ATitMTI
Hk J}flORfl VAN DiOPPi}WLaK11GOLVENZ VBOOT
DOOR i) i3EvGING VAN
EJiN SC1IP.
Syllabus van bet col1oquiu o.l.v. Prof. cl.r R. Tirnrnan.
1. Algezaene Probleexastellin.
,1jj
beschouwen de beicgin v'an een schip door dehorizon-tale renslaag van een
vloeistof, die incopressibel en
wrij-vinloos wordt verondersteld.0m tot lineaire vergelijkinen te komen, moeten wij ekele
vereenvoudigende onderstellingen invoeren,
nlsi)e bev;cging is rotatievrij en du.s bepLa1d door een snel-beidspotentiaal y ,zodat de sneiheidseomponenten t.ov,
cen rcchthoekig assenstelsel x, y, en z
wordenJ
I
In dit
eval lcverb dc continuteitsvergelijking
* *&
dat (f cen oplossin
moet zijn vn de vergelijking
vn
Laplace, ,
#ç,#
De voorwaarde aan bet vrije opperviak wordt geleverd door de ois te stellen, dat overal
an dat oppelak de druk de
zelfde cotante wardc moet h&oben.
'JiJ voeren nu een assentelel in, dt
vast sanhet schip
is verbonden, zodani, dat de
pos. z-as
nar úeneden wijst
en
dat bet xy-vlak samezivalt met het
wateropperviak in ongestooi'._
de toestand.
De verelijkinen van iuler t.o.v. dit
assenstelsel zijn nu
t
t
t "-*
-* ¿- 4
*
t
*
14.* ¿f
*i4
of, daar de stromin rotatievrij is
t
i
47
,*-.f
1 (J/-
t;
wasruit volet dat
p
P) t -
-
Zde wet van Bernoulli voor de niet-etatlonnaire
beweging.
Wij veronderstellen n, dat de
'stoorsnelhcden", dic door
de bewe4ng van bet schip worden tcwcegjebracht, klein zijn t.o.v. de sneiheid van het scnìp, dat wij eenpari met sneiheid. c in de
x-richting laten bewegen, d.w.z., dat in
e splitsing
-
C .i*'2'' -Zr'
14 4.tP'
wuarin de beweging van het water t. o .v. het gesplitst, «', 'p-' en »-s.'-' :lein zijn t.o.v.
Lidien ."ij verder invoerencen potentiaal
k '
-
'Z '-
i..i.' '.. , e ldten, na veiwaarlozin van
termen van de
2e orde gast deEcIlip
kan wordenC.
y.- , zodat
II-* L(c2+ac
)*x-fct)
íe kiezen vercier iict
senstelsei zo, dat tiet
xyvlakzianien-valt met het onestoorde opperviak.
Dc voorvzarde dat op
hat
vrije opperviakdc
drukconstant is
wordt nu-
'.j-c*Çfct)-f
C2_indiende
hoogte vaz hot vrije operv1ak boyende
onestoorde toestand roorsteltIndien
in.
heU oneindie de storing
nui
wordt
noet geldenfCt)-fc' ¡
zodat wij tensiotte als voorwaardo vinden voor
Len andcro voorwasrde op het vrije ojpervlsk
wordt
eleverd
door een kinerriatische beschouwin. De verticale sneiheid vaneon d.eeltje
an
het vrije opperviakmoot n.i.
eiijk ziju can
de verticale :nelbeidscoiaponcnt
-
,*
.* -
-
/
e
of .el, met veiaarioen van 2
orci.. tcxen
limìuctie van uit (1) en (2) levert nu voor
voor:aarde voor
a c.
--
c
-,
:W1 voeren nu. in hot kader
van onze
linearistie
de vordere
vcreenvoudiende onderstelling in, dat
dczc vooiaarde niet
geldt voox'
, maar voor zo ¡
ZO
+1
ol' voor een stationnciro beviein
t=°
;*/9j
oQiadat
?
voldoeU
aande verel1Jkin van Laplace, moot
hiraan voidoen, dus
hebbenwij te
zoeken ecu opiosde vergelijking
3Z
X Owaarbi
Oor
zro
ij
bescnouv;en
flu
dc randvoo
arden., die tevieë;ebraeh
wodcn
door de beregin
vanhot
sCiupiAls het schip syetrisch
is t.o.v. hot- yzvl.ak en zicû uit.sireki van tot
t.
