Formelsammlung Tensoranalysis

Formelsammlung Tensoranalysis

xn Dieser Artikel ist eine Formelsammlung zum Thema Tensoranalysis. Es werden mathematische Symbole verwendet, die im Artikel Liste mathematischer Symbole erläutert werden.

Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der Analysis mit Vektor- und Tensorfeldern zweiter Stufe in der Kontinuumsmechanik zusammen.

Allgemeines

Siehe auch

Formelsammlung Tensoralgebra

Nomenklatur

Kronecker-Delta

δij=δij=δij=δji={1falls i=j0sonst

Permutationssymbol

ϵijk=e^i(e^j×e^k)={1falls(i,j,k){(1,2,3),(2,3,1),(3,1,2)}1falls(i,j,k){(1,3,2),(2,1,3),(3,2,1)}0sonst, d.h. bei doppeltem Index

Kreuzprodukt:

aie^i×bje^j=ϵijkaibje^k
ϵijke^k=e^i×e^j

Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor:

(a×A)g:=a×(Ag)
b(a×A)=(b×a)A
g(A×a):=(gA)×a
(A×a)b=A(a×b)

Basisvektoren

Kartesische Koordinaten

x1,x2,x3R

mit Basisvektoren

e^1=(100),e^2=(010),e^3=(001)

die Standardbasis oder allgemeiner eine beliebige Orthonormalbasis ist.

Zylinderkoordinaten

e^ρ=(cos(φ)sin(φ)0),e^φ=(sin(φ)cos(φ)0),e^z=(001)
e^ρ,φ=e^φ,e^φ,φ=e^ρe^z,φ=0

Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten:

ω=φ˙e^ze^˙ρ/φ/z=ω×e^ρ/φ/z

Kugelkoordinaten

e^r=(sin(ϑ)cos(φ)sin(ϑ)sin(φ)cos(ϑ)),e^ϑ=(cos(ϑ)cos(φ)cos(ϑ)sin(φ)sin(ϑ)),e^φ=(sin(φ)cos(φ)0)

Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten:

ω=(ϑ˙sin(φ)ϑ˙cos(φ)φ˙)=φ˙cos(ϑ)e^rφ˙sin(ϑ)e^ϑ+ϑ˙e^φe^˙r/ϑ/φ=ω×e^r/ϑ/φ

Krummlinige Koordinaten

y1,y2,y3R
bi=xyi,bi=grad(yi)=yixbibj=δij

Ableitung von Skalar-, Vektor- oder Tensorfunktionen

Gâteaux-Differential

Df(x)[h]:=ddsf(x+sh)|s=0=lims0f(x+sh)f(x)s

mit sR, f,x,h skalar-, vektor- oder tensorwertig aber x und h gleichartig.

Produktregel:

D(f(x)g(x))[h]=Df(x)[h]g(x)+f(x)Dg(x)[h]

Kettenregel:

Df(g(x))[h]=Df(g)[Dg(x)[h]]

Fréchet-Ableitung

Existiert ein beschränkter linearer Operator A, sodass

A[h]=Df(x)[h]h

gilt, so wird A Fréchet-Ableitung von f nach x genannt. Man schreibt dann auch

fx=A.

Ableitung von Potenzen eines Tensors

(T1)˙=T1T˙T1=(T1T1)23:T˙dT1dT=(T1T1)23(T1)˙=T1T˙T1=(T1T1)24:T˙dT1dT=(T1T1)24

siehe Formelsammlung Tensoralgebra#Spezielle Tensoren vierter Stufe.

Allgemein mit n ∈ ℕ, >0, T0 := 1:

DTn(T)[H]=m=0n1TmHTnm1dTndT=(m=0n1Tm(Tnm1))23

#Gâteaux-Differential der Inversen:

TT1=1DT(T)[H]HT1+TDT1(T)[H]=0DT1(T)[H]=T1HT1=(T1T1)23:HDT1(T)[H]=T1HT1=(T1T1)24:H

n ∈ ℕ, >0:

DTn(T)[H]=m=1n0TmDT1(T)[H]T1nm=m=1n0Tm1HTnmdTndT=(m=1n0Tm1(Tnm))23
DTn(T)[H]=m=1n0(Tm1)H(Tnm)dTndT=(m=1n0(Tm1)(Tnm))24

Orthogonaler Tensor (Q·Q=1):

Q˙=QQ˙Q

Ableitungen nach dem Ort

Nabla-Operator

#Kartesische Koordinaten x :=e^ixi

#Zylinderkoordinaten: =eρρ+1ρeφφ+ezz

#Kugelkoordinaten: =err+1reϑϑ+1rsin(ϑ)eφφ

#Krummlinige Koordinaten y :=bjyj    mit    bj=yjxie^i.

