The balance of linear momentum can be expressed as:
ฯ ๐ฏ ห โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0
where ฯ ( ๐ฑ , t ) is the mass density, ๐ฏ ( ๐ฑ , t ) is the velocity,
๐ ( ๐ฑ , t ) is the Cauchy stress, and ฯ ๐ is the body force
density.
Recall the general equation for the balance of a physical quantity
d d t [ โซ ฮฉ f ( ๐ฑ , t ) dV ] = โซ โ ฮฉ f ( ๐ฑ , t ) [ u n ( ๐ฑ , t ) โ ๐ฏ ( ๐ฑ , t ) โ
๐ง ( ๐ฑ , t ) ] dA + โซ โ ฮฉ g ( ๐ฑ , t ) dA + โซ ฮฉ h ( ๐ฑ , t ) dV .
In this case the physical quantity of interest is the momentum density,
i.e., f ( ๐ฑ , t ) = ฯ ( ๐ฑ , t ) ๐ฏ ( ๐ฑ , t ) . The source of momentum flux
at the surface is the surface traction, i.e., g ( ๐ฑ , t ) = ๐ญ . The
source of momentum inside the body is the body force, i.e.,
h ( ๐ฑ , t ) = ฯ ( ๐ฑ , t ) ๐ ( ๐ฑ , t ) . Therefore, we have
d d t [ โซ ฮฉ ฯ ๐ฏ dV ] = โซ โ ฮฉ ฯ ๐ฏ [ u n โ ๐ฏ โ
๐ง ] dA + โซ โ ฮฉ ๐ญ dA + โซ ฮฉ ฯ ๐ dV .
The surface tractions are related to the Cauchy stress by
๐ญ = ๐ โ
๐ง .
Therefore,
d d t [ โซ ฮฉ ฯ ๐ฏ dV ] = โซ โ ฮฉ ฯ ๐ฏ [ u n โ ๐ฏ โ
๐ง ] dA + โซ โ ฮฉ ๐ โ
๐ง dA + โซ ฮฉ ฯ ๐ dV .
Let us assume that ฮฉ is an arbitrary fixed control volume. Then,
โซ ฮฉ โ โ t ( ฯ ๐ฏ ) dV = โ โซ โ ฮฉ ฯ ๐ฏ ( ๐ฏ โ
๐ง ) dA + โซ โ ฮฉ ๐ โ
๐ง dA + โซ ฮฉ ฯ ๐ dV .
Now, from the definition of the tensor product we have (for all vectors
๐ )
( ๐ฎ โ ๐ฏ ) โ
๐ = ( ๐ โ
๐ฏ ) ๐ฎ .
Therefore,
โซ ฮฉ โ โ t ( ฯ ๐ฏ ) dV = โ โซ โ ฮฉ ฯ ( ๐ฏ โ ๐ฏ ) โ
๐ง dA + โซ โ ฮฉ ๐ โ
๐ง dA + โซ ฮฉ ฯ ๐ dV .
Using the divergence theorem
โซ ฮฉ ๐ต โ ๐ฏ dV = โซ โ ฮฉ ๐ฏ โ
๐ง dA
we have
โซ ฮฉ โ โ t ( ฯ ๐ฏ ) dV = โ โซ ฮฉ ๐ต โ [ ฯ ( ๐ฏ โ ๐ฏ ) ] dV + โซ ฮฉ ๐ต โ ๐ dV + โซ ฮฉ ฯ ๐ dV
or,
โซ ฮฉ [ โ โ t ( ฯ ๐ฏ ) + ๐ต โ [ ( ฯ ๐ฏ ) โ ๐ฏ ) ] โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ ] dV = 0 .
Since ฮฉ is arbitrary, we have
โ โ t ( ฯ ๐ฏ ) + ๐ต โ [ ( ฯ ๐ฏ ) โ ๐ฏ ) ] โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0 .
Using the identity
๐ต โ ( ๐ฎ โ ๐ฏ ) = ( ๐ต โ ๐ฏ ) ๐ฎ + ( ๐ต ๐ฎ ) โ
๐ฏ
we get
โ ฯ โ t ๐ฏ + ฯ โ ๐ฏ โ t + ( ๐ต โ ๐ฏ ) ( ฯ ๐ฏ ) + ๐ต ( ฯ ๐ฏ ) โ
๐ฏ โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0
or,
[ โ ฯ โ t + ฯ ๐ต โ ๐ฏ ] ๐ฏ + ฯ โ ๐ฏ โ t + ๐ต ( ฯ ๐ฏ ) โ
๐ฏ โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0
Using the identity
๐ต ( ฯ ๐ฏ ) = ฯ ๐ต ๐ฏ + ๐ฏ โ ( ๐ต ฯ )
we get
[ โ ฯ โ t + ฯ โ โ ๐ฏ ] ๐ฏ + ฯ โ ๐ฏ โ t + [ ฯ โ ๐ฏ + ๐ฏ โ ( โ ฯ ) ] โ
๐ฏ โ โ โ ๐ โ ฯ ๐ = 0
From the definition
( ๐ฎ โ ๐ฏ ) โ
๐ = ( ๐ โ
๐ฏ ) ๐ฎ
we have
[ ๐ฏ โ ( ๐ต ฯ ) ] โ
๐ฏ = [ ๐ฏ โ
( ๐ต ฯ ) ] ๐ฏ .
Hence,
[ โ ฯ โ t + ฯ ๐ต โ ๐ฏ ] ๐ฏ + ฯ โ ๐ฏ โ t + ฯ ๐ต ๐ฏ โ
๐ฏ + [ ๐ฏ โ
( ๐ต ฯ ) ] ๐ฏ โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0
or,
[ โ ฯ โ t + ๐ต ฯ โ
๐ฏ + ฯ ๐ต โ ๐ฏ ] ๐ฏ + ฯ โ ๐ฏ โ t + ฯ ๐ต ๐ฏ โ
๐ฏ โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0 .
The material time derivative of ฯ is defined as
ฯ ห = โ ฯ โ t + โ ฯ โ
๐ฏ .
Therefore,
[ ฯ ห + ฯ ๐ต โ ๐ฏ ] ๐ฏ + ฯ โ ๐ฏ โ t + ฯ ๐ต ๐ฏ โ
๐ฏ โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0 .
From the balance of mass, we have
ฯ ห + ฯ ๐ต โ ๐ฏ = 0 .
Therefore,
ฯ โ ๐ฏ โ t + ฯ ๐ต ๐ฏ โ
๐ฏ โ ๐ต โ ๐ โ ฯ ๐ = 0 .
The material time derivative of ๐ฏ is defined as
๐ฏ ห = โ ๐ฏ โ t + ๐ต ๐ฏ โ
๐ฏ .
Hence,
ฯ ๐ฏ ห โ โ โ ๐ โ ฯ ๐ = 0 .