,kunnen
wi
het scheepsopperviak voorgesteld
denkendoor eenver;;elijking
fx,zì
(_ek<e,y)o).
De wotcrlijnen worden vcrkregon
door
te riemen
]egens de syimetrie is cok
cok
vcn
De voorwarde, d.i
het schip can
e functie s'- opie, wordt
nu
evonden door op t
merken, dat overal de sneiheid
aan liet
schip tonßentieel moet zijn, d.w.z., dat dc snclheid.svector
'v w' in he
ruakvlo
aon iiet opperviak moet li;en, dus
£ --
#
' 4 - o
VIij verondcrctelin nu, dat oveal dit raakvlok
cen kleine
he1lin maakt met het
ziak, zodat /</ en
jÇi is.
Verwaar1ozin
vun 2
orde teien eeft dan
ofve1
!ls iaatte vereenoudiin nemen
wij tenslotte aan, dat
deze voorw.arde nit wordt vooreschreven
op ht
SC:.ilpzelÍ,
maar op Lt vlak
Tenslotte noeton ook op
rote diepte de stromin;en uitc'exven
zodat voor
-, poet ;a3n.
ecapitulerend tiebben v;ij dus ap te lossen iiet volende
rcndwaardeprobleern voor de
atorinspotentiaal
t.)1e
c-
raoct :en opiossin
ziju van de verge1ijking
van Laplace
#.
Voor
Zao
:36
c/ (z,Z)/(X1)
vïarbij
(ìcZ) sen
eeven uaictie is.
\Terder voigt uit de syimnetrie
#
-zodt wij alicen de ruimte Z
>0
bc-sciìouwen.
L:fl
voor
x<-e en
¿'
eldt
. o4e
(-pJ
Wi
loosen dit probleezu op, dooe lunctie
Je
trams-forractie van Fourier toe
e.passen, waardoor het probleen v;ordt
2. De transformatie
van Fourier.De transforriatie van Fourier is een bijzonder geval van de
algemene furictie transfortnatie, die aan een functie
f
cx
eenfunctie
7-
toevoegt door de formule:
Nemen wij
O:
£cPLc.JJ;
dan
krijgen wij de cosinus, respectievelijk de sinutransfor-matie van Fourier.WIj gaan nu eerst na, hoe de afgeleiden
van
¡Cg)
worden getransformeerd. Door partiele integratie vinden
wij
Indien F)voor
c-oo
nul wordt, levert dit dus:f)cJc
-
j'(o)
pf(p:)
i ¡u.f)
/Sox f(x}J
fc#o
fp).
Voor de tweede
afgeleidevinclen wij, indien
weer
voor
en analoog
X -
00J,ux.fx)dA
o-_f'(o)-P ¡,
(1°)O;
Beide transformaties
zLjn
duste gebruiken, indien
het gebied
waar wij
f(x)
beachouwen, zieh uitstrektover de positieve
z-as. In dit geval gaan
de afgelelden vanover in
eenvou-diger uitdrukkingen in
de Fourier-beelden.
Indien het definitiegebied zieh ultstrekt over de gehele x-as
biedt het voordelende
complexe Fourier-transformatie
te
be-schouwen:
e0X/Cx)
oCr,
¡(lo)
-f.00
clan wordt, als, zowel
voor
c-#
als voor
-- 13,ft)en hear
ageleiden voldoende klein
worden
-Ç
.
c io- ¿
I
ef3,f(/Ø)
je
J J_00en
+00t
I, C')- ¿/
f eI»x)
oje
Jøo
3._Toepassing op het randwaardeprobeern.
