Размерность физической величины

Термин «размерность» имеет и другие значения, см. Размерность (значения).

Разме́рность физической величины — выражение, показывающее, во сколько раз изменится единица физической величины при изменении единиц величин, принятых в данной системе за основные. Размерность представляет собой одночлен, составленный из произведения обобщённых символов основных единиц в различных (целых или дробных, положительных или отрицательных, в общем случае вещественных) степенях, которые называются показателями размерности. Так, например, размерность скорости LT ⁻¹, где Т представляет собой размерность времени, а L — длины. Эти символы обозначают единицы времени и длины независимо от их конкретного размера (секунда, минута, час, метр, сантиметр и т. д.).

В БСЭ имеется следующее определение размерности: Размерность физической величины — выражение, показывающее, во сколько раз изменится единица физической величины при изменении единиц величин, принятых в данной системе за основные. Это определение не соответствует стандарту, кроме того, размерность физической величины и единица измерений физической величины синонимами не являются.

Термин размерность может относиться также к единице измерения физической величины. Часто абстрагируются от конкретных единиц измерения и описывают размерности в терминах основных физических величин, таких, например, как длина, масса и время, которые обозначают символами L, M и T, соответственно. Размерность записывают, как произведение этих символов, каждый из которых возведён в вещественную (не обязательно рациональную) степень.

Например, размерность скорости — расстояние, делённое на время (LT ⁻¹), а размерность силы — масса, умноженная на расстояние и делённая на время в квадрате (MLT ⁻²). В механике размерность любой величины может быть выражена через расстояние (которое физики часто называют «длиной»), массу и время. Электрические и магнитные величины также могут быть выражены через эти три размерности с использованием, например, закона Кулона. Однако, при использовании СИ иногда бывает удобнее ввести размерность такой основной физической величины, как электрический ток (I).

Размерность физической величины зависит, вообще говоря, от используемого класса систем единиц. В частности, безразмерная величина в одном классе единиц может стать размерной в другом. Например, в СГС электрическая ёмкость измеряется в сантиметрах и отношение ёмкости сферического тела к его радиусу — безразмерная величина, тогда как в СИ это отношение не является безразмерным. Однако используемые на практике безразмерные числа (критерии подобия, например постоянная тонкой структуры в квантовой физике или числа Маха, Рейнольдса, Струхаля и др. в механике сплошных сред) как правило характеризуют относительное влияние тех или иных физических факторов и являются отношением различных слагаемых (с одинаковыми размерностями) в соответствующих уравнениях, поэтому, несмотря на то, что в разных системах их определения могут отличаться^[1], они всегда будут безразмерными.

В СИ определены семь единиц основных физических величин, размерности которых считаются независимыми друг от друга. Поскольку система физических величин принципиально отличается от системы единиц, то в некоторых системах физических величин возможен иной перечень основных физических величин, чем в СИ.

Проверка размерности

В формулах, имеющих физический смысл, только величины, имеющие одинаковую размерность, могут складываться, вычитаться или сравниваться. Например, сложение массы какого-либо предмета с длиной другого предмета не имеет смысла. Также невозможно сказать, что больше: 1 килограмм или 3 секунды. Из этого правила, в частности, следует, что левые и правые части уравнений должны иметь одинаковую размерность.

Кроме того, аргументы экспоненциальных, логарифмических и тригонометрических функций должны быть безразмерными величинами.

Эти правила используются для проверки правильности физических формул. Если в полученном уравнении какое-то из них нарушается, то ясно, что в вычислениях была допущена ошибка.

Анализ размерности

Основная статья: Анализ размерности

Анализ размерности — метод, используемый физиками для построения обоснованных гипотез о взаимосвязи различных размерных параметров сложной физической системы. Иногда анализ размерности можно использовать для получения готовых формул (с точностью до безразмерной константы). Суть метода заключается в том, что из параметров, характеризующих систему, составляется выражение, имеющее нужную размерность.

При анализе размерностей формул размерность левой части уравнения должна быть равна размерности правой части уравнения. Отсутствие такого равенства говорит о неверности формулы. Однако наличие такого равенства не даёт стопроцентной гарантии верности формулы.

См. также

Ссылки

Размерность физических величин
Энциклопедический словарь:РАЗМЕРНОСТЬ (физической величины)

Примечания

↑ Например, если некоторое безразмерное число характеризует отношение тепловой и кинетической энергии, то в системе с основными единицами килограмм, метр, секунда и калория в её определение должен входить размерный механический эквивалент тепла, в то время как в СИ в её определение он не входит.