无量纲量

量綱分析中,無量綱量,或称无维量无维度量无维数量无次元量等,指的是沒有量綱。它是個單純的數字,量綱為1[1]。無量綱量在數學物理學工程學經濟學以及日常生活中(如數數)被廣泛使用。一些廣為人知的無量綱量包括圓周率π)、歐拉常數e)和黃金分割率φ)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,但其最終的綱量互相消除後會得出無量綱量。比如,應變是量度形變的量,定義為長度差與原先長度之比。但由於兩者的量綱均為L(長度),因此相除後得出的量是沒有量綱的。

屬性

  • 雖然無量綱量本身沒有量綱,但是它也有時被加以無量綱的單位。在分子和分母使用同樣的單位(kg/kg或mol/mol),有時可以幫助表達所測量的數值(如質量百分濃度摩爾分數等)。某些量還可以表示為不同的單位之比,但這兩個單位的量綱相同(如光年除以)。這種做法可以用於計算圖表中的斜率,或者進行單位轉換。這樣的寫法並不意味著存在量綱,而只不過是符號表達上的慣例。其他常用的無量綱量有:%=0.01,百分率;‰=0.001,千分率;ppm=106百萬分率;ppb(=109十億分率;ppt=1012兆分率(萬億分率)以及角度單位(弧度梯度)等等。
  • 兩個具有相同量綱之比是沒有量綱的,而且無論用甚麼單位計算,該量還是不變的。例如,如果物體A對物體B施大小為F的作用力,那B也會向A施大小為f的力。兩個力的比率F/f永遠等於1(見牛頓第三定律),而不取決於測量Ff所用的單位。這是因為物理中一個重要的假設:物理定律是獨立於人們選用的單位制的。如果以上的F/f不經常等於1,而在我們從國際單位制轉用厘米-克-秒制時改變了的話,這就意味著牛頓第三定律的真偽要看我們選取哪一種單位制,而這就與假設矛盾了。這一假設是白金漢π定理的基礎,其表述為:所有物理定律均能以數個無量綱量的數學組合(加、減、乘、除等等)寫成恆等式。如果無量綱量組合後的值在替換所用單位制後改變了的話,那麼白金漢π定理就不成立了。

白金漢π定理

白金漢π定理的另一項推論為,如果n變數之間有某種函數關係,而這些變數中有k個獨立的量綱,則可以產生p = n k個獨立的無量綱量。

例子

磁力攪拌器電功率是被攪拌液體的密度黏度、攪拌器的直徑及攪拌速度的函數。因此這裡共有n = 5個變量

n = 5個變量共由以下k = 3個量綱組成:

  • 長度:L (m)
  • 時間:T (s)
  • 質量:M (kg)

根據該定理,通過組合這n = 5個變量,可以得出p = n k = 5 3 = 2個獨立的無量綱量。此例中的這兩個無量綱量分別為:

  • 雷諾數(描述流體流動的無量綱量)
  • 功率數(描述攪拌器,同時包含流體密度的無量綱量)

例子

  • 在10個蘋果中,有1個是壞了的。總蘋果數中壞蘋果的比例為1個蘋果/10個蘋果= 0.1 = 10%,這是個無量綱量。
  • :角度的定義為,以圓心為頂點劃出的弧的長度除以某另一長度。這個比率由長度除以長度所得,因此是個無量綱量。當所用的(無量綱)單位為弧度時,那個「另一長度」就是圓的半徑。當單位為角度時,「另一長度」就是圓周長的360分之1。
  • 圓周率是個無量綱量,定義為圓周長與直徑之比。該數值無論在用甚麼單位量度這些長度時(厘米英里光年等等)都會是相同的,只要周長和直徑以同樣的單位量度。

無量綱量列表

下表中所有的量均為無量綱量:

名稱標準符號定義應用範疇
阿贝数V光學光的色散
活度系數γ化學(活躍分子或原子佔總數之比)
反照率氣候學天文學
勞侖茲因子相對論
阿基米德數Ar密度差造成的流體運動
阿倫尼烏斯數活化能熱能之比[2]
相對原子質量M化學
伯格诺德数Ba固體塊的流動(如米粒或沙子)[3]
比贊數
(熱力學)
Be熱傳導不可逆性與由於熱傳導和流體阻力的總不可逆性之比[4]
比贊數
(流體力學)
Be沿著通道的壓力差[5]
賓漢數Bm屈服應力與黏滯應力之比[2]
毕奥数Bi固體的表面傳導率與體積傳導率之比
布莱克数BlB流體穿過多孔介質時慣性相對黏滯力的重要性
博登斯坦数Bo停留時間的分佈
邦德數Bo浮力推動的毛細作用[6]
布林克曼數Br從容器壁到黏性流體的熱傳導
Brownell-Katz數毛細管數邦德數的組合
毛細管數Ca表面張力影響的流體流動
錢德拉塞卡數對流,用以表達洛伦兹力黏度之比
靜摩擦係數物體間的靜摩擦
動摩擦係數物體互相滑動時的摩擦
柯尔伯恩j因数熱傳導的無量綱係數
庫朗數 雙曲型偏微分方程之解[7]
达姆科勒数Da反應時間與共振時間之比
阻尼比系統中阻尼的程度
達西阻力係數流體流動
狄恩数D 彎曲管道中的流體
底波拉数De 粘彈性流體的流動學
分貝dB兩個強度之比,通常用於聲音
阻力系數流動阻力
Dukhin數Du異質系統中表面電導率與體積電導率之比
歐拉常數e數學
埃克特数Ec熱對流傳導
埃克曼数Ek地球物理學(黏質阻力)
彈性E 經濟學,常用於量度供給和需求如何受價格變化的影響
厄特沃什数Eo判斷汽泡或液滴形狀
埃里克森数Er液晶流動特性
歐拉數 (物理學)Eu流體動力學(壓力與慣性力之比)
過量溫度係數Θr熱力學與流體動力學[8]
范宁摩擦系数f管道中的流體流動[9]
费根鲍姆常数混沌理論(週期倍增)[10]
精細結構常數量子電動力學
焦比光學攝影
Foppl-von Karman數薄壳失稳
傅里叶数Fo熱傳導
菲涅耳数F 狹縫衍射[11]
福禄数Fr和表面行為
增益電子學(信號輸出與信號輸入之比)
速比單車傳動[12]
伽利莱数Ga 引力造成的黏質流動
黃金分割比數學美學
格雷茨数Gz熱流
格拉斯霍夫数Gr自由對流
重力耦合常數重力
八田數Ha 化學反應造成的吸附增強
哈根數Hg 強制對流
水力梯度i地下水流動
雅各布数Ja液汽相变時所吸收的顯能與潛能之比[13]
Karlovitz數湍流燃烧
Kc數 震盪流場中物體的阻力慣性之比
克努森数Kn分子平均自由程長度與某代表性長度之比
尿素清除指數Kt/V醫學
Kutateladze數K兩相逆流
拉普拉斯数La混溶流體中的自由對流
路易斯数Le質量擴散率與熱擴散率之比
升力係數在某攻角翼型升力
Lockhart-Martinelli參數 濕氣的流動 [14]
乐甫数地球的硬性
伦德奎斯特数ratio of a resistive time to an Alfvén wave crossing time in a plasma
马赫数M氣體動力學
磁雷诺数磁流体力学
曼宁糙率系数 n開放管道流體流動(由引力推動)[15]
马兰戈尼数Mg由熱表面張力偏差引起的马兰戈尼流
莫顿数Mo判斷汽泡或液滴形狀
彭巴數溶液冷凍時的熱傳導與擴散[16]
努塞尔特数Nu強制對流下的熱傳導
奥内佐格数Oh液體霧化,马兰戈尼流
佩克莱特数Pe平流-擴散問題,總動量傳遞和分子熱傳遞之間的關係
剥离数微觀結構與底物的黏附作用[17]
導流係數K在帶電離子束中空間電荷的強度
圓周率數學(圓周長與直徑之比)
泊松比彈性(橫向與縱向負荷)
多孔性地質學
功率因數電子學(有功功率与视在功率之比)
功率數攪拌器的功率消耗
普兰特数黏性擴散率與熱擴散率之比
壓力係數翼型上某個點的壓力
品質因子描述振子阻尼
弧度量度平面角,
瑞利数 自由對流中的浮力和黏滯力
折射率n電磁學、光學
雷诺数流體的慣性力與黏滯力之比[2]
比重RD比重計,物質間的比較
理查逊数Ri浮力對流動穩定性的影響[18]
洛氏硬度硬度
滚动阻力系数Crr車輛動力學
罗斯贝数 地球物理學中的慣性力,描述科里奧利力的影響程度
劳斯数ZP 沈積物流移
施密特数Sc 流體動力學(質量轉移與擴散)[19]
形狀因數H边界层流動中排移厚度與動量厚度之比
舍伍德数Sh 強制對流中的質量轉移
希尔兹參數τθ流體運動造成的沈積物流移的臨界
索默菲德数邊層潤滑[20]
斯坦顿数St 強制對流中的熱傳遞
斯蒂芬数Ste相變時的熱傳遞
斯托克斯数流體流中的粒子動力學
應變 材料科学彈性
斯特劳哈尔数StSr持續並脈動的流體流動[21]
泰勒数Ta旋轉的流體流動
Ursell數U在淺流體層上表面引力波的非線性度
Vadasz數Va在多孔介質中流體流動時,該數影響多孔性、普兰特数以及達西阻力係數
范特霍夫因子i化學定量分析KfKb
Wallis參數J*多相流體流動時的表現速
韦伯数We表面極為彎曲的多相流體流動
魏森贝格数Wi粘彈性流體流動[22]
沃默斯利数持續並脈動的流體流動[23]

