גודל חסר ממד

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
(הופנה מהדף גודל חסר מימד)
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש

באנליזת סדרי גודל, גודל חסר ממד הוא גודל ללא יחידות פיזיקליות - מספר טהור. מספרים חסרי ממד נמצאים בשימוש רחב במתמטיקה, פיזיקה, הנדסה, כלכלה וכו' ואף בחיי היום יום - מספרים ידועים רבים כמו e, פאי, ויחס הזהב הם חסרי ממד בניגוד לגדלים ממדיים רגילים הנמדדים באורך, זמן, מסה וכדומה. מספרים חסרי ממד לרוב מוגדרים כמנה או יחס של מספרים ממדיים שממדיהם מבטלים אחד את השנים בעת החלוקה. זהו המקרה לדוגמה במעוות הנדסי, שמוגדר כשינוי באורך חלקי אורך כולל התחלתי, היות שלשני הגדלים יחידות של אורך התוצאה היא מספר חסר ממד.

לגדלים שאנחנו יודעים למדוד בעולם סביבנו תמיד יש ממדים ויחידות. לדוגמה, אנחנו יכולים למדוד בסרגל את אורכו של קיר. התשובה (לדוגמה 4 מטרים) תהיה ביחידות מסוימות, על פי היחידות אליו מחולק הסרגל שלנו (במקרה זה, מטר). אנו יכולים לשנות את היחידות של התשובה בעזרת קשרים שונים בין יחידות (נניח 1 מטר = 100 סנטימטר, או 1 מטר = 3.281 רגל) אבל איננו יכולים לשנות את הממד של התשובה (היא תמיד תהיה אורך).

על אף שלמספרים חסרי ממד אין ממד פיזי, עדיין יכולות להיות להם יחידות חסרות ממד, ולעיתים שימושי להשתמש באותן יחידות במונה ובמכנה (ק"ג/ק"ג או מול/מול). המספר יכול להינתן גם כיחס בין שתי יחידות שונות בעלות אותו ממד (לדוגמה שנת אור חלקי מטר - שניהם בעלי יחידות של אורך). זהו גם המקרה בחישוב שיפוע בגרפים או בעת המרת יחידות. סימונים שכאלה לא מעידים על קיום ממד פיזי וקיימים אך ורק לצורך נוחות. דוגמאות מוכרות לסימונים אלו הם % (= 0.01), ‰ (= 0.001), חלקים למיליון (= 10−6) חלקים למיליארד (= 10−9) חלקים לטריליון (= 10−12) ויחידות זווית (מעלות, רדיאנים וגראדים לדוגמה).

היחס של שני מספרים בעלי ממדים זהים יוצר מספר חסר ממד, לדוגמה: אם גוף א' מפעיל כח בסדר גודל של F על גוף ב' וגוף ב' מפעיל כח בסדר גודל של f על גוף א' אזי היחס F/f תמיד יהיה שווה ל-1, ללא כל תלות ביחידות בהן נמדדו הגדלים F או f. זוהי אבן היסוד של מספרים חסרי ממד הנובעת מההנחה כי חוקי הפיזיקה אינם כבולים למערכת היחידות בה נעשה שימוש על מנת להגיע ליחס הנ"ל. במקרה הזה אם היחס F/f אינו תמיד שווה ל-1, אלא משתנה על פי מערכת היחידות בה בחרנו להביע אותו אזי החוק השלישי של ניוטון מתקיים או לא מתקיים על פי בחירת מערכת היחידות, דבר שעומד בסתירה לאקסיומות עליהן מבוססת הפיזיקה המודרנית. הנחה זו, שחוקי הפיזיקה אינם תלויים במערכת יחידות ספציפית היא הבסיס מאחורי משפט פאי של בקינגהאם.

משפט פאי של בקינגהאם

לפי משפט פאי של בקינגהאם (באנגלית: Buckingham π-Theorem), כל חוק פיזיקלי ניתן לביטוי על ידי זהות המורכבת אך ורק ממספרים חסרי ממד, במכפלות או מנות של המשתנים הקשורים לחוק.

לדוגמה לחץ ונפח קשורים אחד לשני בעזרת חוק בויל שם הם ביחס הפוך. אם היחס בין המספרים משתנה כתלות במערכת היחידות, המשוואה איננה זהות ומשפט פאי אינו מתקיים. עוד תוצאה של המשפט היא שאת התלות בין n משתנים בעלי k ממדים בלתי תלויים ניתן לבטא בעזרת p=n-k מספרים חסרי ממד.

