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Aufgabe:

Fluß durch Kreisfläche


Problem/Ansatz:

ich übe gerade für eine Prüfung und komme bei dieser Aufgabe nicht weiter:

<Berechnen Sie betragsmäßig den Fluß des konstanten Geschwindigkeitsfelds mit Geschwindigkeit v=(2/0/3) durch die Kreisfläche

K = {M + λa + µb | λ, µ ∈ R} ∩ {x ∈ R^3 | x − M < R}

mit Mittelpunkt M= (−2/5/1) und Radius R= 3 in der durch diesen Mittelpunkt M gehenden und
durch die Vektoren a=(1/2/0) und b=(0/1/-1) aufgespannten Ebene.>


Ich weiß, dass ich für die Flußberechnung das Skalarprodukt von der Geschwindigkeit und des Flächenvektors bilden muss, jedoch gelingt es mir nicht einen korrekten Ansatz zu bilden um auf den Flächenvektor zu kommen.

Mfg Mark

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Aloha :)

Willkommen in der Mathelounge... \o/

Der Normalenvektor der Ebene lautet:$$\vec n=\begin{pmatrix}1\\2\\0\end{pmatrix}\times\begin{pmatrix}0\\1\\-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-2\\1\\1\end{pmatrix}\implies\vec n_0=\frac{1}{\sqrt6}\begin{pmatrix}-2\\1\\1\end{pmatrix}$$

Den Fluss berechnen wir, indem wir das Geschwindigkeitsfeld \(\vec v=(2;0;3)^T\) in einen Anteil \(\vec v_\parallel\) parallel und einen Anteil \(\vec v_\perp\) senkrecht zu \(\vec n_0\) zerlegen. Weil das Skalarprodukt orthogonaler Vektoren verschwindet, geht nur der Anteil \(\vec v_\parallel\) in die Rechnung ein:

$$\phi=\left|\int\limits_K\vec v\,d\vec F\right|=\left|\int\limits_K\vec v\,\cdot\vec n^0\,dF\right|=\left|\int\limits_K\left(\vec v_{\parallel}+\vec v_{\perp}\right)\cdot\vec n^0\,dF\right|=\left|\int\limits_K\vec v_{\parallel}\cdot\vec n^0\,dF\right|$$$$\phantom\phi=\left|\int\limits_K\underbrace{(\vec v\cdot\vec n^0)\cdot\vec n^0}_{=\vec v_\parallel}\cdot\vec n^0\,dF\right|=\left|\int\limits_K\underbrace{(\vec v\cdot\vec n^0)}_{=\text{const}}\cdot\underbrace{(\vec n^0)^2}_{=1}\,dF\right|=\left|\vec v\cdot\vec n_0\right|\cdot\int\limits_KdF$$

Die Kreisfläche ist \(F=\pi\cdot3^2=9\pi\) und die Projektion beträgt:$$\left|\vec v\cdot\vec n_0\right|=\frac{1}{\sqrt6}\left|\begin{pmatrix}2\\0\\3\end{pmatrix}\begin{pmatrix}-2\\1\\1\end{pmatrix}\right|=\frac{1}{\sqrt6}$$

Damit haben wir den Betrag des Flusses ermittelt:$$\phi=\frac{1}{\sqrt6}\cdot9\pi=\frac{3\sqrt6}{2}\,\pi$$

Avatar von 148 k 🚀

Vielen Dank!! :)

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