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第三节 量纲分析法量纲分析是20世纪初提出的, 在物理领域中建立数学模型的一种方法，它是在经验和实验的基础上, 利用物理定律的量纲齐次原则，确定各物理量之间的关系。
3.1 量纲齐次原则与Pi 定理许多物理量是有量纲的，有些物理量的量纲是基本的，另一些物理量的量纲则可以由基本量纲根据其定义或某些物理定律推导出来。
例如在动力学中，把长度l , 质量m 和时间t 的量纲作为基本量纲，记为[][][]T t M m L l ===,,; 而速度f v ，力的量纲可表示为[][]21,--==MLT f LT v .在国际单位制中，有7个基本量：长度、质量、时间、电流、温度、光强度和物质的量，它们的量纲分别为L 、M 、T 、I 、Θ、J 、和N ；称为基本量纲。
任一个物理量q 的量纲都可以表成基本量纲的幂次之积，[]ηξεδγβαJ N I T M L q Θ=量纲齐次性原则：用数学公式表示一个物理定律时，等式两端必须保持量纲一致。
量纲分析就是在保证量纲一致的原则下，分析和探求物理量之间关系；先看一个具体的例子，再给出量纲分析的一般方法。
例3—1： 单摆运动，质量为m 的小球系在长度为l 的线的一端，线的另一端固定，小球偏离平衡位置后，在重力mg 作用下做往复摆动，忽略阻力，求摆动周期t 的表达式。
解：在这个问题中有关的物理量有g l m t ,,,设它们之间有关系式3211αααλg l m t =---------------（3.1）其中32,,ααα为待定常数，入为无量纲的比例系数，取（3．1）式的量纲表达式有[][][][]321αααg l m t = 整理得：33212αααα-+=T LM T --------------（3.2）由量纲齐次原则应有⎪⎩⎪⎨⎧=-=+=12003321αααα ---------------（3.3）解得：,21,21,0321-===ααα 代入（3．1）得 glt λ= -------（3.4）（3.4）式与单摆的周期公式是一致的下面我们给出用于量纲分析建模的 Buckingham Pi 定理，定理：设n 个物理量n x x x ,,,21 之间存在一个函数关系()0,,,21=n x x x f --------------（3.5）[][]m x x 1为基本量纲，n m ≤。
§5 量 纲 分 析 法 建 模量纲分析(Dimensional Analysis)是20世纪初提出的在物理领域中建立数学模型的一种方法，它在经验和实验的基础上利用物理定律的量纲齐次原则，确定各物理量之间的关系．本节在一个例子的引导下先介绍量纲齐次原则和著名的BuckinghamPi 定理，然后用这个定理讨论一个力学问题的建模方法，并介绍量纲分析在物理模拟中的应用．最后给出一种简化模型的方法——无量纲化．一、量纲齐次原则许多物理量是有量纲的，有些物理量的量纲是基本的，另一些物理量的量纲则可 以由基本量纲根据其定义或某些物理定律推导出来．例如在研究动力学问题时常把长度l 、质量m 和时间t 的量纲作为基本量纲，记以相应的大写字母L ，M 和T ．于 是速度v 、加速度a 的量纲可以按照其定义分别用1-LT 和2-LT表示，力f 的量纲则应根据牛顿第二定律用质量和加速度量纲的乘积2-LMT 表示．有些物理常数也有量纲，如万有引力定律221r m m k f =中的引力常数k ，由 221m m fr k =可知其量纲应从力f 、距离r 和质量m 的量纲求出，为2-LMT ·2L ·2-M =213--T M L ．通常，一个物理量q 的量纲记作[q]，于是上述各物理量的量纲为[l]=L ，[m]=M ，[t]=T ，[v]=LT -1，[a ]=LT -2，[f] =LMT -2，[k]= 213--T M L .