לדוגמה: צריכת הכוח של בוחש חשמלי בעל צורה נתונה היא פונקציה של הדחיסות והצמיגות של הנוזל שאותו צריך לערבב, הגודל של הבוחש המבוטא (למשל) בעזרת הקוטר שלו והמהירות בה נרצה לערבב. כלומר n=5 כאשר המשתנים הם כוח, דחיסות, צמיגות, גודל הבוחש והמהירות. k=3 הממדים בהם ניתן לבטא את כל המשתנים הללו הם: אורך (L) [במטרים], זמן (T) [בשניות] ומסה (M) [בקילוגרמים]. על פי המשפט: n=5 המשתנים בעלי k=3 הממדים הבלתי תלויים יכולים ליצור p = (n-k) = 5-3 = 2 מספרים חסרי ממד בלתי תלויים. מספרים אלו הם במקרה זה: מספר ריינולדס (גודל חסר ממד המתאר את משטר הזרימה בזורמים) ומספר ניוטון או מספר כוח (המתאר את הבוחש כתלות בדחיסות הנוזל).

קבועים פיזיקליים חסרי ממד

קבועים פיזיקליים יסודיים כמו מהירות האור בריק, קבוע הכבידה האוניברסלי, קבוע פלאנק וקבוע בולצמן יכולים להיות מנורמלים ל-1 אם נבחר יחידות מתאימות של זמן, אורך, מסה, מטען וטמפרטורה. אולם לא כל הקבועים הפיזיקליים יכולים להיות מנורמלים בצורה זו, הערכים של הקבועים הבאים לדוגמה הם ללא יחידות כלל והתקבלו בצורה ניסויית:

רשימה של מספרים חסרי ממד

כל המספרים הטהורים הם מספרים חסרי ממד, מספרים מסוימים בעלי משמעות מיוחדת מובאים כאן:

