Файл: Могилев А.В. Информатика.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 31.03.2021

Просмотров: 6596

Скачиваний: 50

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

621 

нарно движущемся по трубе потоке жидкости? На рис. 7.24 дан (схематически) ответ на послед-
ний вопрос: чем ближе к стенке трубы, тем меньше скорость из-за естественной вязкости жидко-
сти и трения о стенку трубы. Качественно понять указанную закономерность можно, вероятно, без 
всяких  уравнений,  но  определить  профиль  скоростей,  т.е.  форму  огибающей  векторов  скорости 
без математического моделирования невозможно. Таких  задач, представляющих огромный прак-
тический  интерес,  очень  много,  а  связанные  с  их  решением  математические  проблемы  столь 
сложны, что чаще всего соответствующее математическое моделирование может быть реализова-
но лишь на компьютере. 

 

Рис. 7.24.

 Распределение скоростей в потоке жидкости, движущейся в трубе 

 

Как правило, еще сложнее решение динамических задач. Если электрическое поле создает-

ся движущимися зарядами, то определить, как оно меняется во времени в каждой точке простран-
ства - задача очень непростая. Не менее трудно определить эволюцию скорости в разных местах в 
жидкости, если в некотором месте пульсирует давление; изменения значений температуры в раз-
ных точках некоторого тела, которое подогревают изнутри

 

или извне от источников тепла, интен-

сивность которых изменяется со временем. 

Подобные  задачи  привлекают  неослабевающее  внимание  физиков,  научных  работников 

смежных областей, инженеров уже не менее 200 лет. Практическая необходимость в их решении 
велика;  без  этого  не  спроектировать  ни  современных  технических  устройств  и  механизмов,  ни 
строений, ни космических аппаратов, ни многого другого. Главный способ решения таких задач - 
математическое  моделирование.  Любопытно,  что  и  сами  компьютеры,  и  входящие  в  них  микро-
элементы  невозможно  спроектировать  без  оценок  электрических  полей  и  потоков  тепла  от  этих 
устройств. 

Поскольку математический аппарат такого моделирования бывает весьма сложен, мы огра-

ничимся лишь двумя относительно простыми задачами, в которых отражается часть общих зако-
номерностей. Одна из них - статическая, другая -динамическая. 

Распределение электростатического поля

. Что стоит за электрической (кулоновской) си-

лой, заставляющей двигаться заряженную частицу 

q

?

 –

 Ответ хорошо известен: электрическое по-

ле 

E

,

 существующее в каждой точке пространства, созданное другими заряженными телами (ко-

торые будем считать неподвижными). Если это поле создается одним точечным зарядом 

Q,

 то ве-

личина  напряженности  поля  зависит  от  расстояния 

r

  от 

Q

  до  данной  точки  пространства: 

2

0

4

1

r

Q

E



,

 ее направление - по радиусу от заряда (если 

Q

 положителен). Поле это существует 

совершенно  независимо  от  «пробного»  заряда 

q

  и  может  рассматриваться  как  сплошная  среда. 

Существуют две взаимосвязаные характеристики электрического поля: напряженность 

E

 (вектор-

ная характеристика) и потенциал 

φ - 

скалярная. Для поля точечного заряда 

r

Q

0

4

1



.

 

Если поле создано не одним, а несколькими зарядами, то напряженность и потенциал в ка-

ждой точке можно найти из известного принципа суперпозиции: 

 

 

где 

i

E

 и 

φ

i

 создаются в этой точке 

i

-м зарядом, рис. 7.25. По отношению к 

E

 

принцип суперпози-

ции означает необходимость векторного сложения, к 

φ

 — «обычного» (с учетом знаков отдельных 

потенциалов). 

Зная потенциал в каждой точке поля, т.е. функцию Ф 

= φ (х, у, z),

 можно найти напряжен-

ность в каждой точке чисто математическим путем, отражающим тот факт, что проекция вектора 


background image

 

622 

напряженности на любое направление есть скорость изменения потенциала в этом направлении: 

(7.43) 

 

 

Рис. 7.25.

