Rotácia (operátor)

Rotácia je diferenciálny operátor definovaný pre vektorové funkcie n premenných, ktorý v každom bode udáva lokálnu mieru rotácie (otáčania) definovaného týmto poľom. Značí sa $\mathrm {rot}$, prípadne (hlavne v anglickej literatúre) $\mathrm {curl}$. Je definovaný ako $\nabla \times \mathbf {F}$ (kombinácia operátoru nabla a vektorového súčinu), v troch rozmeroch (pre funkciu troch premenných) ho možno zapísať v tvare:

$\operatorname {rot} \,\mathbf {F} =\nabla \times \mathbf {F} =\left({\frac {\partial F_{z}}{\partial y}}-{\frac {\partial F_{y}}{\partial z}},{\frac {\partial F_{x}}{\partial z}}-{\frac {\partial F_{z}}{\partial x}},{\frac {\partial F_{y}}{\partial x}}-{\frac {\partial F_{x}}{\partial y}}\right)$

Rotáciu využíva napr. Stokesova veta, ktorá prevádza krivkový integrál vektorového poľa po uzavretej krivke na plošný integrál rotácie tohto vektorového poľa cez ľubovolnú plochu ohraničenú touto krivkou. Ak je rotácia vektorového poľa nulová, potom sa toto pole dá vyjadriť ako gradient skalárnej funkcie (tzv. potenciálu) a nazýva sa potenciálnym poľom.

Vlastnosti rotácie

Ak označíme F, G vektorové polia, f skalárne pole, a, b reálne čísla, potom operátor rotácie spĺňa nasledujúce identity:

Je lineárna voči reálnym číslam

$\nabla \times \left(a\mathbf {F} +b\mathbf {G} \right)=a\nabla \times \mathbf {F} +b\nabla \times \mathbf {G}$.

Rotácia gradientu je nulová

$\nabla \times \nabla f=\mathrm {rot} \,\mathrm {grad} \,f=\mathbf {0}$.

Rotácia z vektorového poľa násobeného skalárnym poľom (vektora funkcie) je

$\nabla \times \left(f\mathbf {F} \right)=\nabla f\times \mathbf {F} +f\nabla \times \mathbf {F}$.

Rotácia z vektorového súčinu dvoch vektorových polí je

$\nabla \times \left(\mathbf {F} \times \mathbf {G} \right)=\left(\mathbf {G} \cdot \nabla \right)\mathbf {F} -\left(\mathbf {F} \cdot \nabla \right)\mathbf {G} +\mathbf {F} \left(\nabla \cdot \mathbf {G} \right)-\mathbf {G} \left(\nabla \cdot \mathbf {F} \right)$,

pre rotáciu z rotácie vektorového poľa F platí

$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {F} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {F} \right)-\Delta \mathbf {F}$.

Vyjadrenie v rôznych sústavách súradníc

Nasledujúce vzťahy udávajú vyjádrenie rotácie v rôznych súradných sústavách v trojrozmernom priestore. Ak je F vektorové pole v daných súradniciach, potom platí

Vo valcových súradniciach

$\nabla \times \mathbf {F} =\left({1 \over r}{\partial F_{z} \over \partial \varphi }-{\partial F_{\varphi } \over \partial z}\right){\boldsymbol {\hat {r}}}+\left({\partial F_{r} \over \partial z}-{\partial F_{z} \over \partial r}\right){\boldsymbol {\hat {\varphi }}}+{1 \over r}\left({\partial (rF_{\varphi }) \over \partial r}-{\partial F_{r} \over \partial \varphi }\right){\boldsymbol {\hat {z}}}$

Vo sférických súradniciach

$\nabla \times \mathbf {F} ={1 \over r\sin \theta }\left({\partial \over \partial \theta }(F_{\varphi }\sin \theta )-{\partial F_{\theta } \over \partial \varphi }\right){\boldsymbol {\hat {r}}}+{1 \over r}\left({1 \over \sin \theta }{\partial F_{r} \over \partial \varphi }-{\partial \over \partial r}(rF_{\varphi })\right){\boldsymbol {\hat {\theta }}}+{1 \over r}\left({\partial \over \partial r}(rF_{\theta })-{\partial F_{r} \over \partial \theta }\right){\boldsymbol {\hat {\varphi }}}$

Ak použijeme všeobecné ortogonálne súradnice x₁,x₂,x₃, ktorej Laméove koeficienty sú v tomto poradí h₁,h₂,h₃

$\nabla \times \mathbf {F} ={\frac {1}{h_{2}h_{3}}}\left({\frac {\partial \left(h_{3}F_{3}\right)}{\partial x_{2}}}-{\frac {\partial \left(h_{2}F_{2}\right)}{\partial x_{3}}}\right){\boldsymbol {\hat {x}}}_{1}$

$+\ \ \ \ \ {\frac {1}{h_{1}h_{3}}}\left({\frac {\partial \left(h_{1}F_{1}\right)}{\partial x_{3}}}-{\frac {\partial \left(h_{3}F_{3}\right)}{\partial x_{1}}}\right){\boldsymbol {\hat {x}}}_{2}$

$+\ \ \ \ \ {\frac {1}{h_{1}h_{2}}}\left({\frac {\partial \left(h_{2}F_{2}\right)}{\partial x_{1}}}-{\frac {\partial \left(h_{1}F_{1}\right)}{\partial x_{2}}}\right){\boldsymbol {\hat {x}}}_{3}$

V úplne všeobecných súradniciach pre zložky vektora divergencie platí

$\left(\nabla \times \mathbf {F} \right)^{i}{\frac {{\boldsymbol {\partial }}^{\underline {m}}}{{\boldsymbol {\partial }}x^{i}}}=\left(\varepsilon ^{ijk}F_{k,j}\right){\frac {{\boldsymbol {\partial }}^{\underline {m}}}{{\boldsymbol {\partial }}x^{i}}},$

kde $\varepsilon ^{ijk}$ je Levi-Civitov symbol.

Dohoda: Kým v predchádzajúcom texte sme za bázu brali ortonormálnu bázu v daných súradniciach, vo vzorci pre všeobecné súradnice používame bázu vektorov alebo diferenciálnych foriem a explicitne uvedieme ktorú. Rovnako v predchádzajúcom texte nerozlišujeme polohu indexov a všetky indexy (ortonormálnej bázy aj súradníc) píšeme dole, no vo všeobecných súradniciach polohu indexov rozlišujeme.