Vuo

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Havainnekuva vuosta. Ylhäällä: Vuo riippuu vektorikentän voimakkuudesta. Keskellä: Vuo riippuu pinnan asennosta. Alhaalla: Vuo riippuu pinnan alasta.

Vuo on fysiikassa ja vektorianalyysissä käsite, jolla ilmaistaan vektorikentän (esimerkiksi sähkökenttä tai gravitaatiokenttä) kulkeutumista tietyn (avaruus-)pinnan läpi. Yksinkertaistetusti vektorikentän vuo tietyn pinnan läpi voidaan käsittää pinnan läpäisevien kuvitteellisten kenttäviivojen lukumääränä. Koska vektorikentän voimakkuutta voidaan graafisesti kuvata kenttäviivojen tiheydellä, on tämä yksinkertaistus jokseenkin toimiva. Vuo kuitenkin riippuu vektorikentän lisäksi myös pinnan alasta, muodosta ja suunnasta.

Suureena vuota merkitään :llä (kreikkalainen iso Fii). Tarvittaessa sen yhteyteen voidaan laittaa alaindeksi viittaamaan tarkasteltavaan vektorikenttään tai muuhun siihen liittyvään käsitteeseen. Esimerkiksi sähkökentän vuota voidaan merkitä :llä englannin kielen sanaan electric viitaten[1]. Vuo on skalaarisuure.

Vuolla ei ole yhtä mittayksikköä, sillä se riippuu tarkasteltavan vektorikentän yksiköstä. Dimensioanalyyttisesti tarkasteltuna vuon dimensio on , missä on vuohon liittyvän vektorikentän dimensio ja on neliömetri.

Vuon idea ja perusmääritelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Silmukan läpi kulkeutuvan ilmavirran määrä riippuu silmukan yksikkönormaalin ja ilmavirran nopeuden välisestä kulmasta . Vasemmalla: Silmukan läpäisevän ilmavirran määrä on suurimmillaan, kun . Keskellä: Silmukan läpi ei virtaa ilmaa, kun . Oikealla: Silmukan kohtisuorasti läpäisevä nopeuden komponentti on suuruudeltaan .

Ilmavirta silmukan läpi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuon käsitettä voidaan havainnollistaa esimerkiksi tuulettimen ja oheisessa kuvassa näkyvän suorakulmion muotoisen silmukan avulla. Silmukka asetetaan tuulettimen eteen, jolloin ilma virtaa silmukan läpi vauhdilla . Vuo on tässä tapauksessa silmukan läpi kulkevan ilman tilavuus aikayksikössä (ks. tilavuusvirtanopeus). Jos silmukka on kohtisuorassa ilmavirtaa vastaan, on vuo suurimmillaan. Jos taas silmukka on ilmavirran suuntainen, ei ilmaa kulkeudu sen läpi yhtään. Tällöin vuo on nolla. Jos taas silmukka ripustetaan tuulettimen eteen siten, että se ilmavirta läpäisee sen kulmassa , niin silmukan läpäisevän ilman tilavuus yhden sekunnin aikana on

,

missä

on ilman vauhti (oletetaan vakioksi silmukan kohdalla),

on silmukan pinta-ala ja

on silmukkaa vastaan kohtisuoran nopeuskomponentin suuruus (vauhti).

Merkinnällä tarkoitetaan tässä vektorin normia eli pituutta (eli suuruutta).

Vakiovektorikentän vuo[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

(Vakio-)vektorikenttä läpäisee tasopinnan kulmassa pinnan yksikkönormaaliin nähden. on tason pinta-alavektori.

Korvataan nyt havainnollistuksessa käytetty ilmavirran nopeus yleisellä vektorikentällä ja silmukka tasopinnalla, jonka pinta-ala on . Oletetaan myös vielä, että vektorikenttä on vakio, eli kaikissa määrittelyavaruutensa pisteissä yhtä suuri ja samansuuntainen. Vaikka vektorit eivät voi ''virrata'' havainnollistuksessa käytetyn ilmavirran tapaan, voidaan samaa ideaa vuosta käyttää myös vektorikentille.

Tasolle voidaan määritellä pinta-alavektori käyttäen tason yksikkönormaali(-vektoria), joka on kaikkialla kohtisuorassa tasoa vastaan oleva, tasosta ulospäin osoittava yksikkövektori. Pinta-alavektori on sellainen vektori, joka on samansuuntainen tason yksikkönormaalin kanssa ja sen pituus on yhtä suuri kuin tason pinta-ala:

.

