量綱分析
編輯在工程和科學中,量綱分析是通過確定基本量(例如長度、質量、時間和電流)和測量單位(例如英里與公里,或磅與公里)來分析不同物理量之間的關系 . 千克)并在執行計算或比較時跟蹤這些尺寸。 由于所有單位的常規 10 基數,在公制或 SI 中,單位從一維單位到另一維單位的轉換通常比在其他單位中更容易。
可公度的物理量具有相同的種類和相同的量綱,并且可以直接相互比較,即使它們以不同的度量單位表示,例如 碼和米、磅(質量)和千克、秒和年。 不可公度物理量種類不同,量綱不同,無論用什么單位表示,都不能直接比較。 米和公斤,秒和公斤,米和秒。 例如,問一公斤是否大于一小時是沒有意義的。
任何具有物理意義的方程或不等式,其左右兩邊都必須具有相同的維度,這一特性被稱為維度同質性。 檢查量綱均勻性是量綱分析的常見應用,用作對導出方程和計算的合理性檢查。 在沒有更嚴格的推導的情況下,它還可以作為推導方程式的指南和約束條件,這些方程式可以描述物理系統。
約瑟夫·傅里葉 (Joseph Fourier) 于 1822 年引入了物理量綱和量綱分析的概念。
配方
編輯白金漢 π 定理描述了每個涉及 n 個變量的具有物理意義的方程如何可以等效地重寫為 n ? m 個無量綱參數的方程,其中 m 是維矩陣的秩。 此外,最重要的是,它提供了一種根據給定變量計算這些無量綱參數的方法。
量綱方程可以通過無量綱化來減少或消除量綱,這從量綱分析開始,涉及按系統的特征單位或自然界的自然單位縮放數量。 這可以深入了解系統的基本屬性,如下面的示例所示。
物理量的量綱可以表示為基本物理量綱(例如長度、質量和時間)的乘積,每個量綱都提升到整數(有時是有理數)次方。 物理量的量綱比用于表示該物理量的量的某些標度或單位更為基本。 例如,質量是一個量綱,而千克是用來表示質量的特定參考量。 單位的選擇是任意的,其選擇往往基于歷史先例。 自然單位僅基于通用常數,可能被認為不那么隨意。
基本物理尺寸有很多可能的選擇。 SI標準選用下列量綱及相應的符號:時間(T)、長度(L)、質量(M)、電流(I)、xxx溫度(Θ)、物質含量(N)和發光強度(J) . 這些符號通常以羅馬無襯線字體書寫。
其中 a、b、c、d、e、f、g 是量綱指數。
其他物理量可以定義為基本量,只要它們形成線性獨立的基——例如,可以用電荷的量綱 (Q) 代替 SI 基的電流量綱 (I),因為 Q = TI。
選擇用于表示物理量的單位與其量綱是相關的,但不是相同的概念。 物理量的單位由慣例定義并與某些標準相關; 例如,長度的單位可能是米、英尺、英寸、英里或微米; 但是任何長度總是有一個維度 L,不管選擇什么長度單位來表達它。
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