Rotatie (vectorveld)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

De rotatie (Nederland) of rotor (Vlaanderen) (Engels: curl) is een eigenschap of functie van een driedimensionaal vectorveld. De rotatie in een punt van het veld geeft aan in welke mate de richting van het veld verandert. Vatten we het veld op als een stroming, dan geeft de rotatie in ieder punt aan, hoe snel en om welke as een meestromend deeltje zou draaien.

De rotatie laat zich formeel als differentiaaloperator interpreteren en hoort samen met de andere differentiaaloperatoren gradiënt en divergentie tot de vectoranalyse, een deelgebied van de multivariabele analyse.

Voorbeelden[bewerken]

  • Een wervelstorm roteert om het zgn. oog, en het vectorveld dat de windsnelheden beschrijft, heeft in het oog en mogelijk ook elders, een van 0 verschillende rotatie.
  • Het vectorveld dat de snelheid van de punten van een draaiende schijf voorstelt, heeft in ieder punt van de schijf een van 0 verschillende rotatie.
  • Het vectorveld van de snelheden op een autoweg waarvan de rijstroken van rechts naar links toenemende rijsnelheden vertonen, heeft op de grenzen tussen de rijstroken een van 0 verschillende rotatie.

Definitie[bewerken]

In de wiskunde is de rotatie (Nederland) of rotor (Vlaanderen) van een driedimensionaal vectorveld V een nieuw driedimensionaal vectorveld dat is gedefinieerd als het uitwendig product of ook wel vectorieel product van de nabla-operator \nabla met het vectorveld V:

\mathrm{rot\ } \mathbf{V} =
\nabla \times \mathbf{V} =\begin{pmatrix}
\frac{\partial}{\partial x} \\
\frac{\partial}{\partial y} \\
\frac{\partial}{\partial z} \\
\end{pmatrix} \times \begin{pmatrix}
V_x \\
V_y \\
V_z \\
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
\frac{\partial V_z}{\partial y} - \frac{\partial V_y}{\partial z} \\
\frac{\partial V_x}{\partial z} - \frac{\partial V_z}{\partial x} \\
\frac{\partial V_y}{\partial x} - \frac{\partial V_x}{\partial y} \\
\end{pmatrix}.

Men schrijft de rotatie van V ook wel als determinant:

\mathrm{rot\ } \mathbf{V} =
\begin{vmatrix} 
\mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 
{\frac{\partial}{\partial x}} & {\frac{\partial}{\partial y}} & {\frac{\partial}{\partial z}} \\
 V_x & V_y & V_z 
\end{vmatrix}
,

waarin i, j, en k de eenheidsvectoren zijn langs respectievelijk de x-, y- en z-as.

Voor de eenvoud van de formules bekijken we een om de z-as draaiende cilinder in plaats van een draaiende schijf. De beweging wordt beschreven door het vectorveld:

v_x(x,y,z)=-\omega y\,
v_y(x,y,z)=\omega x\,
v_z(x,y,z)=0\,.

De rotatie is:

\mathrm{rot\ } v =
\begin{pmatrix}
\frac{\partial v_z}{\partial y} - \frac{\partial v_y}{\partial z} \\
\frac{\partial v_x}{\partial z} - \frac{\partial v_z}{\partial x} \\
\frac{\partial v_y}{\partial x} - \frac{\partial v_x}{\partial y} \\
\end{pmatrix} = 
\begin{pmatrix}
0 - 0 \\
0 - 0 \\
\omega - (-\omega)\\
\end{pmatrix} =
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
2\omega\\
\end{pmatrix}
.

Dit is een draaiing om de z-as.

Zie ook[bewerken]