对于无量纲量α，我们记[α]=1(因为可视为[α]=000T M L )．用数学公式表示一个物理定律时，等号两端必须保持量纲的一致，或称量纲齐次性(Dimensional Homogeneity)．量纲分析就是利用量纲齐次原则来寻求理量之间的关系[6,20]．在叙述主要定理之前先看一个例子．单摆运动 这是一个熟知的物理现象，质量为m 的小球系在长度为l 的线的一端，稍偏离平衡位置后小球在重力mg 作用下(g 为重力加速度)做往复摆动，忽略阻力．求摆动周期t 的表达式．在这个问题中出现的物理量有t ，m ，l ，g ，设它们之间有关系式其中1α，2α，3α是待定常数，λ是无量纲的比例系数．取(1)式的量纲表达式即[][][][]321αααg l m t =将[t]=T ，[m]=M ，[l]=L ，[g]=LT -2代入得按照量纲齐次原则应有(3)的解为1α=0，2α=1/2，3α=-1/2，代人(1)式得g l t λ= （4） (4)式与用力学规律得到的结果是一致的．为了导出量纲分析建模的一般方法，将这个例子中各个变量之间的关系写作进而假设(5)式形如 π=4321y y y y g l m t （6）其中1y ～4y 是待定常数，π是无量纲常数．将t ，m ，l ，g 的量纲用基本量纲L ，M ，T表示为100][T M L t =,010][T M L m =,001][T M L l =,201][-=T M L l ，则(6)的量纲表达式可写作(注意到000][T M L =π)即 000241243T M L T M L y y y y y =-+ （7）此方程组有一个基本解T T y y y y y )1,1,0,2(),,,(4321-== （9）代回(6)式得 π=-g l t 12 （10）而(5)式等价于0)(=πF （11）(10)，(11)两式就是用量纲齐次原则从(5)式得到的结果．前面给出的(4)式只是它的特殊表达形式.把从(5)式到(11)式的推导过程一般化，就是著名的Pi 定理．定理 设有m 个物理量m q q q ,,,21 ，是与量纲单位的选取无关的物理定律*,n X X X ,,,21 是基本量纲，n ≤m ． m q q q ,,,21 的量纲可表为m j X q n i ai i ij ,...,2,1,][1==∏= (13)矩阵m n ij a A ⨯=}{称量纲矩阵．若A 的秩r RankA = (14)设线性齐次方程组(y 是m 维向量) 0=Ay (15)的m-r 个基本解为r m s y y y y T sm s s s -==,,2,1,),,,(21 (16)则∏==m j y j i sj q1π为m-r 个相互独立的无量纲量．且与(12)式等价．F 表示一个未定的函数关系．[航船的阻力] 长l 、吃水深度h 的船以速度v 航行，若不考虑风的影响，那么航船受的阻力f除依（8）赖于船的诸变量l ，h ，v 以外，还与水的参数——密度ρ、粘性系数μ，以及重力加速度g 有关．下面用量纲分析方法确定阻力f 和这些物理量之间的关系．我们按照Pi 定理中(12)～(18)式的步骤进行．1．航船问题中涉及的物理量有：阻力f ，船长l ，吃水深度h ，速度v ，水的密度ρ，水的粘性系数μ，重力加速度g ，要寻求的关系式记作2．这是一个力学问题，基本量纲选为L ，M ，T ．上述各物理量的量纲表为其中μ的量纲由基本关系xv p ∂∂=μ得到．其中p 是压强(单位面积受的力)，所以2][-=LMT p 212---=⋅MT L L ;v 是流速，x 是尺度，所以111---=⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂T L LT x v ． 