El análisis dimensional es una herramienta conceptual aplicada a menudo en la física, la química, y la ingeniería para entender las situaciones físicas que implican una mezcla de diversas clases de cantidades físicas. Es utilizado rutinario por los científicos físicos y los ingenieros para comprobar la plausibilidad de las ecuaciones derivadas y de los cómputos de . También se utiliza para formar hipótesis razonables sobre las situaciones físicas complejas que se pueden probar por el experimento o por teorías desarrolladas de los fenómenos.
La unidad de una cantidad física y su dimensión son conceptos relacionados, pero no no exacto idénticos. Las unidades de una cantidad física son definidas por la convención y relacionadas con un cierto estándar; e. la longitud puede tener unidades de metros, de pies, de pulgadas, de millas o de micrómetros; pero cualquier longitud tiene siempre una dimensión del L, independiente de lo que se eligen las unidades arbitrariamente para medirla. Dos diversas unidades de la misma cantidad física tienen factores de conversión entre ellos. Por ejemplo: 1 en = 2.54 cm ; entonces (2.54 cm/in) se llama un factor de conversión (entre dos representaciones expresadas en diversas unidades de una cantidad común) y es sí mismo sin dimensiones e igual a uno. No hay factores de conversión entre los símbolos dimensionales.
Los símbolos dimensionales, tales como L, forman un grupo : hay una identidad, L 0=1; hay lo contrario al L, que es 1 L o el L -1, y el L levantado a cualquier racional p de la energía es un miembro del grupo, teniendo lo contrario del L -p o de 1 L p. La operación del grupo es multiplicación, con las reglas generalmente para manejar los exponentes ( L L del × de n m = el L n+m).
En los mecánicos, la dimensión de cualquier cantidad física se puede expresar en términos de M de las dimensiones de la base, L y T . Ésta no es la única opción posible, pero es el que está más de uso general. Por ejemplo, uno pudo elegir la fuerza, la longitud y la masa como la base dimensiona (como alguno han hecho), con el asociado F, L de las dimensiones, M . La opción del sistema bajo de dimensiones es así en parte una convención, dando por resultado utilidad y familiaridad crecientes. Es, sin embargo, importante observar que la opción del sistema de dimensiones no es just a la convención; por ejemplo, usar longitud, la velocidad y el tiempo como dimensiones bajas no trabajarán bien, porque no hay manera de obtener el mass— o cualquier cosa derivó de él, tal como force— sin la introducción de otra dimensión baja, y de velocidad puede ser derivado de longitud y tiempo de todos modos, así pues, es en el mejor de los casos redundante, y en peor de los casos contrario (si, por ejemplo, la unidad baja de velocidad no iguala 1 unidad baja de longitud por la unidad de tiempo baja).
Es importante para la facilidad de comunicaciones tener la comunidad entera de científicos que toman las mismas decisiones. El sistema del SI de unidades, con las opciones asociadas de sus dimensiones correspondientes es el más ampliamente utilizado y esencialmente ha substituido varios las opciones confusas y traslapadas en el sistema extendido del gramo segundo del centímetro de las unidades .
Dependiendo del campo de la física, puede ser ventajoso elegir un u otro sistema extendido de símbolos dimensionales. En electromagnetismo, por ejemplo, puede ser útil utilizar dimensiones del M, del L, del T, y del Q, donde el Q representa la cantidad de la carga eléctrica . En termodinámica, el sistema bajo de dimensiones se amplía a menudo para incluir una dimensión para la temperatura. En química el número de moléculas está a menudo implicado y una dimensión para esto es útil también. La opción de las dimensiones o aún del número de dimensiones que se utilizarán en diversos campos de la física es hasta cierto punto arbitraria, pero la consistencia funcionando y la facilidad de comunicaciones son supremas.