Daar in ons geval het beschouwde gebied zieh uitstrekt
in de
X
richting
van00 tot
coen in de
- richting van
otot
00, terwiji
Y$ivoorgeschreven is lengs
de
X-
as,
passen wij op de variabele x de complexe
transformatie toe
en op
de cosirìustransformatie:
(o)%*
Xz
f
met randvoorwarden
*
Oz
Als
zodat
Hieruit voigt
-2?
z' e'c2)
¿« .:(X, o z)e
x ¿ ;()
Xo
22 X
Dit is eeri niet homogene
vergelijking, die wij
oplossen met
behuip van de methode
van de variatie der parameters. Stel
1'
dan zijn de oplossingen
van de homogene
vergelij-king
en
, zodat wij steilen
X
i'?(z)e
+J(2)e
0)t,o71Zf2,O
-,
--eerste vergelijking
voor
en
-stellen wij nu:
-'(2)e1-
?ze
o
-X'n'
(Qe_e )
-V,,
,
(Z)
9'e'J1'Y'?/-,- 2e)=-
V
1'YX
en de tweede vergelijking
voor
4
en
wordt
3'e'- -'{C.Z)
dus
004 (Z)
L 1e
; 3)
)oÇ
,
2 £
J
waarbij ¡
en
constanten zi.jn.
De complete opiossing van de
niet homogene
vergelijking is
clan
Xz
/#/e'
*3e
Indien X(z)-,o
voor
Z-
moet R-o
zi.jn, omdat
¿
e_,f
Ç)
o C e-
-Ç)
o
want het schip heeft
aindige diepgang
en
voor
De constante & vinden
wij uit de randvoorwaarde
voor
Z-'o
-, -SC-U
I.--1
7('Qe
3e)
1'i f
- YP/t
/0
2?
o -e
00zodat tenslotte
2YZ( ' ed*ZZJ
z ,-'2*4)
J e
of, met
«
z) ¿JÇ ?'c
rç-' , r
-
*odFr-Deze utdrukkin
moet weer worden
teiiggetransformeei. van,ß
aar X
5
De functie
Xìz)
moet dus voldoen aan de gewone
.,
:frriüe'
orn' de Fou.
trar
'uîatie.
! b: :
'r
ii.t
ri Fouri'r
f(2)
'L
m Liee fo -.
t
L:;en ve met een
nc
:rercd
t
¡/(x)2f((
--jrrfl
t d:
-ît,1
¿
(X)Iot7
ove" in
ff7)
(?_x)?.
)ezt- li ir: ka -zen . no: e absolute
integreerbarheid van en xnoet van
bgrensde
fluctuatie zi.jn.
'Il.j geven dit bewljs niet en
ver'ijzen naar
Titchmarsh (Tntroducton to th theory of FourierIntegrals,
Oxford).Tilt het integraaltheorexna voigt, dat als
omgkeerd
L
__
kunnen v;ij voor
- <o
schrijven
en dan ïs
Irnrners, indien
f'
alleen voor positieve ' isgedefinleerd
L Ç
27rj
!cxL.f
f2c0
\aaruiL de stelling
direct voigt. voor de sinustransformatie. AisIndien
f--J2M)volgt op de zelfde vijze
de omkeerformuleLÍ241
i.s
j
oVoor de complex
Fourier-transformatie
vinden wijde
volgen-de fonu1e
Indien COr
% I ''
is
J
Erners
1f/)
(7-
)
-want de eerste integraal Is een oneven functie v.n
cdus wij
kunnen ook schri.jven
/
f J()e
5.Toepassirig or het probleem.
Jit de funcUe
X'y.-
2j
eQ
voigt voor de potentlaal
I
9(dLJ?2f /
¿''°'
J
i-of, als wij bedenken dat
z)
f,
GO
-r --r
i
'4
0.0 *- __
e)X'i
z)!:
/[J
(e'
____ - 'z t 2 2/3.e
L
0die wLj afzonderlijk beschouwen.
Daar /
is du integrand een
even functie
van /3
zodat wi.j voor de eerste integraal
kunne.n schrijven:
i
j
cc_GO
/
/
of, als wij stellen
¡/
¡;.