并且有n=3<m=7．3．由(20)立即可写出量纲矩阵并且计算 )(3r RankA == (22)4．解齐次方程0=Ay (23)方程(23)有m-r=7—3=4个基本解，可取为5．(24)式给出4个相互独立的无量纲量而(19)式与 等价，Φ是未定的函数，(25)、(26)两式表达了航船问题中各物理量间的全部关系． 6，为得到阻力f 的显示表达式，由(25)及(26)中4π的式子可写出其中ψ表示一个未定函数．在流体力学中无量纲量)(lg 2/12-=πv称Froude 数，)(3πμρ=lv 称Reynold 数(雷诺数)，分别记作μρlv v Fr ==Re ,lg (28) 则(27)式又表示为 Re),,1(22Fr hl f ρψυ= (29)这就是用量纲分析方法确定的航船阻力与各物理量之间的关系，这个结果用通常的机理分析是难以得到的．虽然这里函数ψ的形式无从知道，但是在下面将会看到这个表达式在物理模拟中的用途．评注 从上面的例子可以看出，量纲分析方法在建立物理问题的数学模型中能够得到一些重要的、有用的结果，但是也有较大的局限性．在应用和评价这个方法时以下几点值得注意．1．正确确定各物理量 面对一个实际问题将哪些物理量包括在量纲分析的基本关系式f(·)=0中，对所得结果的合理性是至关重要的．对于航船问题，如果在(19)式中忽略了水的密度ρ或粘性系数μ，则得到的结果就会不同．各物理量的确定主要靠经验和物理知识，无法绝对保证所得结果是正确或有用的．2．合理选取基本量纲 基本量纲选少了，无法表示各物理量，当然不行；选多了也会使问题复杂化．在一般情况下力学问题选取L ，M ，T 即可，热学问题加上温度量纲Θ，电学问题加上电量量纲Q ．3．恰当构造基本解 线性齐次方程组的基本解可以有许多不同的构造方法，虽然基本解组能够相互线性表出，但是为了特定的建模目的恰当地构造基本解，能够更直接地得到我们所期望的结果．4．结果的效用和局限性 量纲齐次原则和n 定理是具有普遍意义的又是相当初 等的方法，它不需要非常专门的物理知识及高等的数学方法，就可以得到用其他方法 难以得到的结果，如(29)式．一般地说，从未知定律f(m q q q ,,,21 )=0到用量纲分析方法得到的等价形式F(r m -πππ,,,21 )=0，不仅物理量个数减少了r 个，而且原始物理量m q q q ,,,21 ，组合成了一些有用的无量纲量r m -πππ,,,21 ，下面将进一步讨论它们的用途．另一方面，用这个方法得到的结果是有局限的，“不彻底”的．F(·)=0中仍然包含着一些未定函数和常数 (无量纲量)，诸如物理定律中经常 出现的三角函数sin(·)、指数函数exp(·)不可能用量纲分析法得到，因为这些函 数的自变量和函数值都是无量纲的．二、量纲分析的应用——物理模拟中的比例模型我们在1．1节曾介绍过物理模型，它是在实验室条件下按照缩小了的比例尺寸构造的，目的是根据相应的比例来研究原型的某些性质．量纲分析的结果可以指导这种比例关系的确定．以本节提到的单摆运动为例．已经得到模型中摆动周期t 与摆长l 的关系为若记原型中相应的各个物理量为t '，l '，g '，因为λ是无量纲量，在模型与原型中不变，又显然有g=g ，，所以由(30)式立即得到这样，如果模型摆的尺寸按照摆长比例l: l ' =1:4设计制造，那么测定了模型摆的周期t 以后，就可以知道原型摆的周期为t '=2t ．可以看出，这里主要用了无量纲量在模型和原型中保持不变的性质．下面利用航船问题的结果讨论怎样构造航船模型，以确定原型航船在海洋中受的阻力，并且当速度不大时可以忽略雷诺数Re 的影响．以g v h l f ,,,,,ρ和g v h l f '''''',,,,,ρ，分别记模型和原型中的各物理量，由(28)、(29)式(略去Re)得注意(32)，(33)两式中的函数ψ是一样的．