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量纲分析

公式中的符号并非量的本身,而是数,是用任意单位测量该量所得的数。

速度是用时间除长度,实际上是用一个数(测某段时间得到的数)除另一个数(测某段长度得到的数)。

速度的CGS单位记作cm/s。这只是习惯写法,不能把cm/s看作cm与s的商。这种商毫无意义:你可以用数除数。

量纲

\[\dim\ f=LMT^{-2} \]

两个单位制同族:(1)基本量类相同,(2)导出单位定义方程相同。如:国际制(力学部分)与CGS制同族;与工程制不同族。

量类\(\tilde A\)在同族单位制\(Z\)\(Z'\)的单位\(\hat A\)\(\hat A'\)的比值称为\(\tilde A\)的量纲,即:

\[\dim \tilde A=\frac{\hat A}{\hat A'} \]

\(\tilde A\)在某单位制族的量纲。

量纲分析的逻辑体系

数的等式在同族单位制中形式相同。

  • 任一单位制的任一导出单位\(\hat C\)的终极定义方程都是幂单项式:

    \[C=k_{终}\prod_iJ_i^{\sigma_i} \]
  • 量纲式都是幂单项式。

  • \[C=A^\alpha B^\beta\Rightarrow \dim C=(\dim A)^\alpha(\dim B)^\beta \]
  • 量纲的齐次性定理

    \[C=A+B\Rightarrow \dim C=\dim A=\dim B \]

一般结论:超越函数符号\(\sin,\lg,\ln,\exp\)等的作用对象必须是无量纲量。\(f(x)\)\(x\)必须是数。

\(\Pi\)定理及应用

设一个物理问题涉及\(n\)个量,在单位制\(Z\)的数\(Q_1,\cdots,Q_n\),满足\(f(Q_1,\cdots,Q_n)=0\)。借\(Z\)把涉及量分两组,甲组有\(m(\le n)\)个量,记作\(A_1,\cdots,A_m\),其余\(n-m\)个属于乙组,记作\(B_1,\cdots,B_{n-m}\)

分组条件:\(\tilde B_j\)可用\(\tilde A_1,\cdots,\tilde A_m\)量纲表出。\(\tilde A_1,\cdots,\tilde A_m\)彼此量纲独立。

\(\Pi\)定理:可以构造\(n-m\)个独立的无量纲量\(\Pi_1,\cdots,\Pi_{n-m}\)\(f(Q_1,\cdots,Q_n)=0\)可改为无量纲形式\(F(\Pi_1,\cdots,\Pi_{n-m})=0\)

\[\Pi_j=B_j\prod_iA_i^{-x_{ij}} \]

证明勾股定理:

涉及量 - 斜边长\(c\),锐角\(\alpha\),面积\(S\),故\(n=3\)

\[\dim c=L\quad \dim S=L^2\quad\dim \alpha=1 \]
\[\dim S=(\dim c)^2\quad \dim\alpha=(\dim c)^0\qquad choose\quad A_1=c,B_1=S,B_2=\alpha \]
\[\Pi_1=Sc^{-2},\Pi_2=\alpha\quad \Rightarrow \quad\Pi_1=\phi(\Pi_2)\Rightarrow S=c^2\phi(\alpha) \]
\[S_1=a^2\phi(\alpha)\quad S_2=b^2\phi(\alpha)\quad\Rightarrow\quad S_1+S_2=S\Rightarrow a^2+b^2=c^2 \]

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