1.12
המושג מימד חשוב מכיוון שכל משוואה מתמטית המקשרת בין כמויות פיזיקליות חייבת להיות עקבית מבחינה מימדית, מה שמרמז שמשוואות מתמטיות חייבות לעמוד בשני הכלל…
כל הכמויות הפיזיקליות ניתנות לביטוי באמצעות כמויות בסיס או כמויות נגזרות וכל כמות מיוצגת על ידי סמל, המגדיר את מידותיה.
לדוגמה, מהירות המכונית מוגדרת כמרחק חלקי הזמן. המונח מרחק מתאים לאורך הכמות, המסומן ב- L וזמן ב- T.
לפיכך, אנו יכולים לכתוב את ממד מהירות הכמות, כמו L חלקי T או LT בחזקת מינוס אחד.
כדי שמשואה תהיה נכונה מבחינה ממדית, עליה לציית לשני כללים. ראשית, הביטויים בכל צד של השוויון במשוואה חייבים להיות בעלי אותם ממדים.
שנית, הפונקציות המתמטיות הסטנדרטיות במשוואות חייבות להיות חסרות ממד
לדוגמה, אנו יודעים שממד הנפח הוא L cubed. עכשיו, לשקול גליל עם רדיוס r וגובה h.
אנו יודעים שהנפח של גליל הוא π r בריבוע h. המונח π הוא קבוע, וזו כמות חסרת ממד. המונח r מתאים לאורך הכמות, ואנו יכולים לכתוב את ממדיו כ- L בריבוע, והמונח h מתאים גם לאורך הכמות, מה שנותן את ממד נפח הגליל כ- L קוביית. לפיכך, המשוואה נכונה מבחינה ממדית.
כל עוד אנו יודעים את הממדים של הכמויות הפיזיקליות הבודדות המופיעות במשוואה, אנו יכולים לבדוק אם המשוואה עקבית מבחינה ממדית.
יישום נוסף של ניתוח ממדי הוא לזכור משוואה. לדוגמה, נניח שאינכם זוכרים אם מהירות שווה זמן חלקי מרחק או מרחק חלקי זמן.
ממדי הזמן, המרחק והמהירות הם T, L ו-LT בחזקת מינוס אחד בהתאמה. אם נצמצם את שתי המשוואות ליחידות היסוד שלהן בכל צד של המשוואה, נקבל מהירות שווה מרחק חלקי הזמן.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are dimensions in physics and how do they relate to physical quantities?
Dimensions represent the fundamental nature of physical quantities using symbols like L for length and T for time. All physical quantities, whether base quantities and derived quantities, are expressed through these dimensional symbols. For example, speed has dimensions of LT⁻¹ because it equals distance divided by time. Understanding dimensions allows you to verify equations and check calculations systematically.
Q2: What are the two rules for dimensional consistency in equations?
First, expressions on each side of an equality must have identical dimensions. Second, arguments of standard mathematical functions like trigonometric or logarithmic functions must be dimensionless. For instance, in the cylinder volume equation πr²h, the constant π is dimensionless while r² and h contribute length dimensions, yielding L³ total. Violating either rule means the equation cannot represent a correct physical law.
Q3: How can dimensional analysis help you remember physics equations?
Dimensional analysis lets you verify which form of an equation is correct by checking dimensions. If you forget whether speed equals time divided by distance or distance divided by time, you can test both using dimensions. Since speed has dimensions LT⁻¹, only distance divided by time (L/T) produces the correct dimensions, confirming the right equation form.
Q4: What happens to dimensions when you take the derivative of a physical quantity?
The derivative of a function represents a slope, which is a ratio. For physical quantities, the dimension of a derivative equals the dimension of the numerator divided by the dimension of the denominator. For example, the derivative of velocity with respect to time has dimensions of velocity divided by time, or LT⁻¹ divided by T, yielding LT⁻² for acceleration.
Q5: How do dimensions change when you integrate a physical quantity?
Since integrals represent sums of products, the dimension of an integral equals the dimension of the quantity being integrated multiplied by the dimension of the variable of integration. For instance, integrating velocity with respect to time yields dimensions of LT⁻¹ times T, which equals L, representing displacement. This dimensional relationship helps verify integral expressions in physics.
Q6: Why is dimensional consistency important for checking physics equations?
Dimensional consistency ensures equations represent valid physical laws. By reducing both sides of an equation to their fundamental dimensions, you can catch algebraic errors or typos before calculations. If dimensions don't match on both sides, the equation is incorrect. This method provides a quick, systematic way to validate formulas without performing full numerical computations.
Q7: Can dimensionless constants appear in dimensionally correct equations?
Yes, dimensionless constants like π can appear in equations without affecting dimensional consistency. In the cylinder volume formula πr²h, π is dimensionless and doesn't change the overall dimensions. The radius squared contributes L², height contributes L, and their product yields L³ for volume. Dimensionless numbers multiply quantities without altering their dimensional properties.