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Formelsammlung Tensoranalysis

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

Allgemeines

Siehe auch

Formelsammlung Tensoralgebra

Nomenklatur

  • Es wird der dreidimensionale euklidische Vektorraum 𝕍={ℝ3,+,·} mit Skalarprodukt „·“ zu Grunde gelegt.
  • Operatoren wie „“ werden nicht kursiv geschrieben.
  • Buchstaben in der Mitte des Alphabets werden als Indizes benutzt:
  • Es gilt die Einsteinsche Summenkonvention ohne Beachtung der Indexstellung.
    • Kommt in einer Formel in einem Produkt ein Index doppelt vor wie in wird über diesen Index von eins bis drei summiert:
      .
    • Kommen mehrere Indizes doppelt vor wie in wird über diese summiert:
      .
    • Ein Index, der nur einfach vorkommt wie in , ist ein freier Index. Die Formel gilt dann für alle Werte der freien Indizes:
      .
  • Vektoren:
    • Alle hier verwendeten Vektoren sind geometrische Vektoren in 𝕍.
    • Vektoren werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet.
    • Einheitsvektoren mit Länge eins werden wie in ĉ mit einem Hut versehen.
    • Vektoren mit unbestimmter Länge werden wie in mit einem Pfeil versehen.
    • Standardbasis ê1,2,3
    • Beliebige Basis mit dualer Basis
    • Der Vektor wird durchgängig Ortsvektor genannt.
  • Tensoren zweiter Stufe werden wie in T mit fetten Großbuchstaben notiert. Insbesondere Einheitstensor 1.
  • Koordinaten:
  • Konstanten:
  • Zeit t ∈ ℝ
  • Variablen: skalar r,s ∈ ℝ oder vektorwertig
  • Feldfunktionen abhängig von oder :
    • Skalar oder vektorwertig
    • Tensorwertig: S, T
    • Skalar-, vektor- oder tensorwertig: φ
  • Operatoren:
  • Differentialoperatoren:
    • #Nabla-Operator: 𝜵
    • #Gradient: grad
    • #Divergenz: div
    • #Rotation: rot
    • #Laplace-Operator: Δ
    • Ein Index hinter einem Komma bezeichnet die Ableitung nach einer Koordinate:
    • Zeitableitung mit Überpunkt:
  • Landau-Symbole: f = 𝓞(x): f wächst langsamer als x.
  • Kontinuumsmechanik:

Kronecker-Delta

Permutationssymbol

Kreuzprodukt:

Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor:

Basisvektoren

Kartesische Koordinaten

mit Basisvektoren

die Standardbasis oder allgemeiner eine beliebige Orthonormalbasis ist.

Zylinderkoordinaten

Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten:

Kugelkoordinaten

Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten:

Krummlinige Koordinaten

Ableitung von Skalar-, Vektor- oder Tensorfunktionen

Gâteaux-Differential

mit , skalar-, vektor- oder tensorwertig aber und gleichartig.

Produktregel:

Kettenregel:

Fréchet-Ableitung

Existiert ein beschränkter linearer Operator , sodass

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

.

Ableitung der Inversen eines Tensors

siehe Formelsammlung Tensoralgebra#Tensoren vierter Stufe.

Denn das #Gâteaux-Differential der Inversen lautet:

Ableitungen nach dem Ort

Nabla-Operator

#Kartesische Koordinaten  :

#Zylinderkoordinaten:

#Kugelkoordinaten:

#Krummlinige Koordinaten  :    mit    .

Gradient

Definition des Gradienten/Allgemeines

Definierende Eigenschaft bei skalar-, vektor- oder tensorwertiger Funktion φ ist die lineare Approximation 𝓛 in einem Punkt:[1.1]

wenn

Wenn 𝓛 existiert, ist es eindeutig. Bei einer skalaren Funktion f ist grad(f) ein Vektor:

Bei Vektoren oder Tensoren φ gibt es Rechtsgradienten

und Linksgradienten

siehe Krummlinige Koordinaten#Allgemeine krummlinige Koordinatensysteme. Hier wird die Rechtsversion verwendet.

Berechnung für skalar-, vektor- oder allgemein tensorwertige Funktion φ:

Integrabilitätsbedingung: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines Skalarpotentials:

.

Koordinatenfreie Darstellung als Volumenableitung:

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

Nützliche Formeln für Gradienten

mit [2.1]

Gradient in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

#Zylinderkoordinaten:

#Kugelkoordinaten:

#Krummlinige Koordinaten:

Christoffelsymbole:

Vektorfelder:

Mit den kovarianten Ableitungen

Tensorfelder:

Für ein Tensorfeld zweiter Stufe:

Produktregel für Gradienten

In drei Dimensionen ist speziell[2]

Beliebige Basis:

Divergenz

Definition der Divergenz/Allgemeines

Vektorfeld  :

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]

→

Koordinatenfreie Darstellung:

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

Nützliche Formeln für Divergenzen

mit [2.1]

Divergenz in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

#Zylinderkoordinaten:

ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

#Kugelkoordinaten:

ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

Produktregel für Divergenzen

Beliebige Basis:

Produkt mit Konstanten:

Rotation

Definition der Rotation/Allgemeines

Vektorfeld  :

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]

→

Allgemeine Identitäten:

Integrabilitätsbedingung[3]: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:

.