שם סימון מקובל הגדרה תחום רלוונטי
מספר אבה V V=nd1nFnC אופטיקה: פיזור או נפיצה של קרניים בחומרים שונים
מקדם פעילות γ γ=ax כימיה: היחס של מולקולות או אטומים פעילים
אלבדו α α=(1D)α¯(θi)+Dα¯¯ קלימטולוגיה, אסטרונומיה: מידת ההחזריות של גוף - היחס בין כמות הקרינה המוחזרת מגוף לבין כמות הקרינה שפגעה בו
מספר ארכימדס Ar Ar=gL3ρ(ρρ)μ2 מכניקת הזורמים: תנועה של זורם כתוצאה מהפרשים בצפיפות החומר
משוואת אריניוס α α=EaRT כימיה: היחס בין אנרגיית שפעול לאנרגיה תרמית
משקל אטומי M כימיה: מסת האטום חלקי יחידת מסה אטומית, כאשר פחמן-12 הוא בדיוק 12 יחידות מסה אטומית
מספר אטווד A A=ρ1ρ2ρ1+ρ2 מכניקת הזורמים: היווצרות אי יציבויות בתערובת זורמים כתוצאה מהבדלים בצפיפות
מספר בגנולד Ba Ba=ρd2λ1/2γμ מכניקת הזורמים, גאולוגיה: יחס בין מאמץ התנגשות גרעינים אל מול מאמץ ויסקוזי בזרימה של חומר מגורען כמו חול או דגנים
מספר בז'ן
(מכניקת הזורמים)
Be Be=ΔPL2μα מכניקת הזורמים: נפילת לחץ (חסרת ממד) לאורך ערוץ
מספר בז'ן
(תרמודינמיקה)
Be Be=S˙'gen,ΔTS˙'gen,ΔT+S˙'gen,Δp תרמודינמיקה: היחס בין מעבר חום בצורה בלתי הפיכה לסך כל חוסר ההפיכות במערכת כתוצאה ממעבר חום וחיכוך זורמים
מספר בינגהם Bm Bm=τyLμV מכניקת הזורמים, ראולוגיה: היחס בין מאמץ כניעה לבין מאמץ ויסקוזי
מספר ביו Bi Bi=hLCkb מעבר חום: הסעה משטחית אל מול הולכה נפחית בגוף מוצק
מספר בלייק Bl or B B=uρμ(1ϵ)D גאולוגיה, מכניקת הזורמים, חומרים נקבוביים: כוחות אינרציה ביחס לכוחות צמיגות במעבר בתווך נקבובי
מספר בונדשטיין Bo or Bd Bo=vL/𝒟=ReSc כימיה: פילוג זמן ההתנגדות, דומה למספר פקלה במעבר מסה צירי
מספר בונד Bo Bo=ρaL2γ גאולוגיה, מכניקת הזורמים, חומרים נקבוביים: כוחות ציפה אל מול כוחות קפילריים, דומה למספר אוטווס
מספר ברינקמן Br Br=μU2κ(TwT0) מעבר חום, מכניקת הזורמים: הולכה מקיר אל זורם צמיג
מספר ברוונול-כץ NBK NBK=uμkrwσ מכניקת הזורמים: שילוב של מספר קפילרי ומספר בונד
מספר קפילרי Ca Ca=μVγ חומרים נקבוביים, מכניקת הזורמים: כוחות צמיגות אל מול מתח פנים
מספר צ'נדרסקר Q Q=B02d2μ0ρνλ אסטרופיזיקה, מגנטו-הידרודינמיקה: היחס בין כח לורנץ לצמיגות בהסעה מגנטית
מקדם חיכוך קינטי μk מכניקה: חיכוך בתנועה של גופים קשיחים
מקדם חיכוך סטטי μs מכניקה: חיכוך בין גופים קשיחים במנוחה
מקדם התמד R2 סטטיסטיקה: יחס השונות של מודל סטטיסטי מסוים
מקדם שונות σμ σμ סטטיסטיקה: יחס סטיית תקן לציפייה
קורלציה (מִתאם) ρ or r 𝔼[(XμX)(YμY)]σXσY או k=1n(xkx¯)(yky¯)k=1n(xkx¯)2k=1n(yky¯)2 כאשר x¯=k=1nxk/n בצורה דומה עבור y¯ סטטיסטיקה: מדידה של תלות ליניארית
מספר קורנט-פרדריך-לוי C or 𝜈 C=uΔtΔx מתמטיקה: פתרונות נומריים של משוואות דיפרנציאליות חלקיות היפרבוליות
מספר דמקולר Da Da=kτ כימיה: זמן תגובה אל מול זמן התנגדות
יחס ריסון ζ ζ=c2km מכניקה: מידת הריסון במערכת
מקדם החיכוך של דרסי Cf or fD מכניקת הזורמים: אחוז הלחץ האובד כתוצאה מחיכוך בדפנות הצינור, פי 4 ממקדם החיכוך של פנינג
מספר דרסי Da Da=Kd2 חומרים נקבוביים: היחס בין הספיקה לבין שטח החתך
מספר דין D D=ρVdμ(d2R)1/2 זרימה טורבולנטית: היווצרות מערבולות בחתכים בעלי עקמומיות
מספר דבורה De De=tctp ראולוגיה: זורמים ויסקואלסטיים
דציבל dB אקוסטיקה, אלקטרוניקה, תורת הבקרה: יחס בין שתי עוצמות או שני הספקים של גל
מקדם גרר cd cd=2Fdρv2A, אווירודינמיקה, הידרודינמיקה: התנגדות לתנועת זורם
מספר דוקין Du Du=κσKma היחס בין ההולכה החשמלית של פני השטח לבין ההולכה הנפחית של הגוף