En la forma más primitiva, el análisis dimensional se puede utilizar para comprobar la plausibilidad de ecuaciones físicas: los dos lados de cualquier ecuación deben ser el proporcional o tener las mismas dimensiones, es decir, la ecuación debe ser dimensional homogéneo. Como corolario de este requisito, sigue eso en una expresión físicamente significativa, sólo las cantidades de la misma dimensión pueden ser agregadas o ser restadas. Por ejemplo, la masa de una rata y la masa de una pulga pueden ser agregadas, pero la masa de una pulga y la longitud de una rata no pueden ser agregadas significativo. Las cantidades físicas que tienen diversas dimensiones no se pueden comparar a una otro cualquiera. Por ejemplo, " 3 m > 1 g" no es una expresión significativa.
Solamente las cantidades dimensionadas semejantes pueden ser agregadas, ser restadas, ser comparadas, o ser comparadas. Cuando desemejante de cantidades dimensionadas aparece el contrario del " +" o " −" o " =" firmar, esa ecuación física no es plausible, que pudo incitar uno para corregir errores antes de proceder utilizarlo. Cuando como cantidades dimensionadas o desemejante de cantidades dimensionadas se multiplican o se dividen, sus símbolos dimensionales se multiplican o se dividen además. Cuando las cantidades dimensionadas se levantan a una energía racional, igual se hace a los símbolos dimensionales atados a esas cantidades.
Las discusiones escalares al exponencial, al trigonométrico, al logarítmico y a otras funciones trascendentales deben ser las cantidades sin dimensiones . Este requisito está claro cuando uno toma a Taylor la extensión de estas funciones. Por ejemplo, el logaritmo de 3 kilogramos es indefinido aunque el logaritmo de 3 es casi 0. Una tentativa de computar el ln 3 kilogramos produciría el
del frac {9 \, \ mathrm {kilogramo} ^2} { cuál es dimensional incompatible. Para las discusiones escalares, esto significa que la discusión debe ser sin dimensiones, pero ciertos tensores dimensionados son dimensional uno mismo-cuadrado (Hart, 1995) y se pueden utilizar como discusiones a estas funciones. ¡
El valor de una cantidad física dimensional se escribe como el producto de una unidad dentro de la dimensión y de un factor numérico sin dimensiones. Terminantemente, cuando como cantidades dimensionadas se agregan o restado o comparado, éstos las cantidades dimensionadas se deben expresar en unidades constantes para poder ser agregado o restar directo los valores numéricos de estas cantidades. Pero, no hay conceptual problema que agrega cantidades de la misma dimensión expresada en diversas unidades. Por ejemplo, 1 metro agregado a de 1 pie es a la longitud, pero no estaría correcto agregar 1 a 1 para conseguir el resultado. Un factor de conversión, que es un cociente como de cantidades dimensionadas y es igual a la unidad sin dimensiones, es necesario:
es idéntico a del mbox {pie}
\ \ Frac {\ mbox {m}} {\ mbox {pie}} del del Cuando estaban hechos frente con un caso donde nuestro análisis rechaza una variable (g, aquí) esa nosotros siente pertenece sure realmente en una descripción física de la situación, puede ser que también consideremos la posibilidad que la variable rechazada es de hecho relevante, y que se ha omitido una cierta otra variable relevante, que pudo combinar con la variable rechazada para formar una cantidad sin dimensiones. Es decir, sin embargo, no el caso aquí. Cuando el análisis dimensional rinde una solución de problemas donde está implicado solamente un producto sin dimensiones de energías, como aquí, no hay funciones desconocidas, y la solución reputa el " complete." l (, \, \ ell/A) = 0 de E/As donde está una cierta función el F desconocida, o, equivalente como l = A s f (\ ell/A), \, donde está una cierta otra función el f desconocida. Aquí la función desconocida implica que nuestra solución es incompleta ahora, pero el análisis dimensional nos ha dado algo que pudo no haber sido obvio: La energía es proporcional a la primera energía de la tensión. Salvo análisis analítico