Stelnu
;i
dan wordt dit
z,,(2fr
O.1GI(_
Jo ('.-ZF?cc(w_9J
J014-tel
t-e'
AÀ-'.t.
danwordt dit
-f,Ie'..
ki- o: J - ?7 ' 4) XL-(, 'i
Z)
cod 'J,I
,, ií-./?Xtt)
).ife
. -.1clt)4J,
o(o
¿(ffrJ -r(zt4)
27-
J
2ij±2'
¿t J(tt,J(Z')
waarbij de integratie over' de eenheidscirkel is uitgestrekt,
één worte? bevat, zodst
die
de integraa]. wort
n. / / -"
-2. 2-
-
jÎa.,. lç-zI
(Í,-tJ
Evenzo 'ordt Tì
tweed
integrasi
Zij stellen dus de
potentialen voor van brorinen in het punt
o,en het spiegelpunt t. o.v. het vrij
e opperviak
,Rest ona te bestuderen de deie
integraal
too
cOfcoé J/3
die echter singulier is,
daar de intgrand oneindig
van de eerste
orde wòrdt langa de li.jn
k
W1J beschouwen nu eerst de integratie
naar
en
Dit
levert de interlen
J L
c.o . d/7 . eI-. Naciere beschouwing van de Fourier-transforrnati, indien ¡(X)
niet integrabel
is van - ° tot *Indien /c) niet integrabel is,maar er en constante C bestaat, zodat voor
X-*co
If(.c)l<C , zal de integrealL Ç
j")-
j
f)e
bestaan,
indien
c--
is, dus
cen evenzo, indien voor
j f()/ <
zal de integrealQ
f(o)
fe
'Ic)6l
bestaan,
indien
°'.ìK-4 is, dus ,a--'*
d.w.z.
J
(c)
is het beeld van de functieeC
1()
>o
en
J ()
is het beeld van-e
Ç)
zodat
# G0f
__x
ZR I e27re
Çcx
X>0
en-
o
Íe
fÌo)
-'t
£2? e -Çc)
c-od.w.z.
-o
-of t:el ¡tfc)f
*
e
f
.w.z.
e eerste integraalwordt genornen
over een lijn 1/re1e
p afetand «
, de tweede in het negatieve halfvlak op afstand-. , de bovenst integratieweg loopt boyen alle polen
van f
-jen de onderste beneden all? polen van
f
7.
Toepassir op een eenvoudigerprobleem.0m bu het gestelde probleern d nu gegeneraliseerde methode met succes te kunnen toepassen, beschouwern re eerst. een iets
eenvou-diger
probleem(Lamb, § 243),
n.l.het effect van een bepaaldedrukverdeling
op het opperviak in tweedirnensies
x
en z.In
dit.
geval is de randvoorwaarde op het oDpervlakz-r-o
voor de potentlaalÇ--Ç-cy
fr_(Z,t)
terwiji evenals vroeger geldt
._cÇx
liminatie van 4 levert nu:
-2
*cpJ.
i3esehOuwen
vij verdor een stationnaire toestand in het systeem van de stoorsne1heden, dan zïjn alle tijdsafgeleiden nul. Wij krijgen dusz.o
'__J'
;r--en voor oneindig
diep waterHierbij kornt de addi.tionele conditie, dat voor
x--t
destoringspotentiaal naar nul gaat,
terwiji
dit voorx
niet het geval behoeft te zijn.Voer dus in een functie
-oc
I
'
A-()j e
en eenfunctie
,o
X'
zjLe
- (.ti
waarbij
in de eerste integraal')°
is,terwi.jl
in de tweede1<
oIS.
In dit geval verwachten v1ij dat beide integralen convergeren.
T)e afgeleiden worden getransforrneerd volgens de formule
00 » ft00
I
dX ,/ e
«- eocf
e .10 'à.X O- k
(° ) -
X- Z)
ça ,en
j
(,
Z) x ( Z)¡
Z)X1 L)
-CODe differentiaalvergelijl-ring
voor
wordt nu:
V(o»»z)-.
'Z)
It. J' en de randvoorwaarde voor z o-2X°-
77c)
)o(")
envoor
00 ,waarbij
¿ç waarbij
---i
/
e?
