Физические приложения криволинейных интегралов

С помощью криволинейных интегралов вычисляются Рассмотрим эти приложения более подробно с примерами.

Предположим, что кусок проволоки описывается некоторой пространственной кривой C. Пусть масса распределена вдоль этой кривой с плотностью ρ (x,y,z). Тогда общая масса кривой выражается через криволинейный интеграл первого рода Если кривая C задана в параметрическом виде с помощью векторной функции , то ее масса описывается формулой В случае плоской кривой, заданной в плоскости Oxy, масса определяется как или в параметрической форме Пусть снова кусок проволоки описывается некоторой кривой C, а распределение массы вдоль кривой задано непрерывной функцией плотности ρ (x,y,z). Тогда координаты центра масс кривой определяются формулами где − так называемые моменты первого порядка.

Моменты инерции относительно осей Ox, Oy и Oz определяются формулами Работа при перемещении тела в силовом поле вдоль кривой C выражается через криволинейный интеграл второго рода где − сила, действующая на тело, − единичный касательный вектор (рисунок 1). Обозначение означает скалярное произведение векторов и .

Заметим, что силовое поле не обязательно является причиной движения тела. Тело может двигаться под действием другой силы. В таком случае работа силы иногда может оказаться отрицательной.

Если векторное поля задано в координатной форме в виде то работа поля вычисляется по формуле В частном случае, когда тело двигается вдоль плоской кривой C в плоскости Oxy, справедлива формула где .

Если траектория движения C определена через параметр t (t часто означает время), то формула для вычисления работы принимает вид где t изменяется в интервале от α до β.

Если векторное поле потенциально, то работа по перемещению тела из точки A в точку B выражается формулой где − потенциал поля. Криволинейный интеграл от магнитного поля с индукцией вдоль замкнутого контура C пропорционален полному току, протекающему через область, ограниченную контуром C (рисунок 2). Это выражается формулой где - магнитная проницаемость ваккуума, равная Н/м.

Электродвижущая сила ε, наведенная в замкнутом контуре C, равна скорости изменения магнитного потока ψ, проходящего через данный контур (рисунок 3).

   Пример 1

Определить массу проволоки, имеющей форму отрезка от точки A(1,1) до B(2,4). Масса распределена вдоль отрезка с плотностью . Составим сначала параметрическое уравнение прямой AB. где параметр t изменяется в интервале [0,1]. Тогда масса проволоки равна

   Пример 2

Определить массу проволоки, имеющей форму дуги окружности от точки A(1,0) до B(0,1) с плотностью (рисунок 4). Окружность радиусом 1 с центром в начале координат описывается параметрическими уравнениями где параметр t изменяется в диапазоне . Тогда масса данного куска проволоки вычисляется следующим образом:

   Пример 3

Найти центр масс проволоки, имеющей форму кардиоиды (рисунок 5), где с плотностью ρ = 1. Очевидно, в силу симметрии, . Чтобы найти координату центра масс , достаточно рассмотреть верхнюю половину кардиоиды.

Предварительно найдем полную массу кардиоиды. В полярных координатах получаем Вычислим момент первого порядка M_y. Используя формулу находим Полагая (нижний и верхний пределы интегрирования становятся равными, соответственно, 0 и ), можно записать Тогда Следовательно, координаты центра масс кардиоиды равны .

   Пример 4

Вычислить момент инерции I_x проволоки в форме окружности x² + y² = a² с плотностью ρ = 1. Уравнения окружности в параметрической форме имеют вид Момент инерции I_x относительно оси Ox вычисляется по формуле Проводя вычисления, получаем

   Пример 5

Найти работу, совершаемую полем при перемещении тела от начала координат O(0,0) до точки A(1,1) по траектории C, где

1) С − отрезок прямой y = x;
2) С − кривая . 1) Вычислим работу при перемещении вдоль прямой y = x. 2) Определим теперь работу при перещении вдоль кривой .

   Пример 6

Тело массой m брошено под углом к горизонту α с начальной скоростью v₀ (рисунок 6). Вычислить работу силы притяжения за время движения тела до момента соударения с землей. Запишем закон движения тела в параметрической форме. При соударении с землей y = 0, так что время полета тела равно Силу притяжения запишем в виде . Тогда работа за время перемещения тела равна Полученный результат объясняется тем, что гравитационное поле Земли является потенциальным, поскольку выполняется равенство Найдем потенциал этого поля. В общем виде он записывается как Полагая , находим Таким образом, потенциал гравитационного поля равен где C − константа, которую можно положить равной 0. В результате получаем потенциал в виде Отсюда видно, что при перемещении тела из начальной точки O(0,0) до конечной точки A(L,0) работа равна

   Пример 7

Вычислить индукцию магнитного поля в вакууме на расстоянии r от оси бесконечно длинного проводника с током I. Чтобы найти магнитное поле на расстонии r от проводника, рассмотрим круговой контур радиуса r, расположенный перпендикулярно проводнику с током (рисунок 7). Поскольку поле направлено по касательной к круговому контуру в любой его точке, то скалярное произведение векторов и есть просто . Тогда можно записать В результате получаем

   Пример 8

Оценить значение электродвижущей силы ε и электрического поля E, возникающих в кольце радиусом 1 см у пассажира самолета, при полете самолета в магнитном поле Земли со скоростью 900 км/ч. Согласно закону Фарадея Поскольку проводящее кольцо перемещается в магнитном поле Земли, возникает изменение магнитного потока ψ, проходящего через кольцо.

Предположим, что магнитное поле перпендикулярно плоскости кольца. Тогда за время изменение потока равно где , v − скорость самолета, B − индукция магнитного поля Земли. Из последнего выражения получаем Подставляя заданные величины находим значение э.д.с.: Как видно, это вполне безопасно для авиапассажиров.

Напряженность возникающего электрического поля найдем по формуле . В силу симметрии, наведенное электрическое поле будет иметь постоянную амплитуду в любой точке кольца. Оно будет направлено по касательной к кольцу в любой его точке. Это позволяет легко вычислить криволинейный интеграл. Следовательно, напряженность электрического поля равна