adicional, puede ser que procedamos a los experimentos a descubrir la forma para el f de la función desconocida. Pero nuestros experimentos son más simples que en la ausencia de análisis dimensional. No realizaríamos ninguno verificar que la energía es proporcional a la tensión. O quizás puede ser que conjeturemos que la energía es proporcional al La energía del análisis dimensional llega a ser realmente evidente cuando se aplica a las situaciones, desemejante de los dados arriba, que son más complicados, el sistema de variables implicadas no es evidente, y las ecuaciones subyacentes desesperado complejas. Considerar por ejemplo, un pequeño guijarro que se sienta en la cama de un río. Si fluye el río rápidamente bastante, levantará el guijarro y lo hará realmente fluir junto con el agua. ¿A qué velocidad crítica esto ocurrirá? Arreglar las variables conjeturadas no es tan fácil como antes. Pero el análisis dimensional puede ser una ayuda de gran alcance en problemas de comprensión como esto, y es generalmente la primera herramienta que se aplicará a los problemas complejos donde están mal entendidos las ecuaciones y los apremios subyacentes. la magnitud de los componentes de un vector debe ser considerado dimensional distinto. Por ejemplo, algo que un no diferenciado L de la unidad de la longitud, podemos hacer que como medida de la cantidad debe ser considerada dimensional distinto de masa como medida de inercia. Como ejemplo de la utilidad del primer refinamiento, suponer que deseamos calcular la distancia los recorridos de una bola de cañón cuando están encendidos con un componente vertical Con estas cuatro cantidades, podemos concluir que la ecuación para el R de la gama puede ser escrita: l \ propto V_x^a \, V_y^b \, g^c. \, O dimensional l = (L/T)^ {a+b} (L/T^2)^c \, de cuál podemos deducir que Si, sin embargo, utilizamos dirigimos dimensiones de la longitud, después l = (L_x/T)^a \, (L_y/T)^b (L_y/T^2)^c \, y podemos solucionar totalmente como De una manera similar, a veces se encuentra útil (e., en los mecánicos flúidos y termodinámica) para distinguir entre la masa como medida de inercia (masa de inercia), y se forma como medida de la cantidad (masa substancial). Por ejemplo, considerar la derivación de la ley de Poiseuille. Deseamos encontrar el índice de flujo total de un líquido viscoso a través de una pipa circular. Sin distinciones del dibujo entre la masa de inercia y substancial podemos elegir como las variables relevantes \ punto {m} Hay tres variables fundamentales así que las cinco ecuaciones antedichas rendirán dos variables sin dimensiones que que poder tomar para ser el l \ dejado (\ frac {p_x \ rho r^5} {\ punto {m} ^2} \ derecho) donde están constantes el C del y el un indeterminados. Si dibujamos una distinción entre la masa de inercia con las dimensiones l \ frac {p_x \ rho r^4} {\ eta \ punto {m}} donde ahora solamente está un constante el C indeterminado (encontrado para ser igual al Los ángulos se consideran convencionalmente ser variables sin dimensiones, y así que el uso de ángulos como variables físicas en análisis dimensional puede dar resultados menos significativos. Como ejemplo, considerar el problema del proyectil mencionado anteriormente. Suponer que, en vez del x - y del y - los componentes de la velocidad inicial, nosotros habían elegido la magnitud del v de la velocidad y del Siano (Siano, 1985-I, 1985-II) ha sugerido que las dimensiones dirigidas de Huntley sean substituidas usando los símbolos orientativos Observar que los símbolos orientativos forman un grupo (el cuatro-grupo de Klein o " viergruppe"). En este sistema, los escalares tienen siempre la misma orientación que el elemento de identidad, independiente del " simetría del problem." Las cantidades físicas que son vectores tienen la orientación esperada: una fuerza o una velocidad en la x-dirección tiene la orientación de La asignación de símbolos orientativos a las cantidades físicas y al requisito que las ecuaciones físicas sean orientationally homogéneas se puede utilizar realmente