复变函数的向量场图
ComplexVectorPlot(expression)将抽象的复数运算转化为直观的几何图形。
1:恒等函数
向量场图特征:在整个复平面上,每个点 z 上的向量就是 z 本身。这意味着向量从原点呈放射状向外,离原点越远,向量越长。
物理意义:这可以解释为一个源(Source) 的流场。
流体力学:想象复平面是一个水池,原点处有一个水龙头在不断注水。水从原点均匀地流向四面八方。每个点的向量代表了水流的速度和方向。
静电学:原点处有一个正点电荷,向量代表正试探电荷在该点所受电场力的方向和大小。
ComplexVectorPlot(z,z=[-5-5@i,5+5@i])
2 :倒数函数
向量场图特征:
靠近原点:当 z 的模很小(接近原点)时,1/z 的模会非常大,向量又长又乱,原点是一个奇点。
远离原点:当 z 的模很大时,1/z 的模很小,向量很短,指向原点。
整体来看:场看起来像是从原点流出的流(源)和流入原点的流(汇)的结合。
物理意义:这描述了一个源汇偶极子(Source-Sink Dipole) 的流场,但更标准的解释是:
电磁学:它完美地描述了一个无限长直导线载有恒定电流时产生的磁场。导线垂直于复平面穿过原点,磁场线是围绕原点的同心圆。
向量场图显示的就是磁感应强度的方向和大小。原点(奇点)就是导线所在的位置。
ComplexVectorPlot(1/z,z=[-5-5@i,5+5@i])
3 :平方函数
向量场图特征:图像呈现出对称且复杂的模式。你会注意到在实轴和虚轴上,向量行为不同。
物理意义:它可以近似地描述一种拐角流动。
流体力学:想象流体在一个直角拐角处的流动。例如,河流冲过一个堤岸的直角拐弯,z^2 的向量场可以描述拐角附近流体的速度场。
ComplexVectorPlot(z^2,z=[-5-5@i,5+5@i])
4 :指数函数
向量场图特征:沿着垂直的线(x 为常数),所有向量的长度都相同。沿着水平的线(y 为常数),所有向量的方向都相同。图像呈现明显的周期性(沿垂直方向)。
物理意义:这可以描述一种周期性源或平面波。
波动物理:它可以表示一个沿水平方向传播的波,其振幅随 x 增大(或减小)而指数增长(或衰减)。
ComplexVectorPlot(exp(z),z=[-5-5@i,5+5@i])
5 :理想流体绕圆柱体的流动
这是流体力学中的一个经典模型,描述了风或水流绕过桥墩、圆柱形建筑等障碍物的流动情况。
这里,10 代表远处来流的速度 U₀ = 10 m/s。
4 是圆柱半径 R 的平方,即 R = 2 m。
向量场图意义:
这个向量场图表示的是流体的速度场。
在远离原点 (|z| 很大) 的区域,向量是几乎水平向右的,大小为 10,代表均匀的来流。
在圆柱表面 (|z| = 2) 附近,向量方向发生改变,与圆柱表面相切,这符合流体不能穿透固体的边界条件。
在圆柱的正上方和正下方,流速会加快;在圆柱的前后驻点,流速会降为 0。
物理应用:
用于计算桥梁墩柱、潜艇潜望镜、烟囱等结构所受的流体作用力。
ComplexVectorPlot(10*(z+4/z),z=[-5-5@i,5+5@i])
6 :电偶极子的电场
这个函数是电偶极子场的一种简化表示(更精确的表达式是 f(z) = p / z,其中 p 是偶极矩)。这里的常数 1 隐含了偶极矩的强度。
向量场图意义:
这个向量场图表示的是电场强度向量场。
向量从正电荷(可理解为位于原点左侧很近的位置)出发,指向负电荷(位于原点右侧很近的位置)。
场图呈现出典型的偶极子特征:在原点附近场强最大,随着距离增加而衰减;场线从正电荷发出,汇聚于负电荷。
物理应用:
分析分子(如水分子)的极性、无线电天线辐射、以及任何涉及分离正负电荷的系统。
ComplexVectorPlot(1/z,z=[-5-5@i,5+5@i])
7 :点涡与点汇的叠加流动 (浴缸排水)
这个例子模拟了一个更真实的场景:流体在旋转中流向一个排水口。
-2 * Ln(z):代表一个汇(排水口),强度为 2 m³/s。负号表示流体是流入的。
-5i * Ln(z):代表一个点涡,强度为 5 m²/s。-i 决定了旋转方向为顺时针。
向量场图意义:
这个向量场是上述两个场的线性叠加,表示流体的速度场。
向量场呈现出螺旋状的轨迹,流体一边绕原点顺时针旋转,一边流向中心被排出。
越靠近中心(排水口),流速越大,旋转的角速度也越大。
物理应用:
直观地模拟和解释浴缸或水槽排水时形成的漩涡、大气中的气旋或龙卷风(虽然是非常简化的模型)的核心流动特征。
ComplexVectorPlot((-2-5@i)*ln(z),z=[-5-5@i,5+5@i])
8 :均匀流绕过圆柱并有环量(产生升力)
它解释了飞机机翼产生升力的原理(库塔-茹科夫斯基定理)
8 * (z + 4/z):是速度为 8 m/s 的均匀流绕过半径为 2 m (R²=4) 的圆柱。
+ (15i / (2*π)) * Ln(z):这是在流场上叠加了一个点涡,环量强度为 15 m²/s。这个环量使得圆柱上下表面的流速不对称。
向量场图意义:
向量场图显示了叠加环量后的流体速度场。
由于环量的加入,圆柱上表面的流速显著大于下表面的流速。
根据伯努利原理,上表面压力小,下表面压力大,从而产生一个向上的净力,即升力。
物理应用:
这是空气动力学的基础。通过这个模型,可以理解为什么机翼的上表面要做成弯曲的(相当于增加了环量),从而产生使飞机上升的力。该理论直接应用于机翼和涡轮叶片的设计。
ComplexVectorPlot(8*(z+4/z)+(15@i/(2@pi))*ln(z),z=[-5-5@i,5+5@i])