Gradient

Definition des Gradienten/Allgemeines

Definierende Eigenschaft bei skalar- oder vektorwertiger Funktion f:[1]

f(y)f(x)=grad(f)(yx)+O(|yx|) wenn yx

Wenn der Gradient existiert, ist er eindeutig. Berechnung bei skalar- oder vektorwertiger Funktion f:

grad(f)h=ddsf(x+sh)|s=0=lims0f(x+sh)f(x)shV

Integrabilitätsbedingung: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines Skalarpotentials:

rot(f)=0g:f=grad(g).

Koordinatenfreie Darstellung als Volumenableitung:

  • Volumen v mit
  • Oberfläche a mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement da
grad(f)=limv0(1vafda)

Skalarfeld f:

grad(f)=f=:fx

Vektorfeld f=fie^i:[2]

grad(f)=(f)=:fx
grad(x)=1

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

grad(f)=div(f1)=(f1)
grad(f)×c=rot(fc)

Gradient in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

grad(f)=f,ie^i
grad(f)=f,ie^i=e^igrad(fi)=fi,je^ie^j

#Zylinderkoordinaten:

grad(f)=f,ρe^ρ+f,φρe^φ+f,ze^z
grad(f)=e^ρgrad(fρ)+e^φgrad(fφ)+e^zgrad(fz)+1ρ(fρe^φfφe^ρ)e^φ

#Kugelkoordinaten:

grad(f)=f,re^r+f,ϑre^ϑ+f,φrsin(ϑ)e^φ
grad(f)=e^rgrad(fr)+e^ϑgrad(fϑ)+e^φgrad(fφ)+frr(1e^re^r)e^rfϑe^ϑ+fφe^φr+fϑe^φfφe^ϑrtan(ϑ)e^φ

#Krummlinige Koordinaten:

Christoffelsymbole: Γijk=gi,jgk

Vektorfelder:

grad(gi)=Γijkgkgj
grad(gk)=Γijkgigj
grad(figi)=fi|jgigj
grad(figi)=fi|jgigj

Mit den kovarianten Ableitungen

fi|j=f,ji+Γkjifk
fi|j=fi,jΓijkfk

Tensorfelder:

grad(T)[h]=(hgk)T,k=h(gkT,k)=(T,kgk)h

Soll das Argument wie beim Vektorgradient rechts vom Operator stehen, dann lautet der Tensorgradient

grad(T)=T,kgk

Für ein Tensorfeld zweiter Stufe:

grad(Tijgigj)=Tij|kgigjgk,Tij|k=Tij,kΓiklTljΓjklTilgrad(Tijgigj)=Tij|kgigjgk,Tij|k=T,kij+ΓlkiTlj+ΓlkjTilgrad(Ti.jgigj)=Ti.j|kgigjgk,Ti.j|k=Ti,k.jΓiklTl.j+ΓlkjTi.lgrad(T.ji)gigj=T.ji|kgigjgk,T.ji|k=T.j,ki+ΓlkiT.jlΓjklT.li

Produktregel für Gradienten

grad(fg)=(f,ig+fg,i)e^i=grad(f)g+fgrad(g)grad(fg)=(f,ig+fg,i)e^i=ggrad(f)+fgrad(g)grad(fg)=(f,ig+fg,i)e^i=ggrad(f)+fgrad(g)grad(f×g)=(f,i×g+f×g,i)e^i=f×grad(g)g×grad(f)

In drei Dimensionen ist speziell[3]

grad(fg)=grad(f)g+grad(g)f+f×rot(g)+g×rot(f)

Beliebige Basis:

grad(fibi)=bigrad(fi)+figrad(bi)