無量綱的物理常數

一些基本物理常數,如真空中的光速萬有引力常數普朗克常數波兹曼常数等等,在適當挑選時間長度質量電荷溫度等單位後,可以歸一(數值為1)。這種單位制被稱為自然單位制。不過不可能在每一個單位制中都把所有的物理常數歸一,剩餘的量必須以實驗判定。這些剩餘的量包括:

參見

参考文献

  1. . International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated terms (VIM). ISO. 2008 [2011-03-22]. (原始内容存档于2012-10-04).
  2. (PDF). [2009-11-05]. (原始内容存档 (PDF)于2016-03-03).
  3. Bagnold number 存檔,存档日期2005-05-10.
  4. Paoletti S., Rispoli F., Sciubba E. . ASME AES. 1989, 10 (2): 21–9.
  5. Bhattacharjee S., Grosshandler W.L. . ASME MTD. 1988, 96: 711–6.
  6. Bond number 存檔,存档日期2012-03-05.
  7. Courant–Friedrich–Levy number 存檔,存档日期2008-06-05.
  8. Schetz, Joseph A. . Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc. 1993: 132–134. ISBN 0-13-086885-X.
  9. . [2013-01-31]. (原始内容存档于2013-12-20).
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  13. Incropera, Frank P. . John Wiley & Sons, Inc. 2007: 376.
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  15. Manning coefficientPDF (109 KB)
  16. Katz J. I. . Am. J. Phys. 2009, 77: 27–29. Bibcode:2009AmJPh..77...27K. arXiv:physics/0604224. doi:10.1119/1.2996187. 页面存档备份,存于 Mpemba number
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  21. Strouhal number 存檔,存档日期2009-03-25.
  22. Weissenberg number 存檔,存档日期2006-11-01.
  23. Womersley number 存檔,存档日期2009-03-25.

外部連結

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