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無量綱量
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量綱量,或稱無因次量、無維量、無維度量、無維數(shù)量、無次元量等,指的是在量綱分析中,沒有量綱的量。它是個單純的數(shù)字,量綱為1。無量綱量在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)以及日常生活中(如數(shù)數(shù))被廣泛使用。一些廣為人知的無量綱量包括圓周率(π)、自然常數(shù)(e)、角度(rad)、黃金分割率(φ)和相對分子質(zhì)量(Mr)等。與之相對的是有量綱量,擁有諸如長度、面積、時間等單位。

無量綱量常寫作兩個有量綱量之積或比,但其最終的綱量互相消除后會得出無量綱量。比如,應(yīng)變是量度形變的量,定義為長度差與原先長度之比。但由于兩者的量綱均為L(長度),因此相除后得出的量是沒有量綱的。

屬 性

1.無量綱量具有數(shù)值的特性,它可以通過兩個量綱相同的物理量相除得到,也可由幾個量綱不同的物理量通過乘除組合得到。如底坡、雷諾數(shù)、佛汝得數(shù)等都是無量綱量。

2.無量綱量具有這樣一些特點:①無量綱數(shù)既無量綱又無單位,因此其數(shù)值大小與所選單位無關(guān)。即無論選擇什么單位制計算,其結(jié)果總是相同的。當(dāng)然,同一問題必須用同一單位制進行計算。②對數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)等超越函數(shù)的運算往往都是對無量綱量來講的。③一個力學(xué)方程,如果用無量綱數(shù)表示的話,它的應(yīng)用就可以不受單位制的限制。量綱分析的目的之一就是找出正確地組合無量綱量的方法。

應(yīng)用

物理量量綱可以用來分析或檢核幾個物理量之間的關(guān)系,這方法稱為量綱分析(dimensional analysis)。通常,一個物理量的量綱是由像質(zhì)量、長度、時間、電荷量、溫度一類的基礎(chǔ)物理量綱結(jié)合而成。例如,速度的量綱為長度每單位時間,而計量單位米每秒、英里每小時或其它單位。量綱分析所根據(jù)的重要原理是,物理定律必需跟其計量物理量的單位無關(guān)。任何有意義的方程式,其左手邊與右手邊的量綱必需相同。檢查有否遵循這規(guī)則是做量綱分析最基本的步驟。

白金漢π定理是量綱分析中的一個重要原理,其表述為:所有物理定律均能以數(shù)個無量綱量的數(shù)學(xué)組合(加、減、乘、除等等)寫成恒等式。如果n個變數(shù)之間有某種函數(shù)關(guān)系,而這些變數(shù)中有k個獨立的量綱,則可以產(chǎn)生p = n ? k個獨立的無量綱量。例如,某磁力攪拌器電功率是被攪拌液體的密度和黏度、攪拌器的直徑及攪拌速度的函數(shù)。這里共有n = 5個變量,由k = 3個量綱組成:長度(L)、時間(T)、質(zhì)量(M)。根據(jù)該定理,可以得出p = n ? k = 5 ? 3 = 2個獨立的無量綱量,例如雷諾數(shù)和功率數(shù)。

參考資料 >

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