当无量纲量成立时，由(32)、(33)式可得只要模型船和原型船的形状相似，就可以保证(34)的第1式成立．而注意到g=g '，(34)的第2式给出如果在模拟中用与海水有相同密度的水，即ρρ'=，则由(35)，(36)式可得于是确定了模型船和原型船的比例l l ':，并测得了模型船的阻力f 后，就能够确定原型航船的阻力f 了．三、无量纲化我们不拟对无量纲化方法作一般阐述，而是通过一个例子介绍这种方法如何用来对模型进行简化．抛射问题 在星球表面以初速v 竖直向上发射火箭*，记星球半径为r ，星球表面重力加速度为g ，忽略阻力，讨论发射高度x 随时间t 的变化规律．设J 轴竖直向上，在发射时刻f=0火箭高度x=O(星球表面)．火箭和星球的质量分别记作1m 和2m ，则由牛顿第二定律和万有引力定律可得以x=O 时x=-g 代入(38)式，并注意到初始条件，抛射问题满足如下方程(39)的解可以表示为即发射高度x 是以r ，v ，g 为参数的时间f 的函数．这里的目的不是研究这个函数的具体形式(虽然可以通过求解方程(39)直接得到)，而是讨论用无量纲化方法简化它的途径．(40)式包含3个独立参数r ，v ，g ，由(40)式得到的进一步的结果，如火箭到达最高点的时间0==x M t t 。
无量纲化法简单例子1.引言概述部分的内容应该对无量纲化法进行简单介绍，说明其基本概念和作用。
下面是一个示例：【1.1 概述】无量纲化法（Dimensionless Analysis）是一种在科学研究中常用的方法，用于简化问题和提取问题的本质特征。
在许多实际问题中，涉及到的物理量往往具有不同的量纲和单位，这给问题的分析和解决带来了困难。
为了解决这个问题，我们可以通过无量纲化法将问题转化为无量纲形式，从而消除了物理量的具体数值和单位，只保留了物理量之间的比例关系，从而简化了问题的复杂度。
无量纲化法的基本思想是将问题中涉及的各个物理量用一个适当的基本量纲进行标定，然后通过相应的变换将所有的物理量转化为无量纲形式。
这样做的好处在于，物理量的具体数值和单位不再重要，而重要的是它们之间的相对关系。
通过消除物理量的量纲和单位，我们可以更加深入地理解问题的本质，揭示其中的普遍规律。
无量纲化法在多个领域都有广泛的应用。
在物理学中，无量纲化法可以用于简化物理模型和方程的求解，使得原本复杂的问题变得更加易于处理。
在工程学中，无量纲化法可以用于优化设计，找到最佳的工艺参数和尺寸比例。
在生物学和经济学等社会科学领域，无量纲化法可以用于建立统一的评价指标，方便进行比较和分析。
本文将通过简单的例子来说明无量纲化法的具体应用。
希望读者能够通过本文的介绍，初步了解无量纲化法的基本概念和作用，从而对其更加深入地理解和应用。
在接下来的内容中，我们将首先介绍无量纲化法的概念，然后通过实例来展示无量纲化法的应用。
最后，我们将对无量纲化法进行总结，并提出一些对其思考和展望。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：文章结构：本文将主要包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分将对无量纲化法进行概述，介绍其作用和意义，并对文章的结构进行简要说明。
正文部分将重点介绍无量纲化法的概念和应用举例。
首先，将对无量纲化法的概念进行解释和阐述，包括其基本原理和使用方法。
如何用matlab解薛定谔方程？数值求解的无量纲化技术我前面讲了 matlab解二次微分方程的方法。
薛定谔方程当然是个二次微分方程. 所以，上一讲的matlab 的ode函数是可以解薛定谔方程的。
不过，在求解之前，我们还有个工作必须先做。
薛定谔方程中有个hbar，它的数值是如此之小，而且还要平方。
还有电子电荷e，光速c, 电子质量m 这样的数值也是如此。