Koska tasolla on aina kaksi puolta, on jokaisella tasolla myös kaksi vastakkaissuuntaista yksikkönormaalia. Ts. jos ja ovat tason eri puolten yksikkönormaalit, niin . Mikäli yksikkönormaalin suuntaa ei ole erikseen määritelty, on yhdentekevää, kumpaa suuntaa käyttää. On kuitenkin pidettävä huolta, että esimerkiksi laskettaessa eri kenttien voita saman tason läpi yksikkönormaali pidetään aina samana. Jos yksikkönormaalin suunta vaihdetaan vastakkaiseksi, vuo muuttuu vastaluvukseen, mutta sen itseisarvo ei muutu (todistus kappaleen lopussa).

Tason normaalivektoria käyttämällä vektori voidaan jakaa tason suuntaiseen komponenttiin ja tasoa vastaan kohtisuoraan komponenttiin (ts. ). Näistä kahdesta komponentista ainoastaan läpäisee tason, joten vain sen pituus vaikuttaa vuohon. Vastaavasti, kuten ilmavirran tapauksessa, vektorikentän vuo tason läpi (merkitään ) on:

,

missä

,

on :n ja :n välinen kulma sekä

. [1]

Tästä määritelmästä huomataan, että vuo voidaan laskea myös pistetulon avulla:

.

Lisäksi huomataan, että käyttämällä tason toisen puolen yksikkönormaalia , vuo muuttuu vastaluvukseen:

.

Muuttuvan vektorikentän vuo[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Edellä määriteltiin vuo tapauksessa, jossa vektorikenttä on kaikkialla yhtä suuri ja samansuuntainen sekä tarkasteltavana pintana käytettiin tasoa. Tämä on kuitenkin vain erikoistapaus, sillä vektorikenttä voi muuttua avaruuden eri pisteissä ja pinta voi olla kaareva tai jopa suljettu.

Vuo tasopinnan läpi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Taso (pinta-ala ) voidaan jakaa moneen pieneen alueeseen, joiden pinta-ala on . Vektorikenttä voi vaihdella eri alueiden kohdalla.

Olkoon nyt vektorikenttä, joka riippuu avaruuden pisteestä. Käytetään tarkasteltavana pintana vielä tasoa, jonka pinta-ala on . Jaetaan tämä taso pieniin palasiin, joista jokaisen pinta-ala on . Jokaisen pienen palan pinta-alavektori on tasoa vastaan kohtisuorassa, kuten perusmääritelmässäkin. Oheisessa kuvassa on esitetty kaksi tällaista palaa, järjestysluvuiltaan ja . Tarkastellaan palaa , jonka kohdalla vektorikenttä saa arvon . Tämän palasen läpäisevä pieni vuo on perusmääritelmään nojaten

.

Vuo muiden palasten kohdalla saadaan vastaavasti. Kokonaisvuo tason läpi saadaan laskemalla yhteen kaikki pienet vuot koko tason alueelta:

.

Vuon laskeminen tällä tavoin saattaa kariutua pinta-alaan . kun ei välttämättä ole vakio minkään äärellisen kokoisen pinnan kohdalla. Jos on integroituva, niin ongelma ratkeaa viemällä palojen pinta-alat infinitesimaalisen pieniksi (), niiden lukumäärän lähestyessä ääretöntä. Tällöin summa voidaan korvata integraalilla:

. [2]

Kaksinkertainen integraalimerkki painottaa sitä, että tässä integroidaan (vektori-)funktiota kaksiulotteisen pinnan yli. Joissain teksteissä (esim. [1]) saatetaan käyttää tavanomaista yksinkertaista integraalimerkkiä.

Integraalimääritelmästä päästään kääntäen takaisin perusmääritelmään. Jos on vakio koko tason alueella, niin integroinnin laskusääntöjen nojalla:

Integraali saattaa olla monimutkaisuudessaan harhaanjohtava merkintä, mutta lopulta se tarkoittaa vain infinitesimaalisten pinta-alojen summaa koko tason yli, eli tason kokonaispinta-alaa.

Vuo kaarevan pinnan läpi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaareva pinta voidaan myös jakaa moneen pieneen alueeseen, joiden pinta-ala on .