Siehe auch #Satz über rotationsfreie Felder.

Koordinatenfreie Darstellung:

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

Rotation in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

#Zylinderkoordinaten:

#Kugelkoordinaten:

Produktregel für Rotationen

Beliebige Basis:

Produkt mit Konstanten:

In divergenzfreien Feldern ist also:

Laplace-Operator

Definition des Laplace Operators/Allgemeines

Für Skalarfelder:[4]

mit

der metrische Tensor der Riemannschen Mannigfaltigkeit,
∇i die kovariante Ableitung

Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:

„Vektorieller Laplace-Operator“ in 3D:

Für Tensorfelder[1]

Nützliche Formeln für den Laplace-Operator

mit [2.1]

Laplace-Operator in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

#Zylinderkoordinaten:

#Kugelkoordinaten:

Produktregel für den Laplace-Operator

[2.2]

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.

Bei symmetrischem T = T⊤ gilt:[1]

Wenn zusätzlich dann ist:

Grassmann-Entwicklung

Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation

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

siehe #Vektorieller Laplace-Operator.

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.

Satz über rotationsfreie Felder

oder

Gaußscher Integralsatz

  • Volumen mit Volumenform und
  • Oberfläche mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement
  • Ortsvektoren
  • Skalar-, vektor- oder tensorwertige Funktion des Ortes  :

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

Klassischer Integralsatz von Stokes

Gegeben:

  • Fläche mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement
  • Berandungskurve der Fläche mit Linienelement
  • Ortsvektoren

Vektorwertige Funktion  :

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

Reynoldscher Transportsatz

Gegeben:

  • Zeit
  • Zeitabhängiges Volumen mit Volumenform mit
  • Oberfläche des Volumes und äußerem vektoriellem Oberflächenelement
  • Ortsvektoren
  • Geschwindigkeitsfeld:
  • Eine skalare oder vektorwertige Dichtefunktion pro Volumeneinheit , die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe für das Volumen:

Skalare Funktion  :

Vektorwertige Funktion  :

Transportsatz für Flächenintegrale

Gegeben:

  • Zeit
  • Ortsvektoren
  • Geschwindigkeitsfeld:
  • Zeitabhängige Fläche , die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und auf der mit räumlichem, vektoriellem Oberflächenelement im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße , die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe auf der Fläche:

Skalare Funktion  :

Vektorwertige Funktion :

Transportsatz für Kurvenintegrale

Gegeben:

  • Zeit
  • Ortsvektoren
  • Geschwindigkeitsfeld:
  • Zeitabhängige Kurve , die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und entlang derer mit räumlichem, vektoriellem Linienelement im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße , die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe entlang des Weges:

Skalare Funktion  :

Vektorwertige Funktion :

Kontinuumsmechanik

Kleine Deformationen

Ingenieursdehnungen:

Kompatibilitätsbedingungen:

Starrkörperbewegung

Orthogonaler Tensor beschreibt die Drehung.

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

Starrkörperbewegung mit  :

Ableitungen der Invarianten

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

Funktion der Invarianten:

Ableitung der Frobenius-Norm:

Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des charakteristischen Polynoms):

→

Eigenwerte symmetrischer Tensoren:

Eigenwerte von , wo dual zu den Eigenvektoren sind :

 (keine Summe)

Die Eigenwerte von sind mit den Eigenvektoren . Hier ist:

 (keine Summe)

mit und der Überstrich markiert den konjugiert komplexen Wert.

Konvektive Koordinaten

Konvektive Koordinaten

Kovariante Basisvektoren ,   

Kontravariante Basisvektoren ,   

Deformationsgradient

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient

Kovarianter Tensor

Kontravarianter Tensor

Geschwindigkeitsgradient

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient:

Divergenz der Geschwindigkeit:

Winkelgeschwindigkeit oder Wirbelstärke ist der duale axiale Vektor

Objektive Zeitableitungen

Bezeichnungen wie in #Konvektive Koordinaten.

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient

Räumliche Verzerrungsgeschwindigkeit

Wirbel- oder Spintensor

Objektive Zeitableitungen von Vektoren

Gegeben::

Objektive Zeitableitungen von Tensoren

Gegeben:

Materielle Zeitableitung

#Kartesische Koordinaten:

#Zylinderkoordinaten:

#Kugelkoordinaten:

Fußnoten

Literatur

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