这样的数值是不适合在计算程序中出现的。
凡是天文数值都不适合在计算程序中出现。
有个很优美的技术来消除它们，就是无量纲化。
这个技术是我们做计算的时候必须做的，所以，我在这里讲讲这个事情。
无量纲化，就是用一些特征的长度做长度单位，用一些特征的能量做能量单位。
假设我们研究的问题是原子，我们就可以用玻尔半径a = 0.529埃为长度单位，以氢原子基态能量的绝对值 13.6eV 为能量单位。
为了用它们做无量纲化，我们需要它们的公式形式：a = hbar^2 /me^2, |E0| = e^2/2a。
氢原子的径向波函数满足的薛定谔方程是[（-hbar^2/2m) （d^2/dr^2 + (2/r) d/dr) - e^2/r] R(r) = E R(r).把这方程两边除上述|E0|，得到 [a^2 （d^2/dr^2 + (2/r) d/dr) - 2a/r] R(r) = E R(r)。
这里的E 是以|E0| = 13.6eV 为单位的。
然后，把 a 除到导数下面的r上，方程就变成[（d^2/dr^2 + (2/r) d/dr) - 2/r] R(r) = E R(r)，这里的r 是以a 为单位的。
这个方程里面的每个量都仅仅是一些无量纲的数了，方程大大简化了。
我们最后需要求解的方程是这个无量纲化的薛定谔方程：[（d^2/dr^2 + (2/r) d/dr) - 2/r] R(r) = E R(r)。
这方程怎么解，上一讲已经讲过了。
好不好懂，请给个意见。
量纲分析方法倪致祥主讲为了能够应用数学来描述物理对象，我们需要对其定量化。
物理对象的定量化需要有单位和数值，单位是作为度量标准的某个物理量。
被测物理量的数值大小不仅取决于其本身，而且取决于所选用的单位。
例如为了描述一块地的范围，需要确定其面积的单位和数值的大小。
我们可以说这是块大小为1平方公里的地，也可以说这是块大小为1000000平方米的地。
离开了单位，仅根据数值我们无法判断一块地的大小。
单位的选取往往带有任意性，比如说度量长短可以选用米为单位，也可以选用厘米、分米、公里甚至光年为单位。
然而这些单位都是用来度量同一个物理量—长度的，它们之间可以相互换算，具有某种统一性。
我们把这种统一性称为量纲。
一般来说，测量同一个物理量可以有不同的单位，但是它的量纲是唯一的。
例如，测量长度可以用厘米、分米、公里甚至光年为单位，但是决不能用公斤或吨为单位。
不同量纲的物理量之间有本质的区别，相互不能换算。
说一根木头长度为2⨯10-16光年虽然很不合适，但是并没有原则性错误；如果说一根木头长度为100公斤，就要让人笑掉大牙。
通常用［量］来表示物理量的量纲，不同的物理量往往有不同的量纲：长度的量纲记为L，时间的量纲记为T，质量的量纲记为M，无单位的物理量的量纲记为1。
一个具体的物理对象往往要有许多不同的物理量来描述其不同的特性，我们可以把其中的一些看成是基本量，其他的是导出量。
基本量的量纲称为基本量纲，其他量的量纲可以由基本量纲导出。
例如，我们取基本的量纲为L、T 和M，那么面积的量纲为L2，速度的量纲为LT-1，加速度的量纲为LT-2。
由于物理量是有量纲的，因此用数学公式来描述任何一个客观规律时，等式两边的量纲必须一致，这个要求称为量纲一致原则。
根据量纲一致原则和牛顿第二运动定律，我们可以导出力的量纲为MLT-2。
在量纲一致的原则下，问题中物理量之间关系的分析称为量纲分析。
量纲分析是应用物理理论解决实际问题的一个有力工具，可以用来合理地组合变量从而简化问题的处理，导出新知识和获得新信息。
.数据的无量纲化处理及示例————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：数据的无量纲处理方法及示例在对实际问题建模过程中，特别是在建立指标评价体系时，常常会面临不同类型的数据处理及融合。