Divergenz

Definition der Divergenz/Allgemeines

Vektorfeld f :

div(f)=f=Sp(grad(f))
div(x)=Sp(grad(x))=Sp(1)=3

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]

div(T)c=div(Tc)cV
div(T)=(T)

Koordinatenfreie Darstellung:

  • Volumen v mit
  • Oberfläche a mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement da
div(f)=limv0(1vafda)

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

div(f)=f=Sp(grad(f))div(f1)=(f1)=grad(f)

Divergenz in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

div(f)=f,ie^i=fi,i
div(T)=T,ie^i=Tij,je^i
T=e^iT,i=Tij,ie^j=Tji,je^i

#Zylinderkoordinaten:

div(f)=1ρρ(ρfρ)+1ρfφ,φ+fz,z
div(T)=(Tρρ,ρ+1ρ(Tρφ,φ+TρρTφφ)+Tρz,z)e^ρ+(Tφρ,ρ+1ρ(Tφφ,φ+Tρφ+Tφρ)+Tφz,z)e^φ+(Tzρ,ρ+1ρ(Tzφ,φ+Tzρ)+Tzz,z)e^z

T=div(T) ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

#Kugelkoordinaten:

div(f)=fr,r+2fr+fϑ,ϑr+fϑcos(ϑ)+fφ,φrsin(ϑ)div(T)=(Trr,r+2TrrTϑϑTφφ+Trϑ,ϑr+Trφ,φ+Trϑcos(ϑ)rsin(ϑ))e^r(Tϑr,r+2Tϑr+Trϑ+Tϑϑ,ϑr+(TϑϑTφφ)cos(ϑ)+Tϑφ,φrsin(ϑ))e^ϑ(Tφr,r+2Tφr+Trφ+Tφϑ,ϑr+(Tϑφ+Tφϑ)cos(ϑ)+Tφφ,φrsin(ϑ))e^φ

T=div(T) ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

Produktregel für Divergenzen

div(fg)=(fg)=(f,ig+fg,i)e^i=grad(f)g+fdiv(g)
div(f×g)=(f×g)=(f,i×g+f×g,i)e^i=grot(f)frot(g)
div(fg)=(f,ig+fg,i)e^i=grad(f)g+div(g)fdiv(fT)=(f,iT+fT,i)e^i=Tgrad(f)+fdiv(T)div(Tf)=(T,if+Tf,i)e^i=div(T)f+T:grad(f)div(f×T)=(f,i×T+f×T,i)e^i=i(grad(f)T)+f×div(T)
(fg)=e^i(f,ig+fg,i)=(f)g+(g)f(fT)=e^i(f,iT+fT,i)=(f)T+fT(Tf)=e^i(T,if+Tf,i)=(T)f+T:(f)(T×f)=e^i(T,i×f+T×f,i)=(T)×fi((f)T)

Beliebige Basis:

div(fibi)=(fibi)=grad(fi)bi+fidiv(bi)
div(Tijbibj)=(grad(Tij)bj)bi+Tij(grad(bi)bj+div(bj)bi)
(Tijbibj)=((Tij)bi)bj+Tij((bi)bj+(bj)bi)

Produkt mit Konstanten:

div(fC)=Cgrad(f)div(f1)=grad(f)
(fC)=grad(f)C(f1)=f
div(Cf)=C:grad(f)div(f)=div(1f)=1:grad(f)=Sp(grad(f))

Rotation

Definition der Rotation/Allgemeines

Vektorfeld f :

rot(f)=×f

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]

rot(T)c=rot(Tc)cV
rot(T)=×(T)

Allgemeine Identitäten:

T=TSp(rot(T))=Sp(×T)=0
rot(x)=0

Integrabilitätsbedingung[4]: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:

div(f)=0g:f=rot(g).

Siehe auch #Satz über rotationsfreie Felder.

