可以将这个二维曲线积分转化为二维曲面积分:∮CF·dr = ∬D(curl F)·dS首先,计算向量场F的旋度:curl F = (∂Q/∂x - ∂P/∂y) = (1 - 1) = 0然后,计算曲面D的面积:dS = dxdy因此,二维情况下的斯托克斯公式可以写成:∮CF·dr = ∬D0·dxdy = 02.三维情况下的斯托克斯公式:在三维空间中,斯托克斯公式的表述略有不同。
假设有一个曲面S,边界为C。
现在我们要计算沿逆时针方向的路径积分,即顺着边界C的曲线积分。
根据斯托克斯公式,这个路径积分等于通过S内部的曲面积分。
具体而言,如果我们定义一个向量场F=(P,Q,R),其中P、Q和R是S上的实值函数,并且P、Q和R的偏导数在S上是连续的,则斯托克斯公式可以写成以下形式:∮CF·dr = ∬S(curl F)·dS其中,curl F是向量场F的旋度,dS是曲面元素的面积。
第6卷 第4期中 专 物 理 教 学V ol.6N o.4 1998年12月PHYSICS T EACHIN G IN T HE SECO N DA RY SPECIA L IZED SCHO O L Dec.1998问题讨论斯托克斯公式的应用玉 花(内蒙古锡林浩特牧业学校 026000) 斯托克斯公式具有广泛的用途.本文就两个具体实例来加以讨论:1 斯托克斯公式由于流体的粘滞性,固体在流体中运动会受到两种阻力,一种是由于层流体附着在固体表面,层流体和邻层流体间的内摩擦力;另一种是为压强阻力,压强阻力的实质是尾随运动着的固体后面的流体中,有涡旋产生.固体相对于流体的速度小时涡旋还未形成,压强阻力可被忽略,这时,阻力可视为只有前一种.半径为r的球形物体,在粘滞系数为Z的流体中,以速度v运动时,所受阻力为:f=6πZ rv(1)……………………………这就是斯托克斯公式.2 斯托克斯公式的应用实例例1,有一半径为r,密度为d的小球,在密度为d’(d’<d)、粘滞系数为Z的静止流体中下落,若所受阻力遵从斯托克斯公式,试求小球的最大速度.解:最初小球在重力G=43πr3d g和浮力F=43πr3d’g的作用下加速下落,速度逐渐增加,阻力按式(1)逐渐增大,直到三力平衡(图a)时速度达到最大,小球匀速下落.由平衡条件,得:F+f=G即 43πr 3d’g+6πZ rv0=43πr3d g故 v0=29(d-d’)Z gr2(2)………………例2,求牛奶加热使奶油分离时,奶油油滴匀速上升的速度,已知奶油油滴直径d=2μm,牛奶的粘滞系数Z= 1.1×10-3Pa·s,奶油的密度为d=0.94×103kg/m3,牛奶的密度为d’= 1.034×103kg/m3.解:奶油油滴在牛奶中上升时,克服重力G=43πr3d g和阻力f=6πZ rv的作用,最后奶油油滴所受的浮力F=43πr3d’g与G、f三者平衡(图b),奶油匀速上升,由平衡条件,得:F=G+f即 43πr3d’g=43πr3d g+6πZ rv故 v=2=9(d’-d)Z gr2代入数据得:v= 1.86×10-7m/s利用(2)式,若r为已知,可测流体的粘滞系数Z,若Z、v、d、d’为已知,可求小球的半径或质量,用油滴法第一次测电子电量,就是用这个方法测油滴质量的.收稿日期:1998-08-19谈谈“放大镜”的教学苏振和(江苏南京市江宁县职教中心 211100)放大镜角放大率定义为:M=TT0df(如图1)·19·。
斯托克斯公式例题∮_C (F · dr) =∬_S (curl F) · dS其中,∮_C 表示曲线C的环流积分,F表示一个三维向量场,dr表示沿曲线C的微小位移,∬_S 表示曲面S的面积分,curl F表示F的旋度,dS表示曲面S的面积元素。
下面我们来看一个斯托克斯公式的例题。
例题:计算向量场F = (2xy, x^2 + z, -yz) 在曲线C : x = t, y = t^2, z = t^3, 0 ≤ t ≤ 1 上的环流积分。
解答:首先我们需要计算向量场F的旋度curl F。
∇ × F = (∂/∂x, ∂/∂y, ∂/∂z) × (2xy, x^2 + z, -yz)= ((∂/∂y)(-yz) - (∂/∂z)(x^2 + z), (∂/∂z)(2xy) - (∂/∂x)(-yz), (∂/∂x)(x^2 + z) - (∂/∂y)(2xy))=(-z,z,2x-2y)所以,向量场F的旋度为curl F = (-z, z, 2x - 2y)。
接下来,我们需要计算曲线C的环流积分∮_C (F · dr)。
首先可以将曲线C的参数方程和向量场F带入到环流积分中。
∮_C (F · dr) = ∫_C (2xy, x^2 + z, -yz) · (dx, dy, dz)= ∫_C (2xy dx + (x^2 + z) dy - yz dz)= ∫_0^1 (2t(t^2) dt + (t^2 + t^3) (2t dt) - (t^2)(t^3)(3t^2 dt))= ∫_0^1 (2t^3 dt + 2t^3 dt + 2t^4 dt - 3t^7 dt)= ∫_0^1 (4t^3 - 3t^7) dt=(t^4-t^8),_(0到1)=1-1^8-(0-0^8)=1-1+0=0因此,向量场F = (2xy, x^2 + z, -yz) 在曲线C : x = t, y =t^2, z = t^3, 0 ≤ t ≤ 1 上的环流积分为0。