X)Ieze
homogene vergelijking met
niet homogene randvoorwaarden lossen wij evenals boyen op.De functie van Green voor de homogene vergelijking met de
homogene randvoorwaarden Is, zoals wij vroeger zagen
L z I
1f
)y
jzj.4
f
e'
rrj1
-x
Nu is
-k
LIe
_L- f'
J-0
en het
resultaat wordt de formule- _k
le
e
'fF)
f
Ç
(t'Z)-
.----,
d(1-1) -..-,---
-Hierin verwisselen wij nog de integratievolgorde, hetgeen
geocrloofd is, als
()
voorii
voldoende snel naar nul
gaat en vinden)
--'
i 2- cf'
ftj
herleiden nu de integraal naar o.f / e
j I_/-,i )
eri onderscheiden twee
gevallen
o(-> o
en
(sr-°
eVoor
(-)>ocornpleteren wLj de
mt egratieweg van _oO
naar
oin de eerste integraal -Z door
een kwartcirkel in het derde
kwa-drant en door de integraal langa de verticale as van .00 tot OHieruit
vincien viLi
voor de oplossing:(,Z)
-aarbij de waarde van A' wordt bepaald door de substitutie in
de randvoorwaarde
(,421I¼?)_
_77t Çi9(D,O) Wtj vinclen dus:X-,
° ,-zl en op de zelfde manier X (d Z)±! ffe
r -e' waarbij in Z) , k-F is en in X 6 2), ,, .. ois.
Toepassin,g vari de omkeerformule levert
nu:X)
L
'X2ij
X (
ZDaar de eerste integraal
langs
de rele as uitgestrekt, rnoetbe-staan, vinden wij de voorwaarde, dat het residu van de integrand
in de punten o.=-/c nul moet zijn, zodat de integrand daar regulier is
Verìer verleggen
vitj
de integratteweg in de tweede integraal nog zo, dat zij over --U<.k-
, 'c-z-met d rele as
sarnenvalt
(Dit kan alleen, als voor I-I- de integrand naar nul toegaat, hetgeen achteraf geverificerd zourrioeten
worden). Daar de integrand in de eerste integraal in deOEngeving van r Ic regulier is, kunnen wij de wegen voiledig
laten samenvallen en de openingen in de reale as opvullen door
halve cirkeis orn in het beneden halfvlak met straal
:ij vinden dan:
Mj opteiling blijken de termen met
en weg te
vallen,
zodt
of en
I
2kf;/
+o
e S(x_'_c)
j' "-t- C'e' oVoor C o
dus ook k °komt hier de statische
door-bulging tevoorschtjn,
Is 7
een
8 functie,
dan kornt hier de
formule van Lamb
te voorschLjn.
11
Volgens
ceri bekend
"lemma van Jordan't gaat de intgraal langsde kwartcirkel miar nul, orndat
¿e
is en wij kunnen schri,jven, met
_, a-'.Vender zetten wij met een Ik,artcirkel inì
het
4e
'adrant
J2
1
f°
e_sr.')-.
f e
, -/-)._
JX(C
k
e J,00k orn In een integraa]. langs de negatieve
verticale as,
met t=-y.eJ: e
-J(J'-j*-ij vinden dus voor
-
>o
sz
Z- J
( e_g(''-) j e'
o' ,,
C
Voor
(
-
o verleggen wde integratleweg naar de posit
le-ve le-verticale as.
WIj moeten nu de residuen in
scen
-Lctoe-voegen.
() 1.
«u
-'J-.r
2 27 e- J '
-(
),-st
f s/
J
e-_
-'J--zodat - s J.t
k(-) f
¡(-_)
i
a _«k(-)-2
f
"(-2 "OWij vinden dus als eindresuIaat ) >0; I - s p-j-c -( -. ' f e ,,-'c J_,
IJ»1'
rçz
z) Fc --Qn de golfvorntte vinden, berekenen wij hieruit met
behuip
van
-
g-
7Lc
J_Z-odus voor (?c-»o
) -- * 7,fDc
envoOr
of" :( -Q fJkPe-)"
r-4.fr
JS4
- krc
j'e J_0 a ¿ç -' /iì-j.if: f;s(.!)r,
'VL0'""I
8, Je voortplantirw van de golven
door een schip opgewekt.