Koordinatenfreie Darstellung:

  • Volumen v mit
  • Oberfläche a mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement da
rot(f)=limv0(1vaf×da)

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

rot(fc)=grad(f)×crot(f)=i(grad(f))=i(f)=×f

Rotation in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

rot(f)=fj,ie^i×e^j=ϵijkfj,ie^k=(f3,2f2,3)e^1+(f1,3f3,1)e^2+(f2,1f1,2)e^3
rot(T)=e^i×T,i=e^i×Tlj,ie^je^l=ϵijkTlj,ie^ke^l

#Zylinderkoordinaten:

rot(f)=fz,φρfφ,zρe^ρ+(fρ,zfz,ρ)e^φ+fφ+ρfφ,ρfρ,φρe^z
rot(T)=e^ρ×(T,ρ)+1ρe^φ×(T,φ)+e^z×(T,z)
×T=e^ρ×T,ρ+1ρe^φ×T,φ+e^z×T,z

#Kugelkoordinaten:

rot(f)=fφ,ϑsin(ϑ)+fφcos(ϑ)fϑ,φrsin(ϑ)e^r+(fr,φrsin(ϑ)fφ+rfφ,rr)e^ϑ+fϑ+rfϑ,rfr,ϑre^φ
rot(T)=e^r×(T,r)+1re^ϑ×(T,ϑ)+1rsin(ϑ)e^φ×(T,φ)
×T=e^r×T,r+1re^ϑ×T,ϑ+1rsin(ϑ)e^φ×T,φ

Produktregel für Rotationen

rot(fg)=e^i×(f,ig+fg,i)=grad(f)×g+frot(g)rot(f×g)=e^i×(f,i×g+f×g,i)=(e^ig)f,i(e^if,i)g+(e^ig,i)f(e^if)g,i=grad(f)gdiv(f)g+div(g)fgrad(g)f=div(fg)div(gf)=(gf)(fg)
rot(fg)=e^i×(g,if+gf,i)=rot(g)fg×grad(f)rot(fT)=e^k×(f,kT+fT,k)=grad(f)×(T)+frot(T)

rot(Tf)=e^k×(T,kf+Tf,k)=rot(T)f+i(e^kTf,k)=rot(T)fi(Tgrad(f))rot(f×T)=rot((T×f))=×(T×f)=(×T)×f+T#(f)=rot(T)×f+(T#grad(f))

×(fg)=e^i×(f,ig+fg,i)=(×f)gf×((g)×(fT)=e^k×(f,kT+fT,k)=(f)×T+f×T

×(Tf)=e^k×(T,kf+Tf,k)=(×T)f+i(e^kTf,k)=(×T)fi(T(f))×(T×f)=e^k×(T,k×f+(Te^i)e^i×f,k)=(×T)×f(Te^i)×e^ke^i×f,k=(×T)×fT#(f)

Beliebige Basis:

rot(fibi)=grad(fi)×bi+firot(bi)

Produkt mit Konstanten:

rot(Cf)=i(Cgrad(f))rot(f)=rot(1f)=i(grad(f))rot(f×1)=1#grad(f)=grad(f)div(f)1

In divergenzfreien Feldern ist also: rot(f×1)=grad(f)

Laplace-Operator

Definition/Allgemeines

Δ:==2

Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:

Δf=div(grad(f))=(f)Δf=div(grad(f))=(f)

„Vektorieller Laplace-Operator“:

Δf=grad(div(f))rot(rot(f))

Laplace-Operator in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

Δf=f,kkΔf=Δfie^i=fi,kke^iΔT=ΔTije^ie^j=Tij,kke^ie^j

#Zylinderkoordinaten:

Δf=f,ρρ+f,ρρ+f,φφρ2+f,zzΔf=(Δfρ2fφ,φ+fρρ2)e^ρ+(Δfφ+2fρ,φfφρ2)e^φ+Δfze^z

#Kugelkoordinaten:

Δf=1r2r(r2fr)+1r2sin(ϑ)ϑ(sin(ϑ)fϑ)+1r2sin2(ϑ)2fφ2=2f,rr+f,rr+f,ϑcos(ϑ)+f,ϑϑsin(ϑ)r2sin(ϑ)+f,φφr2sin2(ϑ)Δf=(Δfr2r2(fr+fϑ,ϑ)2fφ,φ+fϑcos(ϑ)r2sin(ϑ))e^r+(Δfϑ+2fr,ϑr2fϑ+2fφ,φcos(ϑ)r2sin2(ϑ))e^ϑ+(Δfφfφ2fϑ,φcos(ϑ)2fr,φsin(ϑ)r2sin2(ϑ))e^φ