Vektorikentän vuo kaarevan pinnan läpi ei eroa tasopinnan tapauksesta. Merkitään pintaa nyt lyhennyssyistä :llä. Tehdään, kuten tason tapauksessa, ja jaetaan pinta useaan pieneen palaseen, joiden pinta-ala on . Jokaisen pienen palan pinta-alavektori on pintaa vastaan kohtisuorassa jokaisessa pisteessä. Ainoa ero tason tilanteeseen on nyt se, etteivät pinta-alavektorit ole enää samansuuntaisia kaikkialla pinnalla. Edelleen palan läpäisevä pieni vuo on ja kokonaisvuo näiden pienten voitten summa. Jos on integroituva, niin kokonaisvuo pinnan läpi saadaan tutulla integraalilla:

. [3]

Kaarevaan pintaan liittyy joitain ominaisuuksia, joita tason tapauksessa ei välttämättä ole. Pinatelementtivektorin ja :n välinen kulma pinnan eri pisteissä on ratkaisevassa asemassa vuon kannalta. Tarkastellaan tilanteita, joissa vektorikenttä on kaikkialla pinnan tangenttitason suuntainen tai pintaa vastaan kohtisuorassa (ks. kuva alla). Ensimmäisessä tilanteessa kaikkialla pinnalla , joten pistetulon ominaisuuksien nojalla . Tällöin kokonaisvuokin on nolla. Toisessa tilanteessa (voidaan olettaa, että ) kaikkialla pinnalla , joten pistetulon ominaisuuksien nojalla . Jos :n pituus on lisäksi vakio kaikkialla pinnalla , niin kokonaisvuo on:

,

missä on pinnan pinta-ala.

Pinta ja vektorikentän kaksi erikoistapausta. Vasemmalla: Vektorikenttä on kaikkialla pinnan tangenttitason suuntainen. Vuo on nolla. Oikealla: Vektorikenttä on kaikkialla pintaa vastaan kohtisuorassa. Jos on kaikkialla yhtä suuri, niin vuo on .

Huom! Jos pinnan yksikkönormaali onkin määritelty pinnan toiselle puolelle, niin ja .

Vuo suljetun pinnan läpi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vektorikenttä voi läpäistä myös suljetun pinnan, kuten laatikon, sylinterin, pallon tai muun mielivaltaisen muotoisen pinnan. Koska mikä tahansa pinta voidaan konstruoida kaarevista pinnoista ja/tai tasoista, ei vuon laskeminen suljetun pinnan läpi eroa mitenkään edellisistä tapauksista. Ainoastaan merkinnät muuttuvat hieman. Jos on integroituva vektorikenttä ja on suljettu pinta, niin :n vuota pinnan läpi merkitään lisäämällä integraalimerkkiin pieni ovaali:

[4]

Integraalimerkkiin lisätty ovaali korostaa vain sitä, että integrointi suoritetaan suljetun pinnan yli. Laskuteknisesti integraali on vain tavanomainen vuointegraali.

Suljetun pinnan yksikkönormaalin suunta on huomionarvoinen seikka. Toisin kuin avoimella pinnalla, suljetulle pinnalle voidaan yksiselitteisesti osoittaa sisä- ja ulkopuoli. Jos yksikkönormaali osoittaa pinnan sisäpuolelle, sitä sanotaan sisäyksikkönormaaliksi ja jos yksikkönormaali osoittaa pinnan ulkopuolelle, sitä sanotaan ulkoyksikkönormaaliksi[5]. Käytännön sovelluksissa on mielekkäämpää käyttää pinnalle ulkoyksikkönormaalia, sillä siten voidaan saada tietoa suljetun pinnan sisäisestä vektorikentästä ''kurkistamatta'' itse pinnan sisään[4]. Kuten ei-suljetun pinnan tapauksessa, yksikkönormaalin vaihtaminen ulkoa sisälle tai toisin päin muuttaa vuon vastaluvukseen. Ts. .

Vuon tiheys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jos vektorikentän vuo tietyn pinnan läpi tiedetään, voidaan tietyissä erikoistapauksissa ratkaista pinnan kohtisuorasti läpäisevä vektorikentän komponentti. Olkoon tuntematon, integroituva vektorikenttä, pinta, jonka ala on ja vektorikentän vuo pinnan läpi. Määritellään suure

vektorikentän vuon tiheydeksi (joskus myös yhteenkirjoitettuna vuontiheys). Yksinkertaistetusti vektorikentän vuon tiheys voidaan käsittää tietyn pinnan läpäisevien vektorikentän kenttäviivojen lukumääränä pinta-alayksikköä kohti.