Wij keren nu terug naar het meer gecompliceerde probleem. Hier
zi.jn 00k de additionele voorwaarclen in het oneindige; Voor
iyconstant wordt voor x-
de potentiaal nul en voor
x-
J-oo
blijft z.j eventu eel eindig.
Wij voeren weer in een 'beeld
-t 00
X
(/32)f
.e
en
e - (
.
waarbij in de eerste integraal
-o en in de tweede
'-°<"
Voor de functies
en
vinden wij nu de
differentiaalvergeli.j king in
_X#*X
resp.
-(/)X
'c.z)-waarbtj
en
.0'
J /(X2Ja
terwi.jl
-
-(o,2)
//1f.
en
(°zj
fya;
(o;z).
BIj de vergelijkingen behoren de randvoorwaarden
z -,
Z eresp.
z-,
x*o
-
x:
-
Ç(oj, o)
¿O,/? o)
wa arbij we er k
2Met behulp van de vroeger gevonden functie van Green voor dit
randwaardenprobleem kunnenwij 00k hier de oplossing direct
op-schrtjven.
X'.'
z )
/1
ii
I-,
z)
*
(0,J, z)
-- 'z
e
(fs
¿' k'.#,h?2 )waarbij de waarde van
l
bepaald wordt door substitutie in de
randvoorwaarde
-
',(O/'
e)_ -_fr G o)
-, o
kX
(°)
-rRst
,4i
r1gi.
fj)
Ç *
(°/.
-en, op de zelfde manier
"i
°J-4'-i'A°)
e
Toepassing van de ornkeerformule van de Fouriertransformatie
f3
e ft
-I
f
[feXz
f
)]
fij bechouen eerst de integratie naar
oCen verleggen de
integratieweg in de tweede term weer zo, dat zij onder de polen
van de functie lanas loopt, en verder langs de re1e as loopt.
\!oor A = constant heeft de noemer
--
twee polen op de
rele as. Daar de wortel steeds zodariig is gekozen, dat zij
posi-tief inoet ihn voor rele
ocen
,,
in verband met de
randvoor-waarden voor
,vinden wLj
#7' '#
en
* .c fr(Het viak is opengesneden gedacht
volgens de coupure van
'i,
naar ¿
en
naar-orn de wortel eenwaardig te maken).
In de eerste integraal is de
integrstieweg de rele
oas,
omdat weer de randwaarderi van
'k
io moeten zijn,dat de residuen
in de punten
,en
nul zi.jn. Wij kunnen nu dus weer de
twee teinen samen nnen en verkrijgen dan de integraal
Jzf:oi; )+ )ofwel
0 00J ;((
F.
o'---'-'-
.t,
00 I I --
___
00dr
I
o - oTer ijl wij verder alleen de laatste integrìal
bechouwen,
schrtjven vdj
f
f.;(ç)
en herleiden deze laatste integraal
0O
if
f
'
L-L;-
f
Hier voeren wij eerst pooicoördinaten in het
/3
viak in
7c. -i'
, ' ) -? --o''
/3,
en
en krijgen dan
-i¿-'t4x)
je
).2-k
-7''-..r---waarbij de integratieweg
is en boyen de pool als
'.?ij kunnen dit verder
stukken
"7 °
P
-('--)
-f('*Z\
'e
J
-41
naar I
ondei de pool loopt als
>' Oc9<'°
is.
herleiden door te splitsen in twee
en in elk van deze integralen de integratieweg
naar
2'te
ver-leggen naar de imaginaire as.
1'7'/1
ç° 'i*J1
/
e'- ''
6#O k'ij onderseheiden hier twee
gevallen.
Voor
c'ai1>° ver'varigen wi.j de weg
door eeri verticale ihn
nar beneden,
wij passerengeen pool en krijgen dus,
met
° *- ' (4.
')
f
fe'
-
* -- 4 1