Verknüpfungen

Wegen der in der Literatur teilweise abweichenden Definitionen der Differentialoperatoren kann es in der Literatur zu abweichenden Formeln kommen. Wenn die Definitionen der Literatur hier eingesetzt werden, gehen die hiesigen Formeln in die der Literatur über.

div(rot(f))=(×f)=0rot(grad(f))=×f=0div(grad(f)×grad(g))=(f×g)=g(×f)=0rot(grad(f))=×(f)=0div(rot(T))=(×T)=0
div(grad(f))=(f)=()f=Δfdiv(grad(f))=(f)=()f=Δf
div(grad(f))=(f)=fi,ije^j=grad(div(f))rot(grad(f))=×((f))=×(f,ie^i)=grad(rot(f))
rot(rot(f))=×(×f)=(f)Δf=grad(div(f))Δfrot(rot(T))=(×(×(T)))=(T)()T=grad(div(T))ΔT
rot(rot(T))=ΔTgrad(grad(Sp(T)))+grad(div(T))+grad(div(T))+[ΔSp(T)div(div(T))]1

Bei symmetrischem T = T gilt:

rot(rot(T))=ΔTgrad(grad(Sp(T)))+grad(div(T))+grad(div(T))+[ΔSp(T)div(div(T))]1


Wenn zusätzlich T=T=GSp(G)1 dann ist:

rot(rot(T))=ΔG+grad(div(G))+grad(div(G))div(div(G))1

Der Laplace-Operator kann zwischen den anderen Operatoren wie ein Skalar behandelt werden, also an beliebiger Stelle in die Formeln eingesetzt werden, z. B.:

Δrot(rot(f))=rot(Δrot(f))=rot(rot(Δf))==Δgrad(div(f))ΔΔf=grad(Δdiv(f))ΔΔf=grad(div(Δf))ΔΔf

Grassmann-Entwicklung

f×rot(f)=12grad(ff)grad(f)f=(grad(f)grad(f))f=i(grad(f))×f
grad(f)f=12grad(ff)f×rot(f)

Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation

Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist harmonisch:

div(f)=0undrot(f)=0Δf=0

Helmholtz-Theorem

Jedes Vektorfeld lässt sich eindeutig in einen divergenzfreien und einen rotationsfreien Anteil zerlegen. Den Integrabilitätsbedingungen für Rotationen und Gradienten zufolge ist der erste Anteil ein Rotationsfeld und der zweite ein Gradientenfeld.
f=f1+f2:div(f1)=0undrot(f2)=0g,g:f=rot(g)+grad(g)

Satz über rotationsfreie Felder

I:rot(u):=e^k×u,k=0f:u=grad(f)II:rot(T)=0u:T=grad(u)III:rot(T)=0undSp(T)=0W:T=rot(W)undW=W

oder

II:×(T)=0u:T=grad(u)III:×(T)=0undSp(T)=0W:T=rot(W)undW=W

Gaußscher Integralsatz

  • Volumen v mit Volumenform dv und
  • Oberfläche a mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement da
  • Ortsvektoren xv
  • Skalar-, vektor- oder tensorwertige Funktion f,f,T des Ortes x :
vgrad(f)dv=afdavgrad(f)dv=afdavdiv(f)dv=afdavrot(f)dv=af×davdiv(T)dv=aTdavTdv=aTda

Mit der #Produktregel für Gradienten, #Produktregel für Divergenzen und #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:

grad(fg)=grad(f)g+fgrad(g)vgrad(f)gdv=afgdavfgrad(g)dv

Klassischer Integralsatz von Stokes

Gegeben:

  • Fläche a mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement da
  • Berandungskurve b der Fläche a mit Linienelement db
  • Ortsvektoren xa

Vektorwertige Funktion f(x,t) :

arot(f)da=bfdb

Mit der #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:

rot(fg)=grad(f)×g+frot(g)a(grad(f)×g)da=bfgdbafrot(g)da

Reynoldscher Transportsatz

Gegeben:

  • Zeit t
  • Zeitabhängiges Volumen v mit Volumenform dv mit
  • Oberfläche des Volumes a und äußerem vektoriellem Oberflächenelement da
  • Ortsvektoren xv
  • Geschwindigkeitsfeld:v(x,t)
  • Eine skalare oder vektorwertige Dichtefunktion pro Volumeneinheit f(x,t), die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe für das Volumen:vf(x,t)dv

Skalare Funktion f(x,t) :

ddtvfdv=vftdv+af(vda)=v(ft+div(fv))dv=v(ft+grad(f)v+div(v)f)dv=v(f˙+div(v)f)dv

Vektorwertige Funktion f(x,t) :

ddtvfdv=vftdv+af(vda)=v(ft+div(vf))dv=v(ft+grad(f)v+div(v)f)dv=v(f˙+div(v)f)dv

Transportsatz für Flächenintegrale

Gegeben:

  • Zeit t
  • Ortsvektoren xv
  • Geschwindigkeitsfeld:v(x,t)
  • Zeitabhängige Fläche a:[0,1]2v, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und auf der mit räumlichem, vektoriellem Oberflächenelement da im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße f(x,t), die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe auf der Fläche:af(x,t)da

Skalare Funktion f(x,t) :

ddtafda=a[f˙1+fdiv(v)1fgrad(v)]da

Vektorwertige Funktion f(x,t):

ddtafda=a[f˙+fdiv(v)grad(v)f]da

Transportsatz für Kurvenintegrale

Gegeben:

  • Zeit t
  • Ortsvektoren xv
  • Geschwindigkeitsfeld:v(x,t)
  • Zeitabhängige Kurve b:[0,1)v, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und entlang derer mit räumlichem, vektoriellem Linienelement db im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße f(x,t), die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe entlang des Weges:bf(x,t)db

Skalare Funktion f(x,t) :

ddtbfdb=b(f˙1+fgradv)db

Vektorwertige Funktion f(x,t):

ddtbfdb=b(f˙+fgradv)db

Kontinuumsmechanik

Kleine Deformationen

Ingenieursdehnungen:

ε=εije^ie^j=12(ui,j+uj,i)e^ie^j

Kompatibilitätsbedingungen:

rot(rot(ε))=×(×ε)=02ε12,12ε22,11ε11,22=02ε13,13ε33,11ε11,33=02ε23,23ε33,22ε22,33=0ε11,23+ε23,11ε12,13ε13,12=0ε22,13+ε13,22ε12,23ε23,12=0ε12,33+ε33,12ε13,23ε23,13=0

Starrkörperbewegung

Orthogonaler Tensor Q beschreibt die Drehung.

Ω:=Q˙Q=(QQ˙)=QQ˙

Vektorinvariante oder dualer axialer Vektor ω des schiefsymmetrischen Tensors Ω ist die Winkelgeschwindigkeit:

Ωr=ω×rr

Starrkörperbewegung mit r=const. :

x=f+Qrr=Q(xf)
v=f˙+Q˙r=f˙+Q˙Q(xf)=f˙+Ω(xf)=f˙+ω×(xf)

Ableitungen der Invarianten

I1(T)T=Sp(T)T=1
I2(T)T=I1(T)1T
I3(T)T=det(T)T=det(T)T1=cof(T)=TTI1(T)T+I2(T)1

mit der transponiert inversen T⊤-1 und dem Kofaktor cof(T) des Tensors T.

Funktion f der Invarianten:

fT(I1(T),I2(T),I3(T))=(fI1+I1fI2+I2fI3)1(fI2+I1fI3)T+fI3TT

Ableitung der Frobenius-Norm:

TT=TT

Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des charakteristischen Polynoms):

Tv=λvdet(Tλ1)=λ3+I1λ2I2λ+I3=0
dλdT=(λ2λI1+I2)1+(λI1)T+TT3λ22I1λ+I2

Eigenwerte symmetrischer Tensoren:

Tv=λvλT=vv

Eigenwerte von T=i=13λivivi, wo vi dual zu den Eigenvektoren vi sind (vivj=δij):

λiT=vivi (keine Summe)

Die Eigenwerte von T=cv1v1+a(v2v2+v3v3)+b(v2v3v3v2) sind λ1=c,λ2=a+ib,λ3=aib mit den Eigenvektoren v1,w2=v2+iv3,w3=v2iv3. Hier ist:

λ1T=v1v1,λkT=12wkwk,k=2,3 (keine Summe)

mit w2=v2+iv3,w3=v2iv3 und der Überstrich markiert den konjugiert komplexen Wert.

