§ 28. Метод анализа размерностей

Физические величины, числовое значение которых не зависит от выбранного масштаба единиц, называются безразмерными. Примеры безразмерных величин — угол (отношение длины дуги к радиусу), показатель преломления вещества (отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе).

Физические величины, изменяющие свое числовое значение при изменении масштаба единиц, называются размерными. Примеры размерных величин — длина, сила и т. д. Выражение единицы физической величины через основные единицы называется ее размерностью (или формулой размерности). Например, размерность силы в системах СГС и СИ выражается формулой

Соображения размерности можно использовать для проверки правильности полученных ответов при решении физических задач: правые и левые части полученных выражений, как и отдельные слагаемые в каждой из частей, должны иметь одинаковую размерность.

Метод размерностей можно использовать и для вывода формул и уравнений, когда нам известно, от каких физических параметров может зависеть искомая величина. Сущность метода легче всего уяснить на конкретных примерах.

Применения метода размерностей. Рассмотрим задачу, ответ для которой нам хорошо известен: с какой скоростью упадет на землю тело, свободно падающее без начальной скорости с высоты если сопротивлением воздуха можно пренебречь? Вместо непосредственного вычисления на основе законов движения будем рассуждать следующим образом.

Подумаем, от чего вообще может зависеть искомая скорость. Очевидно, что она должна зависеть от начальной высоты и от ускорения свободного падения Можно предположить, следуя Аристотелю, что она зависит и от массы . Поскольку складывать можно только величины одинаковой размерности, то для искомой скорости можно предложить такую формулу:

где С — некоторая безразмерная постоянная (числовой коэффициент), а х, у и z — неизвестные числа, которые следует определить.

Размерность правой и левой частей этого равенства должна быть одинакова, и именно этим условием можно воспользоваться для определения показателей степени х, у, z в (2). Размерность скорости есть размерность высоты есть размерность ускорения свободного падения равна , наконец, размерность массы равна М. Поскольку постоянная С безразмерна, то формуле (2) соответствует следующее равенство размерностей:

Это равенство должно выполняться независимо от того, каковы числовые значения . Поэтому следует приравнять показатели степеней при и М в левой и правой частях равенства (3):

Из этой системы уравнений получаем Поэтому формула (2) принимает вид

Истинное значение скорости, как известно, равно

Итак, использованный подход позволил определить правильно зависимость от и и не дал возможности найти значение

безразмерной постоянной С. Хотя нам и не удалось получить исчерпывающего ответа, все же получена весьма существенная информация. Например, мы можем с полной определенностью утверждать, что, если начальную высоту увеличить в четыре раза, скорость в момент падения возрастет вдвое и что вопреки мнению Аристотеля эта скорость не зависит от массы падающего тела.

Выбор параметров. При использовании метода размерностей следует в первую очередь выявить параметры, определяющие рассматриваемое явление. Это легко сделать, если известны описывающие его физические законы. В ряде случаев определяющие явление параметры можно указать и тогда, когда физические законы неизвестны. Как правило, для использования метода анализа размерностей нужно знать меньше, чем для составления уравнений движения.

Если число параметров, определяющих изучаемое явление, больше числа основных единиц, на которых построена выбранная система единиц, то, разумеется, все показатели степеней в предлагаемой формуле для искомой величины не могут быть определены. В этом случае полезно прежде всего определить все независимые безразмерные комбинации из выбранных параметров. Тогда искомая физическая величина будет определяться не формулой типа (2), а произведением какой-либо (самой простой) комбинации параметров, имеющей нужную размерность (т. е. размерность искомой величины), на некоторую функцию найденных безразмерных параметров.

Легко видеть, что в разобранном выше примере падения тела с высоты из величин и безразмерную комбинацию составить нельзя. Поэтому там формула (2) исчерпывает все возможные случаи.

Безразмерный параметр. Рассмотрим теперь такую задачу: определим дальность горизонтального полета снаряда, выпущенного в горизонтальном направлении с начальной скоростью из орудия, находящегося на горе высоты

В отсутствие сопротивления воздуха число параметров, от которых может зависеть искомая дальность, равно четырем: и т. Поскольку число основных единиц равно трем, то полное решение задачи методом размерностей невозможно. Найдем прежде всего все независимые безразмерные параметры у, которые можно составить из и

Этому выражению соответствует следующее равенство размерностей:

Отсюда получаем систему уравнений

которая дает и для искомого безразмерного параметра получаем

Видно, что единственный независимый безразмерный параметр в рассматриваемой задаче — это Теперь достаточно найти какой-либо параметр, имеющий размерность длины, например взять сам параметр для того чтобы написать общее выражение для дальности полета снаряда по горизонтали в виде

где — пока неизвестная функция безразмерного параметра Метод размерностей (в изложенном варианте) не позволяет определить эту функцию. Но если нам откуда-нибудь, например из опыта, известно, что искомая дальность пропорциональна горизонтальной скорости снаряда, то вид функции немедленно определяется: скорость должна входить в нее в первой степени, т. е.

