Регулярная поверхность называется Односторонней, если на ней можно выбрать замкнутую линию, при обходе которой единичный вектор нормали меняет направление на противоположное. Все остальные поверхности называются двухсторонними.
Примеры односторонних поверхностей:
Лист Мёбиуса, бутылка Клейна (у бутылки отрезается дно, и горло вставляется в дно шиворот-навыворот, см. рис. 15).
Примеры двухсторонних поверхностей:
, где
.
Далее мы будем рассматривать только двухсторонние поверхности.
Рассмотрим двухстороннюю поверхность , и будем считать, что она является регулярной. Пусть она помещена в объём стационарно текущей жидкости со скоростью
, причём:
и
.
Требуется определить, какое количество жидкости протекает через поверхность в данном направлении за единицу времени.
Разобьём поверхность на элементарные участки
, площадь которых
. Обозначим
— единичный вектор нормали к выбранной стороне поверхности в некоторой точке
. Будем считать, что в каждой точке
скорость течения жидкости равна
(то есть, вычислена в точке
). Количество жидкости, протекающее через площадку
за единицу времени, численно равно объёму призмы, основанием которой является площадь
, а ребром – вектор
(см. рис. 16).
.
Следовательно, мы получили на поверхности обычную скалярную функцию. Переходя к пределу при получаем двойной интеграл:
,
Причём здесь вектор зависит от формы поверхности.
Пусть в некоторой области определена векторная функция
:
,
И S – регулярная двухстороння поверхность, содержащаяся в .
Поверхностным интегралом второго рода векторной функции , через поверхность S, называют поверхностный интеграл первого рода от функции
, где
— единичный вектор нормали, вычисленный в каждой точке к заданной стороне поверхности.
Пусть поверхность задана в виде , где
.
Правило вычисления поверхностного интеграла второго рода.
Пусть дан поверхностный интеграл второго рода:
, (1)
Где ,
,
— координаты вектора
. Имеем:
.
Замечание:
Не следует путать область (от нем. gebbit) и одноимённый коэффициент.
Метод проектирования.
Пусть поверхность задана неявно, то есть в виде
. Рассмотрим в формуле (1) третье слагаемое:
,
Где . Теперь осуществим переход от поверхностного интеграла второго рода по поверхности
к двойному интегралу по области
:
. (2)
Если же либо
, тогда интеграл принимает вид:
,
Либо
.
Замечание.
Для записи поверхностного интеграла второго рода в координатной форме
Используют запись:
.
Важное замечание: Переставлять дифференциалы в такой записи нельзя.
Пример.
Найти поверхностный интеграл через внутреннюю сторону сферы
.
Возьмём верхнюю полусферу: . Внешняя нормаль будет иметь острый угол с осью
(то есть
). Тогда:
,
Где — верхняя сторона сферы.
Нижняя сторона сферы () имеет противоположную нормаль, то есть
:
.