 Нахождение напряженности электрического поля по принципу суперпозиции 

 

Частным случаем (7.43) являются формулы 

r

r

Q

E

3

0

4

1



 

и 

r

Q

0

4

1



  для  одного  то-

чечного заряда. Действительно, фиксируем некоторую точку 

А

 поля на расстоянии 

r

 от заряда 

Q

 и 

введем локальную систему координат с центром в 

А;

 у этой системы ось 

r

 является продолжением 

радиуса-вектора 

r

, а две другие оси 

–х 

и 

у -

 перпендикулярны к ней. Примем, что 

r

Q

A

0

4

1



,

 и 

найдем 

A

E

,

 опираясь на формулы (7.43). Поскольку 

φ

A

 от 

х

 и 

у

 не зависит, то 

x

A

 =

 0, 

y

A

 = 0, а  

 

 

таким  образом, 





2

0

4

1

,

0

,

0

r

Q

E

A



  -

  т.е.  мы  пришли  к  известному  результату  о  величине  и  на-

правлении поля, созданного точечным зарядом. 

Расчет электрического поля - важная в прикладном плане задача. В реальных конструкциях 

поле создается не одним-двумя точечными зарядами, а достаточно причудливо расположенными в 
пространстве  заряженными  телами  самых  разнообразных  форм:  пластины,  плоские  и  изогнутые; 
штыри;  правильные  и  деформированные  сфероиды  и  т.д.  Для  инженера  и  научного  работника 
важно  иметь  наглядную  картину  поля,  изображенного  некоторым  условным  образом.  Самое  не-
удобное  изображение,  почти  не  используемое  -  нарисовать  много  стрелок,  соответствующих  на-
пряженности поля в разных точках, так, чтобы длины стрелок были пропорциональны напряжен-
ностям.  Такой  рисунок  является  громоздким,  стрелки  на  нем  пересекаются,  мелкие  детали  вы-
явить  трудно.  Есть  два  классических  способа  для  наглядного  изображения  поля:  поверхностями 
(или линиями) равного потенциала и силовыми линиями поля. 

Можно доказать, что для любого электростатического поля множество точек, потенциал в 

которых одинаков, т.е. точек, удовлетворяющих уравнению 

φ (х, у, г)

 = 

φ

0

при любом 

φ

0

 образует 

замкнутую поверхность (так называемую, эквипотенциальную поверхность). Для одного точечно-
го заряда это сфера; в общем случае эта поверхность может быть очень сложной. Для многих тех-
нических  приложений  знать  форму  таких  поверхностей  просто  необходимо  -  например,  чтобы, 
располагая  детали  конструкции,  избежать  между  ними  большой  разности  потенциалов.  Линии 
равного потенциала являются сечениями поверхности равного потенциала той плоскостью, в ко-
торой строится изображение. 

Силовые линии, как известно из любого учебника физики, есть такие линии, касательные к 

которым в каждой точке задают направление вектора напряженности поля. Силовые линии нико-
гда не пересекаются между собой. Они начинаются на положительных зарядах и либо заканчива-
ются на отрицательных, либо уходят «на бесконечность». По обычному соглашению число сило-


background image

 

623 

вых линий, исходящих

 

из

 

точечного заряда, пропорционально величине этого заряда; коэффици-

ент пропорциональности выбирается таким, чтобы изображение было легко читаемым. 

Обсудим  практический  метод  построения  картины  поверхностей  равного  потенциала  для 

системы,  состоящей  из  нескольких  точечных  зарядов  произвольной  величины  и  знака,  любым 
способом расположенных в пространстве. Введем некоторую систему координат, начало которой 
удобнее расположить в «пустой» точке, т.е. ни на одном из зарядов. Пусть в этой системе коорди-
наты зарядов имеют значения 

j

r

 = 

j

j

,z

j

), j= 

1,2,

...р,

 где 

р -

 число зарядов. 

Поскольку  изображать  трехмерные  поверхности  -  дело  достаточно  сложное,  рассмотрим 

вначале  построение  линий  равного  потенциала  (изолиний),  образованных  сечением  поверхности 
равного  потенциала  некоторой  плоскостью;  пусть,  для  определенности,  это  будет  плоскость  л'}'. 
Воспользуемся методом сеток, играющим в моделировании свойств сплошных сред исключитель-
но важную роль. 