en una manera que sea similar al análisis dimensional derivar un poco más información sobre las soluciones aceptables de problemas físicos. En este acercamiento uno fijó la ecuación dimensional y la soluciona por lo que puede una. Si la energía más baja de una variable física es fraccionaria, ambos lados de la solución se levantan a una energía tales que todas las energías son integrales. Esto la pone en " form" normal;. La ecuación orientativa entonces se soluciona para dar una condición más restrictiva en las energías desconocidas de los símbolos orientativos, llegando una solución que sea más completa que la que el análisis dimensional solamente da. La información agregada es a menudo que una de las energías de cierta variable es uniforme o impar. Pues un ejemplo, para el problema del proyectil, usar símbolos orientativos, θ, estando en el plano x-y tendrá así dimensión l \, v^b \, \ theta^c La homogeneidad dimensional ahora correctamente rendirá un =-1 y a b =2, y la homogeneidad orientativa requiere ese c sea un número entero impar. De hecho required función de theta ser Se ve que las series de Taylor del Debe estar claro que la regla de la multiplicación usada para los símbolos orientativos no es igual que ésa para el producto cruzado de dos vectores. El producto cruzado de dos vectores idénticos es cero, mientras que el producto de dos símbolos orientativos idénticos es el elemento de identidad. .
Un ejemplo más complejo
Considerar el caso de un alambre vibrante de la longitud l que vibra con una amplitud A. El alambre tiene una densidad linear del ρ y está bajo tensión s, y queremos saber la energía, E, en el alambre. Ahora podemos encontrar fácilmente que podemos formar dos productos sin dimensiones de las energías de las variables elegidas, el Adición de Huntley
Huntley (Huntley, 1967) ha demandado que es a veces productivo refinar nuestro concepto de dimensión. Dos refinamientos posibles son:
La masa del
Desventajas y refinamientos: Análisis orientativo
La adición de Huntley tiene algunas desventajas serias. No se ocupa bien de las ecuaciones del vector que implican el producto cruzado, ni maneja bien el uso de ángulos como variables físicas. También es a menudo absolutamente difícil asignar el L,
Base filosófica
En última instancia, puede ser visto que el análisis dimensional y el requisito para que las ecuaciones físicas sean dimensional homogéneos refleja la idea que las leyes de la física son independiente de las unidades empleadas para medir las variables físicas. Es decir,   del F ; = el mA, por ejemplo, es sistema de unidades verdadero si el sistema de la unidad usado es SI, inglés, o cgs, o cualquier otro constante. El análisis orientativo y el requisito para que las ecuaciones físicas sean orientationally homogéneos refleja la idea que las ecuaciones de la física deben ser independiente del sistema coordinado usado. Constantes sin dimensiones
Los constantes sin dimensiones que se presentan en los resultados obtenidos, por ejemplo la C en el problema y el Teorema del π de Buckingham
El teorema del π de Buckingham forma la base de la herramienta central del análisis dimensional. Este teorema describe cómo cada ecuación físicamente significativa que implica variables del n se puede equivalente reescribir como ecuación del   del n ; − parámetros sin dimensiones del m, donde está el número el m de dimensiones fundamentales usadas. Además, y más importante, proporciona un método para computar estos parámetros sin dimensiones de las variables dadas. Ver también
style=" del
Hipótesis de los grandes números de Dirac
Unidad fundamental
Nondimensionalization
Equivalization
Cantidad física
Unidades naturales
Similitud (modelo)
Teorema del π de Buckingham
La conversión de unidades por factor-etiqueta
El afina el espacio que es como un espacio de vector sin el elemento cero y modela tan cantidades físicas más fiel. ¡ Random links: Tepezalá, Aguascalientes | MEPs para Eslovenia 2004-2009 | Charles H. Ramsey | Lista de carreteras numeradas en Luisiana | Sal en la biblia