1.12
Analiza wymiarowa
Pojęcie wymiaru jest ważne, ponieważ każde równanie matematyczne łączące wielkości fizyczne musi być spójne wymiarowo, co oznacza, że równania matem…
Wszystkie wielkości fizyczne mogą być wyrażone za pomocą wielkości bazowych lub wielkości pochodnych, a każda wielkość jest reprezentowana przez symbol, który określa jej wymiary.
Na przykład prędkość samochodu jest definiowana jako odległość podzielona przez czas. Termin odległość odpowiada długości wielkości, oznaczonej przez L i czasu przez T.
W związku z tym możemy zapisać wymiar prędkości wielkości, jako L podzielony przez T lub LT do potęgi minus jeden.
Aby równanie było poprawne wymiarowo, powinno spełniać dwie zasady. Po pierwsze, wyrażenia po obu stronach równości w równaniu muszą mieć te same wymiary.
Po drugie, standardowe funkcje matematyczne w równaniach muszą być bezwymiarowe
Na przykład wiemy, że wymiar objętości to L sześcienny. Rozważmy teraz walec o promieniu r i wysokości h.
Wiemy, że objętość cylindra wynosi π r kwadrat h. Termin π jest stałą i jest to wielkość bezwymiarowa. Wyraz r odpowiada długości objętości i możemy zapisać jej wymiar jako L do kwadratu, a termin h odpowiada również długości ilości, co daje wymiar objętości cylindra jako L sześcienny. W związku z tym równanie jest poprawne wymiarowo.
Dopóki znamy wymiary poszczególnych wielkości fizycznych, które pojawiają się w równaniu, możemy sprawdzić, czy równanie jest wymiarowo spójne.
Innym zastosowaniem analizy wymiarowej jest zapamiętanie równania. Załóżmy na przykład, że nie pamiętasz, czy prędkość równa się czasowi podzielonemu przez odległość, czy odległości podzielonej przez czas.
Wymiary czasu, odległości i prędkości to T, L i LT do potęgi minus jeden odpowiednio. Redukując oba równania do ich podstawowych jednostek po każdej stronie równania, otrzymujemy prędkość równą odległości podzielonej przez czas.
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.