Выберем по осям 

х

 и у некоторые шаги 

h

x

 и

 h

y

 и покроем плоскость сеткой, образованной 

прямыми, параллельными осям 

х

 и 

у

 и отстоящими друг от друга на расстояниях 

h

x

 и 

h

y

 соответст-

венно. Точки пересечения этих прямых — узлы сетки. Пронумеруем их так: начало координат (0, 
0), следующий по оси 

x

 вправо - (0, 1), влево - (0, -1); по оси 

у

 вверх - (1, 0), вниз (-1, 0) и т.д. Зна-

чения потенциала, создаваемого системой зарядов 

Q

1

 … 

Q

p

 в узле 

(i ,k),

 согласно принципу супер-

позиции, таково (обратим внимание, что здесь и ниже 

i

 - номер строки, 

k -

 столбца сетки): 

 

Ограничимся прямоугольной областью в плоскости 

ху: [-mh

x

, mh

x

]

 по оси 

х

 и 

[-nh

y

, nh

y

]

 по 

оси 

у.

 В этой области (2

m

 + l) ∙ (2

n

 + l) узлов. Вычислим значения потенциала в каждом из них по 

указанным формулам; для ЭВМ эта задача совершенно элементарна, даже если 

т

 и 

n

 составляют 

несколько десятков или сотен. В результате получим матрицу значений потенциала. 

Фиксируем  некоторое  значение  потенциала  Ф  и  построим  изолинию,  соответствующую 

этому значению. Для этого проходим, к примеру, по 

i

-ой горизонтальной линии сетки и ищем сре-

ди ее узлов такие соседние, значения потенциала в которых «захватывают» Ф между собой; при-
знаком этого

 

может служить выполнение неравенства 

 

Если такая пара узлов найдена, то координату

 

точки, в которой Ф = Ф , найдем приближен-

но с помощью линейной интерполяции: 

 

(7.44) 

 
Найдя в данной горизонтали все такие точки, переходим к следующей горизонтали, пока не 

исчерпаем их все. Для этого надо совершить двойной циклический проход: во внешнем цикле пе-
ребирать 

i

 от 

-п

 до 

+п, во

 внутреннем перебирать 

k

 от - 

т

 до 

+т.

 

После этого следует аналогично заняться поиском нужных точек на вертикальных линиях сет-

ки. Детали процедуры очевидны; формулы, аналогичные (7.44), имеют вид: 

(7.45) 

После  прохождения  всех  горизонтальных  и  вертикальных  линий  сетки  находятся  все  те 

точки на этих линиях, в которых потенциал равен 

Ф

~ . Проведя — мысленно или на бумаге — кри-

вую, плавно проходящую через ближайшие точки, получаем искомую изолинию (разумеется лишь 
в том случае, если значение 

Ф

~

 выбрано разумно и такая линия есть в пределах рассматриваемой 

области). Затем берем другие значения 

Ф

~

 и повторяем указанную процедуру, получая таким обра-

зом семейство изолиний. 

Приведенная  ниже  программа  реализует  указанные  построения.  Предполагается,  что  все 

заряды лежат в одной плоскости, и изолинии строятся тоже лишь в этой плоскости. 


background image

 

624 

 
Программа 149.

 Программа построения линий равного потенциала. 

Program Potential; 

Uses Crt, Graph; 
Const N = 100; (Размер сетки NxN}  
Var X, У, Q, G : Array[1..10] Of Real; F : Array[0..N, 0..N] Of Real; 
    I, J, M, L, K: Integer; A, B, R: Real; 
Begin 

 WriteLn('Сколько зарядов? (не более 10)'); ReadLn(K); 
 Write('Ведите координаты x, у и величины зарядов q'); 
 WriteLn('(координаты - в диапазоне 0-1)'); 
 For I := 1 То К Do 

Begin Write('х[', I, ']='); 

ReadLn(X[I]); Write('y[', I, ']='); ReadLn(Y(I]); 
Write('q[', I, ']= '); ReadLn(Q[I])  

  End; 
For I := 0 To N Do  
For J := 0 To N Do  

For M := 1 To K Do  
Begin 

R := Sqrt(Sqr(I / N - X[M]) + Sqr(J / N - Y[M])); 
  If R>=1E-6 Then F(I,J]:= F(I,J]+Q[M]/R Else F[I,J]:=1E+8  