而各个指标之间由于计量单位和数量级的不尽相同，从而使得各指标间不具有可比性。
在数据分析之前，通常需要先将数据标准化，利用标准化后的数据进行分析。
数据标准化处理主要包括同趋化处理和无量纲化处理两个方面。
数据的同趋化处理主要解决不同性质的数据问题，对不同性质指标直接累加不能正确反应不同作用力的综合结果，须先考虑改变逆指标数据性质，使所有指标对评价体系的作用力同趋化。
数据无量纲化主要解决数据的不可比性，在此处主要介绍几种数据的无量纲化的处理方式。
（1）极值化方法可以选择如下的三种方式：（A ）'max min iiix x x R 即每一个变量除以该变量取值的全距，标准化后的每个变量的取值范围限于[-1,1]。
(B) 'minminmax mini iix x x R即每一个变量与变量最小值之差除以该变量取值的全距，标准化后各变量的取值范围限于[0,1]。
(C) 'maxiix x ，即每一个变量值除以该变量取值的最大值，标准化后使变量的最大取值为1。
采用极值化方法对变量数据无量纲化是通过变量取值的最大值和最小值将原始数据转换为界于某一特定范围的数据，从而消除量纲和数量级的影响。
由于极值化方法对变量无量纲化过程中仅仅对该变量的最大值和最小值这两个极端值有关，而与其他取值无关，这使得该方法在改变各变量权重时过分依赖两个极端取值。
（2）标准化方法 利用'iix xx 来计算，即每一个变量值与其平均值之差除以该变量的标准差，无量纲化后各变量的平均值为0，标准差为1，从而消除量纲和数量级的影响。
虽然该方法在无量纲化过程中利用了所有的数据信息，但是该方法在无量纲化后不仅使得转换后的各变量均值相同，且标准差也相同，即无量纲化的同时还消除了各变量在变异程度上的差异。
数据的无量纲处理方法及示例在对实际问题建模过程中，特别是在建立指标评价体系时,常常会面临不同类型的数据处理及融合.而各个指标之间由于计量单位和数量级的不尽相同,从而使得各指标间不具有可比性。
在数据分析之前，通常需要先将数据规范化，利用规范化后的数据进行分析。
数据规范化处理主要包括同趋化处理和无量纲化处理两个方面。
数据的同趋化处理主要解决不同性质的数据问题,对不同性质指标直接累加不能正确反应不同作用力的综合结果，须先考虑改变逆指标数据性质，使所有指标对评价体系的作用力同趋化。
数据无量纲化主要解决数据的不可比性，在此处主要介绍几种数据的无量纲化的处理方式。
（1）极值化方法可以选择如下的三种方式:（A ）'max min i ii x x x R即每一个变量除以该变量取值的全距，规范化后的每个变量的取值范围限于[-1,1］.（B ）'min minmax min i i i x x x R即每一个变量与变量最小值之差除以该变量取值的全距，规范化后各变量的取值范围限于［0,1]。
（C ） 'maxii x x ，即每一个变量值除以该变量取值的最大值，规范化后使变量的最大取值为1。
采用极值化方法对变量数据无量纲化是通过变量取值的最大值和最小值将原始数据转换为界于某一特定范围的数据，从而消除量纲和数量级的影响。
由于极值化方法对变量无量纲化过程中仅仅对该变量的最大值和最小值这两个极端值有关，而与其他取值无关，这使得该方法在改变各变量权重时过分依赖两个极端取值。
(2）规范化方法利用'i i x xx 来计算,即每一个变量值与其平均值之差除以该变量的规范差，无量纲化后各变量的平均值为0，规范差为1，从而消除量纲和数量级的影响。
虽然该方法在无量纲化过程中利用了所有的数据信息,但是该方法在无量纲化后不仅使得转换后的各变量均值相同，且规范差也相同，即无量纲化的同时还消除了各变量在变异程度上的差异.（3）均值化方法 计算公式为：'ii ix x x ，该方法在消除量纲和数量级影响的同时，保留了各变量取值差异程度上的信息。
