Beispiel: Kurvenintegral eines Vektorfeldes
Betrachten wir das Kurvenintegral eines Vektorfeldes F(x,y)=(y,x)
entlang der Kurve γ auf dem Kreisbogen des
Einheitskreises von (1,0) nach (0,1).
Definition der Kurve:
γ(t)=(cost,sint),t∈[0,2π]
Vektorfeld:
F(x,y)=(y,x)
Kurvenintegral:
∫γF⋅ds=∫0π/2F(γ(t))⋅γ′(t)dt
Berechne zuerst:
γ′(t)=(−sint,cost)
F(γ(t))=(sint,cost)
Skalarprodukt:
F(γ(t))⋅γ′(t)=sint⋅(−sint)+cost⋅cost=−sin2t+cos2t
Integral:
∫0π/2(cos2t−sin2t)dt
Berechnung
Das Integral ist
∫0π/2(cos2t−sin2t)dt=∫0π/2cos(2t)dt,
weil gilt: cos2t−sin2t=cos(2t).
Nun:
∫0π/2cos(2t)dt=2sin(2t)∣∣∣∣∣0π/2=2sin(π)−2sin(0)=0.
Erklärung:
Die positive und negative Arbeit der Vektorfeld-Komponenten heben sich
entlang dieses Kurvenabschnitts genau auf, so dass sich kein Netto-Beitrag ergibt. Alternativ bedeutet es,
dass das Feld "keine Arbeit" entlang dieses Weges verrichtet.
In der Visualisierung sieht man:
- Die Kurve verläuft vom Punkt (1,0) nach (0,1) auf dem Kreisbogen.
- Das Vektorfeld F(x,y)=(y,x)
zeigt entlang der Kurve Vektoren, die teils parallel, teils antiparallel zur Kurvenrichtung sind.
- Durch die Mischung positiver und negativer Beiträge (Richtung der Vektoren relativ zum Weg) heben sich
die Arbeitselemente auf.
- Insgesamt entsteht daher keine Nettoarbeit, was das Integral 0 erklärt.
Kurz: Die entgegengesetzte Ausrichtung der Feldvektoren entlang der Kurve ist in der Grafik erkennbar.