מספר אקהרט Ec Ec=V2cpΔT מעבר חום בהסעה: מאפיין דסיפציה של אנרגיה או היחס בין אנרגיה קינטית ואנטלפיה
מספר אקמן Ek Ek=ν2D2Ωsinφ גאופיזיקה: כוחות צמיגות ביחס לכוחות קוריוליס
גמישות
(כלכלה)
E Ex,y=ln(x)ln(y)=xyyx כלכלה: התגובה של היצע או ביקוש לשינוי מחירים
אנטרופיה
(פיזיקה)
σ פיזיקה, תורת האינפורמציה
מספר אוטווס Eo Eo=ΔρgL2σ מכניקת הזורמים: צורה של בועות או טיפות
מספר אריקסון Er Er=μvLK הידרודינמיקה: התנהגות זרימה של גביש נוזלי, כוחות צמיגות אל מול כוחות אלסטיות
מספר אוילר Eu Eu=ΔpρV2 הידרודינמיקה: כוחות לחץ מול כוחות אינרציה בזורם
מספר אוילר e e=k=0n1k!2.71828 מתמטיקה: בסיס הלוגריתם הטבעי
מקדם טמפרטורה עודפת Θr Θr=cp(TTe)Ue2/2 מעבר חום, הידרודינמיקה
מקדם החיכוך של פנינג f מכניקת הזורמים: אחוז הלחץ האובד כתוצאה מחיכוך בדפנות הצינור
קבועי פייגנבאום α, δ α2.50290,
δ4.66920
תורת הכאוס
קבוע המבנה הדק α α=e22ε0hc פיזיקה: קבוע המבנה העדין (נקרא גם קבוע המבנה הדק) הוא קבוע הצימוד עבור אינטראקציות אלקטרומגנטיות
מספר f f f=D אופטיקה, צילום: היחס בין אורך המוקד לקוטר המיפתח
מספר פורייה Fo Fo=αtL2 מעבר חום: יחס פיזור לאגירת חום
מספר פרנזל F F=a2Lλ אופטיקה: עקיפה דרך חריץ
מספר פראוד Fr Fr=vg מכניקת הזורמים: יחס בין כוחות גרוויטציה לכוחות אינרציה
הגבר אלקטרוניקה: היחס בין האות הנקלט לאות הנפלט
מספר גלילאי Ga Ga=gL3ν2 מכניקת הזורמים: כוחות כבידה אל מול כוחות צמיגות
יחס הזהב φ φ=1+521.61803 מתמטיקה, אסתטיקה
מספר גורטלר G G=Ueθν(θR)1/2 הידרודינמיקה: שכבת גבול לאורך קיר
מספר גרץ Gz Gz=DHLRePr מכניקת הזורמים: זרימה למינרית דרך תעלה
מספר גרסהוף Gr GrL=gβ(TsT)L3ν2 מעבר חום: יחס בין כוחות ציפה לכוחות צמיגות
קבוע הצימוד הגרוויטציוני αG αG=Gme2c פיזיקה: משיכה בין שני גופים בעלי מסה, אנלוגי לקבוע המבנה העדין
מספר הטה Ha Ha=NA0NA0phys הנדסה כימית: שינויים בספיחה כתוצאה מריאקציות כימיות
מספר האגן Hg Hg=1ρdpdxL3ν2 מעבר חום: יחס בין ציפה לכוחות צמיגות בהסעה מאולצת
גרדיאנט הידראולי i i=dhdl=h2h1length מכניקת הזורמים, מי תהום: מתאר אובדן לחץ לאורך מרחק
מספר איריבארן Ir Ir=tanαH/L0 מתאר את זווית השבירה של גל ים בשיפוע
מספר ג'ייקוב Ja Ja=cp(TsTsat)ΔHf כימיה: היחס בין חום לאנתלפיה הנספגת בעת מעבר פאזה נוזל-גז
מספר קרלוביץ Ka Ka=ktc בעירה תחת זרימה טורבולנטית
מספר קולגן-קרפנטר KC KC=VTL הידרודינמיקה: היחס בין כח הגרר לכח האינרציה לחפצים כבדים בזרימה תונדת
מספר קנודסן Kn Kn=λL יחס מהלך חופשי ממוצע לאורך האופייני של הבעיה
מספר קוטטליידזה Ku Ku=Uhρg1/2(σg(ρlρg))1/4
מספר לפלס La La=σρLμ2 הידרודינמיקה
מספר לוויס Le Le=αD=ScPr יחס בין דיפוסיביות תרמית לדיפוסיביות מסית
מקדם עילוי CL CL=LqS אווירודינמיקה: כח עילוי המתקבל מפרופיל כנף בזווית התקפה נתונה
פרמטר לוקהרט-מרטינלי χ χ=mmgρgρ
מספרי לאב h, k, l גאופיזיקה: מוצקות של כדור הארץ ושאר פלנטות
מספר לונדקוויסט S S=μ0LVAη פיזיקה של פלזמה
מספר מאך M or Ma M=vvsound יחס בין מהירות הגוף בתווך למהירות הקול או ההפרעה באותו תווך
מספר ריינולדס מגנטי Rm Rm=ULη יחס בין אדווקציה מגנטית לפעפוע מגנטי
מקדם החספוס של מננינג n מקדם המתאר זרימה בתעלה כתוצאה מכח הכבידה
מספר מרנגוני Mg Mg=dσdTLΔTηα מכניקת הזורמים: כוחות מתח פנים תרמי לעומת כוחות צמיגות
מספר מורטון Mo Mo=gμc4Δρρc2σ3 הידרודינמיקה: משפיע על צורה של טיפה או בועת זורם
מספר נואסט Nu Nu=hdk מעבר חום: יחס בין מעבר חום בהסעה למעבר חום בהולכה
מספר אונסורג' Oh Oh=μρσL=WeRe משפיע על אטומיזציה של זורמים
מספר פקלה Pe Pe=duρcpk=RePr

