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无量纲量

量纲量,或称无因次量、无维量、无维度量、无维数量、无次元量等,指的是在量纲分析中,没有量纲的量。它是个单纯的数字,量纲为1。无量纲量在数学、物理学、工程学、经济学以及日常生活中(如数数)被广泛使用。一些广为人知的无量纲量包括圆周率(π)、自然常数(e)、角度(rad)、黄金分割率(φ)和相对分子质量(Mr)等。与之相对的是有量纲量,拥有诸如长度、面积、时间等单位。

无量纲量常写作两个有量纲量之积或比,但其最终的纲量互相消除后会得出无量纲量。比如,应变是量度形变的量,定义为长度差与原先长度之比。但由于两者的量纲均为L(长度),因此相除后得出的量是没有量纲的。

属 性

1.无量纲量具有数值的特性,它可以通过两个量纲相同的物理量相除得到,也可由几个量纲不同的物理量通过乘除组合得到。如底坡、雷诺数、佛汝得数等都是无量纲量。

2.无量纲量具有这样一些特点:①无量纲数既无量纲又无单位,因此其数值大小与所选单位无关。即无论选择什么单位制计算,其结果总是相同的。当然,同一问题必须用同一单位制进行计算。②对数、指数、三角函数等超越函数的运算往往都是对无量纲量来讲的。③一个力学方程,如果用无量纲数表示的话,它的应用就可以不受单位制的限制。量纲分析的目的之一就是找出正确地组合无量纲量的方法。

应用

物理量量纲可以用来分析或检核几个物理量之间的关系,这方法称为量纲分析(dimensional analysis)。通常,一个物理量的量纲是由像质量、长度、时间、电荷量、温度一类的基础物理量纲结合而成。例如,速度的量纲为长度每单位时间,而计量单位米每秒、英里每小时或其它单位。量纲分析所根据的重要原理是,物理定律必需跟其计量物理量的单位无关。任何有意义的方程式,其左手边与右手边的量纲必需相同。检查有否遵循这规则是做量纲分析最基本的步骤。

白金汉π定理是量纲分析中的一个重要原理,其表述为:所有物理定律均能以数个无量纲量的数学组合(加、减、乘、除等等)写成恒等式。如果n个变数之间有某种函数关系,而这些变数中有k个独立的量纲,则可以产生p = n − k个独立的无量纲量。例如,某磁力搅拌器电功率是被搅拌液体的密度和黏度、搅拌器的直径及搅拌速度的函数。这里共有n = 5个变量,由k = 3个量纲组成:长度(L)、时间(T)、质量(M)。根据该定理,可以得出p = n − k = 5 − 3 = 2个独立的无量纲量,例如雷诺数和功率数。

参考资料