       End; 

Write('Сколько построить изолиний? (не более 10)'); ReadLn(L); 
WriteLn('Введите значения потенциала g для построения изолиний'); 
For I := 1 То L Do 

Begin Write ('g[', I, ']='); ReadLn(G(I]) End; 

DetectGraph(I, J); InitGraph(I, J, "); 
For I := 1 To К Do  
Begin 

A := X[I] * GetMaxX; В := (1 - Y[I]) * GetMaxY; 
Circle(Round(A), Round(B), 4); FloodFill(Round(A), Round(B),  
GetColor) ; 

End; 
For M := 1 To L Do  
Begin 

B := G[M]; SetColor(M); 
For I := 0 To N Do 

For J := 0 To N - 1 Do 

If (F[I, J] - B) * (F[I, J + 1] - В) < О  
Then Begin 

A:=(J+(B-F[I,J])/(F[I,J+1]-F[I,J]))/N; 
Circle(Round;I/N*GetMaxX), Round((1-A)*GetMaxY), 1) 

     End; 

For J := 0 To N Do 

For I := 0 To N - 1 Do 

If (F[I, J] - B) * (F[I + 1, J] - В) < 0 
Then Begin 

A:=(I+(B-F[I,J])/(F[I+1,J]-F[I,J]))/N; 

Circle(Round(A*GetMaxX), Round((1-
J/N)*GetMaxY), 1)  

                       End  
                  End; 

SetColor(15); OutTextXY(10, 50, 'для продолжения нажмите любую клавишу'); 
Repeat Until KeyPressed; CloseGraph; 
End. 

 
Несколько примеров использования этой программы приведены на рис. 7.26, 7.27. 


background image

 

625 

 

 

Рис. 7.26.

 Поле создано семью зарядами 

q

1

 = q

2

 = q

3

 = q

4

 = 

1

, q

5

 = q

6

 = q

7

 = 

-1

,

 имеющими соот-

ветственно координаты (0,2;0,2), (0,8;0,8), (0,2;0,8), (0,8;0,2), (0,2;0,5), (0,5;0,5), (0,8;0,5). Изолинии 

построены для потенциалов -4,

 

-3, -2, -1,0, 1, 2, 3,4 

 

 

Рис. 7.27.

 Поле создано пятью зарядами 

q

1

 =

 1, 

q

2

 = -2, q

3

 = 2, q

4

 = -3, q

5

 =

 1, имеющими соответ-

ственно координаты (0,3; 0,75), (0,2; 0,5), (0,7; 0,2), (0,5; 0,9), (0,5; 0,5). Изолинии построены для 

потенциалов -4, -3, -2, -1,0, 1, 2, 3,4 

 

Оставим технические вопросы на самостоятельное решение и обсудим некоторые принци-

пиальные. Допустим, между двумя ближайшими  узлами  выполняется  записанное выше неравен-
ство - означает ли это, что между ними действительно лежит 

одна

 точка, в которой Ф = 

Ф

~ ? Отве-

тить нетрудно: да, если потенциал между этими узлами меняется монотонно. Если же узлы столь 
редки (т.е. 

h

x

 и (или) 

h

y

 слишком велики), что потенциал между соседними узлами меняется немо-

нотонно, то числа, полученные по формулам (6.44), (6.45), не имеют практически никакого отно-
шения к реальным точкам, в которых Ф = 

Ф

~ ; это утверждение проиллюстрировано рис. 7.28. 

Очевидно, что для получения изолиний следует брать достаточно малые 

h

x

  и 

h

y

Проверка 

достоверности (эмпирическая) состоит в том, что строится картина изолиний с некоторыми 

h

x

 и 

h

y

 

(часто берут 

h

x

 = 

h

y

)

,

 а затем с вдвое меньшими значениями; если картины близки, то построение 

на этом завершается. 

Даже если все заряды лежат в одной плоскости (как это было на рис. 7.26 и 7.27), поле су-

ществует, конечно, и вне этой плоскости. Один из способов наглядного построения изображения 
поля - найти изолинии, соответствующие некоторому фиксированному набору значений Ф; в не-