מעבר חום: בעיות של אדווקציה-דיפוזיה, סה"כ מעבר התנע למעבר חום מולקולרי

פאי π π=Cd3.14159 מתמטיקה: היחס בין היקף מעגל לקוטרו
יחס פואסון ν ν=dεtransdεaxial אלסטיות: מקדם פואסון מתאר את המעוות הרוחבי כתוצאה מהמעוות האורכי
נקבוביות ϕ ϕ=VVVT גאולוגיה, חומרים נקבוביים
מקדם הספק P/S אלקטרוניקה
מספר כוח Np Np=Pρn3d5 אלקטרוניקה: נקרא גם מספר ניוטון, מתאר צריכת אנרגיה על ידי בוחשים או יחס כוחות ההתנגדות לכוחות האינרציה
מספר פרנדטל Pr Pr=να=cpμk

היחס בין הדיפוסיביות הקינטית לדיפוסיביות התרמית

מספר פרטר β β=ΔHrDTAeCASλeTs

הנדסת ריאקטורים כימיים

מקדם לחץ CP Cp=pp12ρV2 אווירודינמיקה, הידרודינמיקה: הלחץ המורגש בנק' כלשהי בפרופיל כנף
מקדם Q Q פיזיקה, הנדסה: מידת השיכוך של אוסילטור או מתנד, אנרגיה אגורה מול אנרגיה שאבדה
רדיאן rad arc length/radius מתמטיקה: מדידה של זווית מישורית 1 רדיאן=180 מעלות חלקי π
מספר ריילי Ra Rax=gβνα(TsT)x3 מעבר חום: כוחות ציפה מול כוחות צמיגות בהסעה טבעית
מקדם שבירה n n=cv אלקטרומגנטיות, אופטיקה: מהירות האור בריק חלקי מהירות האור בתווך מסוים
צפיפות יחסית RD RD=ρsubstanceρreference הידרומטרים: יחס הדחיסות של חומר מסוים יחסית לחומר בוחן אחר (לרוב מים)
מספר ריינולדס Re Re=vLρμ מכניקת הזורמים: יחס כוחות האינרציה למול כוחות הצמיגות
מספר ריצ'רדסון Ri Ri=ghu2=1Fr2 מכניקת הזורמים: עוסק בהשפעת הציפה על יציבות הזרימה
קשיות רוקוול סולם בו נמדדת רמת הקשיות של חומר מסוים
התנגדות לגלגול Crr Crr=FNf רכב: יחס הכח הדרוש לתנועה של גלגל על משטח ישר
מספר רושקו Ro Ro=fL2ν=StRe הידרודינמיקה, מערבולות
מספר רוסבי Ro Ro=ULf גאופיזיקה: יחס בין כוח האינרציה לכח קוריוליס
מספר רוז P or Z P=wsκu* משקעים: יחס בין מהירות נפילה לתנועה למעלה של חלקיקים
מספר שמידט Sc Sc=νD מעבר מסה
מקדם צורה H H=δ*θ שכבת גבול: יחס בין עובי ההזזה לעובי המומנטום
מספר שרווד Sh Sh=KLD הסעה מאולצת
מספר זומרפלד S S=(rc)2μNP סיכה הידרודינמית
מספר סטנטון St St=hcpρV=NuRePr מעבר חום, מכניקת הזורמים: עוסק בהסעה מאולצת
מספר סטפן Ste Ste=cpΔTL מעבר פאזות בחומר
מספר סטוקס Stk or Sk Stk=τUodc מתאר התנהגות חלקיקים בתוך זורם, מוגדר כזמן האופייני של החלקיק חלקי הזמן האופייני של הזורם
מעוות ϵ ϵ=FX1 הנדסת חומרים, אלסטיות: הזזה בין חלקיקים בגוף קשיח יחסית לאורך התחלתי
מספר סטרוהאל St or Sr St=ωLv מכניקת הזורמים: עוסק בזרימות תמידיות תונדות
מספר סטיוארט N N=B2LcσρU=Ha2Re מגנטו-הידרודינמיקה, יחס בין כוחות אלקטרומגנטיים לכוחות אינרציה
מספר טיילור Ta Ta=4Ω2R4ν2 מכניקת הזורמים: כוחות אינרציה כתוצאה מסיבוב של זורם מול כוחות צמיגות
פרמטר ואליס j* j*=R(ωρμ)12 זרימה מולטי פאזית
מספר ובר We We=ρv2lσ זרימה מולטי פאזית
מספר ויסנברג Wi Wi=γ˙λ זרימות ויסקואלסטיות, יחס הגזירה כפול זמן הרגיעה
מספר וורמסלי α α=R(ωρμ)12 ביומכניקה של זורמים, זרימות רציפות ופועמות

ראו גם