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派定理

派定理,也稱為π定理或白金漢定理,是由E. Buckingham在1915年提出的量綱分析基本原理。該定理的數學表述為:任何包含n個有量綱物理量的物理過程,都可以通過選擇m個作為基本物理量,將其餘n-m個物理量轉換為n-m個無量綱量,進而描述為這些無量綱量的函式關係。這些無量綱量通常用π表示,因此得名π定理。

π定理的套用步驟包括:

確定影響現象的物理量:這包括所有對研究現象起作用的獨立因素,如水的物理特性、流動邊界的幾何特性、流動的運動特性等。

選取基本量綱:可以選擇不同的基本量綱組合,如[L,T,M]或[L,T,F],這不會影響最終的分析結果。

用基本量綱表示所有物理量的量綱:通過單位尺度的變換,將原始的n個參量轉換為n-k個獨立無量綱參數,其中k是具有獨立量綱的物理量的數量。

π定理的意義在於:

簡化問題:通過減少變數的數量並使用無量綱參數,可以簡化物理問題的分析和實驗設計。

廣泛適用性:無量綱參數圖比有量綱參數坐標圖具有更廣泛的套用範圍。

實驗設計指導:π定理可以幫助確定如何組織、簡化、整理實驗結果,從而減少實驗工作量。

以簡單擺運動為例,這個物理問題包含5個變數:擺球的質量m、擺線的長度l、擺角θ、時間t和重力加速度g。如果有3個基本量:質量、長度和時間,則存在2個獨立的無量綱π數,這些無量綱數可以幫助描述擺的運動。