Теперь из (5) для дальности полета снаряда получаем

что при совпадает с правильным ответом

Подчеркнем, что при таком способе определения вида функции нам достаточно знать характер экспериментально установленной зависимости дальности полета не от всех параметров, а только от какого-нибудь одного из них.

Векторные единицы длины. Но можно определить дальность (7) только из соображений размерности, если увеличить до четырех число основных единиц, через которые выражаются параметры и т. До сих пор при записи формул размерностей не делалось различий между единицами длины в горизонтальном и вертикальном направлении. Однако такое различие можно ввести, основываясь на том, что сила тяжести действует только по вертикали.

Обозначим размерность длины в горизонтальном направлении через а по вертикали — через Тогда размерность дальности полета по горизонтали будет размерность высоты будет размерность горизонтальной скорости будет а для ускорения

свободного падения получим Теперь, глядя на формулу (5), мы видим, что единственный способ получить правильную размерность в правой части заключается в том, чтобы считать пропорциональной Мы снова приходим к формуле (7).

Разумеется, имея четыре основные единицы и М, можно и непосредственно сконструировать величину нужной размерности из четырех параметров и

Равенство размерностей левой и правой частей имеет вид

Система уравнений для х, у, z и и дает значения и мы опять приходим к формуле (7).

Используемые здесь разные единицы длины по взаимно перпендикулярным направлениям иногда называют векторными единицами длины. Их применение существенно расширяет возможности метода анализа размерностей.

При использовании метода анализа размерностей полезно развить навыки до такой степени, чтобы не составлять систему уравнений для показателей степеней в искомой формуле, а подбирать их непосредственно. Проиллюстрируем это на следующей задаче.

Задача

Максимальная дальность. Под каким углом к горизонту следует бросить камень, чтобы дальность полета по горизонтали была максимальной?

Решение. Допустим, что мы «забыли» все формулы кинематики, и попытаемся получить ответ из соображений размерности. На первый взгляд может показаться, что метод размерностей здесь вообще неприменим, так как в ответ должна войти какая-то тригонометрическая функция угла бросания. Поэтому вместо самого угла а попробуем искать выражение для дальности Ясно, что без векторных единиц длины здесь не обойтись.

Выпишем параметры, от которых может зависеть дальность Очевидно, это горизонтальная составляющая начальной скорости размерность которой вертикальная составляющая с размерностью ускорение свободного падения , возможно, масса с размерностью М. Размерность искомой дальности — это поэтому сразу ясно, что масса в ответ входить не может, так как М отсутствует в размерности всех остальных параметров и ей не с чем сократиться. Далее сразу очевидно, что скорость должна входить в ответ в первой степени, так как отсутствует в размерностях всех параметров, кроме Но теперь в размерности правой части появилось время, которое можно сократить только введением в формулу или или или их комбинации. Ясно, что это должна быть непременно комбинация так как необходимо, чтобы сократилась размерность Размерность комбинации — это

Т. Поэтому, учитывая, что в кг время входит в минус первой степени, приходим к формуле

Поскольку , получаем следующую зависимость дальности от угла а:

Видно, что максимальная дальность при заданном значении получается при т. е. при

Метод размерностей особенно полезен тогда, когда требуется получить не исчерпывающее решение, а только установить характер зависимости неизвестной величины от какого-либо из параметров, например выяснить, во сколько раз она изменится, если этот параметр изменить, скажем, вдвое.

Анализ размерностей является очень эффективным методом исследования физических явлений и широко применяется. Великий физик Энрико Ферми утверждал, что действительно понимающие природу того или иного явления должны уметь получать основные соотношения из соображений размерности.

• Что такое формула размерности?

• В чем заключается удобство использования безразмерных комбинаций параметров, характеризующих рассматриваемое явление?

• Почему может оказаться полезным увеличение числа основных единиц, например введение векторных единиц длины?

• Составьте и решите систему уравнений, соответствующую равенству размерностей (8), или подберите искомые показатели степеней непосредственно.