Jos :n pinnan kohtisuorasti läpäisevä komponentti on suuruudeltaan , niin :n vuon tiheys on:

Lisäksi, jos on vakio kaikkialla pinnalla , niin

Tässä erikoistapauksessa vuon tiheys on siis yksinkertaisesti pinnan kohtisuorasti läpäisevän komponentin pituus. Vuon tiheydestä puhuttaessa on kuitenkin oltava varovainen, sillä vuon tiheys on myös vektorisuure. Edellä määritelty vuon tiheys on skalaari (koska vuo on skalaari), mutta vuon tiheydelle voidaan asettaa myös suunta. Esimerkiksi magneettivuon tiheys on vektorisuure, jonka avulla voidaan määritellä silmukan läpäisevä magneettivuo:

. [6]

Esimerkkejä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Esimerkki 1[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Laske vektorikentän vuo pinnan , läpi, kun on pinta rajoitettuna kolmiulotteisen karteesisen koordinaatiston ensimmäiseen kahdeksasosaan (, ja ).

Ratkaisu:

Funktio kuvaa alaspäin aukeavaa pyörähdysparaboloidia, jonka pyörähdysakseli on -akseli. Koska on sileä funktio, on sen pintaelementtivektori:

.[7]

Etumerkki viittaa siihen, että yksikkönormaaleja on kaksi vastakkaissuuntaista. Jos nyt valitaan pinnan yksikkönormaali siten, että se osoittaa pinnasta positiivisen -akselin puoleiseen suuntaan, niin:

Pinnan projektio -tasolle on neljännesympyrä , ja (ymprän kehän saa sijoittamalla yhtälöön ). Integrointirajoiksi saadaan tällöin esimerkiksi ja . Vektorikentän vuo pinnan läpi on tällöin:

Huom! Jos oltaisiin valittu pinnan yksikkönormaali toisin päin, olisi vastaus .

Huom! Napakoordinaatteja käyttämällä integrointi olisi sujunut työläämmin, mutta esimerkin oli tarkoitus olla hivenen abstrakti.

Esimerkki 2[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Laske vektorikentän vuo ulos sylinterin , pinnasta. ja ovat vakioita.

Ratkaisu:

Pinta on nyt sylinteri, jonka säde on , korkeus ja keskiakseli -akseli. Tämän vuoksi tehtävä on helpointa ratkaista sylinterikoordinaateilla. Osoittautuu, että sylinterikoordinaattimuunnoksen jälkeen vektorikenttä on . Jaetaan pinta kolmeen eri pintaan:

  1. Sylinterin kansi on taso , . Kannessa pinnan ulkoyksikkönormaali on aina . Pinta-ala-alkio on .
  2. Sylinterin pohja on taso , . Pohjassa pinnan ulkoyksikkönormaali on aina . Pinta-ala-alkio on sama kuin kannessa.
  3. Sylinterin vaippa on pinta , . Vaipassa pinnan ulkoyksikkönormaali on aina . Pinta-ala-alkio on .

Vuo voidaan laskea jakamalla vuointegraali paloihin normaalien integrointisääntöjen mukaisesti.

Kansi:

Pohja:

Vaippa:

Vektorikentän vuo pinnan läpi on tällöin:

Esimerkki 3[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Gaussin laki sähkökentille

Laske vektorikentän

,

missä ja ovat vakioita ja on pallokoordinaatiston radiaalinen kantavektori, vuo -säteisen, origokeskisen pallopinnan läpi (sisältä ulos).

Ratkaisu:

Tehtävä on helpointa ratkaista pallokoordinaateissa. Pinnan ulkoyksikkönormaali on tällöin aina . Ratkaistaan vuo:

Sijoittamalla päädytään Gaussin lakiin, joka kertoo suljetun pinnan sisällä olevan sähkövarauksen aiheuttaman sähkökentän vuon suljetun pinnan läpi tyhjiössä. Tässä tarkoittaa sähkökentän voimakkuutta ja tyhjiön permittiivisyyttä.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Knight, Randall D.: Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach with Modern Physics, s. 884. Pearson Education Ltd, 2014. ISBN 978-1-292-02078-5. (englanniksi)
  2. Knight, s. 886
  3. Knight, s. 887
  4. a b Knight, s. 888
  5. Adams, Robert A. & Essex, Christopher: Calculus: a complete course, s. 900. Pearson, 2014. ISBN 978-0-321-78107-9. (englanniksi)
  6. Knight, s. 1090.
  7. Adams & Essex, s. 902