Konvektive Koordinaten

Konvektive Koordinaten y1,y2,y3R

Kovariante Basisvektoren Bi=dXdyi,    bi=dxdyi

Kontravariante Basisvektoren Bi=dyidX:=GRAD(yi),    bi=dyidx:=grad(yi)

BiBj=bibj=δij

Deformationsgradient F=biBi

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient l=b˙ibi=bib˙i

Kovarianter Tensor T=Tijbibj

Kontravarianter Tensor T=Tijbibj

Geschwindigkeitsgradient

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient:l=grad(v)=F˙F1

Divergenz der Geschwindigkeit:div(v)=Sp(l)

Winkelgeschwindigkeit oder Wirbelstärke ist der duale axiale Vektor

ω=lA=12i(l)=12rot(v)
DDtdet(F)=det(F)F1:F˙=det(F)Sp(F˙F1)=det(F)div(v)

Objektive Zeitableitungen

Bezeichnungen wie in #Konvektive Koordinaten.

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient l=b˙ibi=bib˙i=d+w

Räumliche Verzerrungsgeschwindigkeit d=12(l+l)

Wirbel- oder Spintensor w=12(ll)

Objektive Zeitableitungen von Vektoren

Gegeben:v=vibi=vibi:

vΔ=v˙+lv=v˙ibiv=v˙lv=v˙ibiv=v˙wv

Objektive Zeitableitungen von Tensoren

Gegeben:T=Tijbibj=Tijbibj

TΔ=T˙+Tl+lT=T˙ijbibjT=T˙lTTl=T˙ijbibjT=T˙+TwwTT=T˙+Sp(l)TlTTl

Materielle Zeitableitung

f˙(x,t)=DfDt=ft+grad(f)v=ft+(v)f
f˙(x,t)=DfDt=ft+grad(f)v=ft+(v)f

#Kartesische Koordinaten:DfDt:=ft+vxfx+vyfy+vzfz

#Zylinderkoordinaten:DfDt:=ft+vρfρ+vφρfφ+vzfz

#Kugelkoordinaten:DfDt:=ft+vrfr+vφrsin(ϑ)fφ+vϑrfϑ

Materielle Zeitableitungen von Vektoren werden mittels DfDt=DfiDte^i daraus zusammengesetzt.

Fußnoten

  1. 1,0 1,1 1,2 Truesdell (1972), S. 10 ff.
  2. In der Literatur (z. B. Altenbach 2012) wird auch die transponierte Beziehung benutzt:
    grad~(f)=f=e^ifxi=fjxie^ie^j=grad(f)
    Dann muss, um die Formeln zu vergleichen, grad~(f) und grad(f) vertauscht werden.
  3. Wolfgang Werner: Vektoren und Tensoren als universelle Sprache in Physik und Technik. Tensoralgebra und Tensoranalysis. Band 1. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2019, ISBN 978-3-658-25271-7, S. 367, doi:10.1007/978-3-658-25272-4.
  4. R. Greve (2003), S. 111.

Literatur

  • H. Altenbach: Kontinuumsmechanik. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24118-5.
  • M. Bestehorn: Hydrodynamik und Strukturbildung. Springer, 2006, ISBN 978-3-540-33796-6.
  • Adolf J. Schwab: Begriffswelt der Feldtheorie. Praxisnahe, anschauliche Einführung. Elektromagnetische Felder, Maxwellsche Gleichungen, Gradient, Rotation, Divergenz. 6., unveränderte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2002, ISBN 3-540-42018-5.
  • Konrad Königsberger: Analysis. überarbeitete Auflage. Band 2. 4. Springer, Berlin u. a. 2000, ISBN 3-540-43580-8.
  • Ralf Greve: Kontinuumsmechanik. Springer, 2003, ISBN 3-540-00760-1.
  • C. Truesdell: Festkörpermechanik II. In: S. Flügge (Hrsg.): Handbuch der Physik. Band VIa/2. Springer, 1972, ISBN 3-540-05535-5.