|||
开场白
如果我设问:1米长,还是800毫米长?1光年长还是1万年长?你会说,问得太“小儿科”了,把我们当小孩子了。就像前天有一位博友跟帖时说,他逗小孩玩时,先问他们1+1等于几,得到正确答案后,再问1个苹果+1块糖等于多少?似乎只有对小孩才可以用此类问题逗着玩。非也!无巧不成书,前天吃午饭时看到电视里播着:有一位著名影视演员,他的微博有百万跟帖,他回应道:“对朋友亿万兆光年心不变!”他就不知道“光年”是个长度单位,指的是光在真空中走一年的距离,“亿万兆光年”与他心目中的“很长时间”风马牛不相及。你又会说,艺人是文科类人士,岀这种科技类“洋相”不奇怪,理工科人士不会。然而,正如钱伟长先生所指岀的,学理工的人有时推导出来的方程各项的量纲不同,我在审稿时也遇到过这类问题,与“逗小孩玩”的问题相比,“上了一个档次”,但本质相同。
原因在于,他们搞不清物理量与数学量的区别,没有掌握量纲分析这一锐利的武器。因此,本文的基本观点是:对于理工科学人来说,量纲分析非学不可。
量纲分析ABC
这里介绍一下量纲分析的ABC。
我们知道,自然现象和工程问题都可用一系列物理量进行定量描述,我们学习研究现象或问题的目的就在于探索规律。首先,要把所涉及的物理量按其特性进行分类;其次,要寻找不同物理量之间的内在联系,尤其是找出一组物理量与另一组物理量之间所存在的因果联系。
当我们涉猎新现象或新问题时需要对其中蕴涵的物理因素、关系和过程进行初步的合于实际的分析,运用第一原理确定起控制作用的物理量,认清各种参数的作用大小,并且注意到,只有同类物理量才能用同样的单位进行比较(本文开头的简单例子就是在这方面岀了问题),基于此,才有可能确定各个物理量的因果关系。现代科技中遇到的问题越来越复杂,一开始甚至无法用现成的数学模型来表述,就有必要设计合适的实验室模型或数值模型来揭示问题的物理本质。于是,量纲分析就大行其道了。
量纲分析是做理工类学问的首要步骤和行之有效的方法,是了解所研究的问题的物理实质的重要途径,因此是做学问的“常规武器”。
通过量纲分析可以给出各个物理量之间的关系,并可得到相似准则,对于厘清一些内在规律常有非同凡响的效果。正如著名科学家钱学森先生在三十年前在《土岩爆破文集》的序言中所指岀的:“由于爆炸力学要处理的问题远比经典的固体力学或流体力学要复杂,似乎不宜一下子想从力学基本原理出发,构筑爆炸力学理论。近期还是靠小尺寸模型实验,但要用比较严格的无量纲分析,从实验结果总结岀经验规律,这也是过去半世纪行之有效的研究方法。”这段话不仅适用于爆炸力学问题,也适用于所有其它复杂的科技问题。
我们经常看到,大师级科学家有很好的直觉,对于一些复杂问题善于略加分析就预知可能有的结果,这恐怕得益于他们的量纲分析的功力,至少是其中的一个重要原因。
下面简单回顾一下量纲分析理论的发展史。
1822年,傅里叶(J.-B.-J. Fourier)首次提出量纲的科学概念,将其从几何学推广到物理学的范畴。并指出,单位改变之后,某量的量值发生变化,与此量有关的量的量值随之改变。1871年,麦克斯韦(J.C. Maxwell)指出,对力学问题来说,在长度-质量-时间的L-M-T系统中,任一物理量的量纲均可表示为L、M、T的幂次之积,即Maxwell幂次律。1883年,雷诺(O.Reynolds)做了有名的雷诺实验(圆管内流动的转捩),首次给出了一个无量纲数Re=ρvD/μ(1908年被被命名为雷诺数),流动从层流到湍流的转捩取决于雷诺数的大小。1914年,巴京汉(E. Buckingham)建立量纲分析与相似理论的π定理,他指出,每个物理定律都可以用几个无量纲量(称之为π)来表述,而且问题中的各无量纲数之间满足一定的函数关系。
量纲分析中基本概念少而简单。量纲是给出个物理量量值的基本工具,表征为单位。如:长度的量纲是米;基本量指的是具有独立量纲的量;有量纲量指的是量值与度量时的单位有关的量;无量纲量指的是量值与度量时的单位无关的量。
量值取决于量纲,无量纲化后才可以进行各物理量之间相对大小的比较。物理现象和规律与单位制无关,从而经过无量纲化之后,可以更好地揭示各物理量之间的基本关系。
量纲分析广泛应用于自然科学之中,尤其是在物理、工程、力学分支的数学分析、模型实验和计算机模拟实验中的应用更加广泛,其中Buckingham π定理更是有极其重要的作用。
我们可以举出很多应用实例。通过无量纲化,可以为简化物理和工程问题提供科学途径,经带有无量纲数的各项的比较,可科学地确定各种情况下的取舍;通过量纲分析得到的相似准则,可以在实验室缩尺实验中把握与原型的可比较性,从而正确地制订实验方案;利用Buckingham π定理可以确定一些基本的物理规律,例如给出圆管流动阻力系数、找到点爆炸波的传播规律、分析船舶阻力、确定各种水波的色散特征等等,不胜枚举。而在上述过程中,不必通过建立复杂的方程和进行繁复的计算,只要进行简单的函数分析就行了,学过高等数学的大二学生就足可胜任。
一个实例
这里讲一件发生在身边的事情。
2005年1月,本课题组的一位硕士生完成了一篇关于行人流的论文,他通过量纲分析,用Buckingham π定理导出了一个稠密行人流的离心力模型,也就是说,行人间的排斥力可用离心力来模化,并且用此模型进行计算机仿真,成功地再现了行人流中的一些自组织现象,如逆向行人流的成行现象、突发事件下人们疏散时在门口的成拱现象等。论文几经修改后投到“Physical Review E”。没多久,审稿人意见来了,其中一位审稿人显然不懂Buckingham π定理,他从《物理世界》中引述了Buckingham π定理的不完整的提法,其中只说到物理规律与单位制无关,并认为用该定理无法给出文中的模型。我们对此据理力争,找到了林家翘先生的名著《自然科学中确定性问题的应用数学》,在中文版的139页上找到了一个与建立行人流离心力模型有类似思路的内容,有理有据的argument说服了这位审稿人,但他还是认为最好不提Buckingham π定理,我们决定用“通过量纲分析”的字样取代“采用Buckingham π定理”。于是,审稿顺利通过,投稿七个月之后,此文顺利刊出。
出现这种情形并非偶然。我所的研究生教学在钱伟长老所长的倡导下,一直把量纲分析和数学建模作为必修课,二十几年前由蔡树棠教授主讲“物理和工程问题的数学简化”,后来由中青年教师继续,此课常开常新,始终把量纲分析和数学建模的教学放在很重要的地位。三年前,还特意把中科院力学所的量纲分析专家谈庆明研究员请到所里,为研究生和青年教师开设“量纲分析”课程,讲了54学时,大家收获良多。近年来我为博士生讲授高等流体力学,在第二章就专门讲量纲分析概要,通常用3个学时,博士生自学能力强,有需要时可深入学习。
环顾我国的理工科基础教学,我发现:除了个别理科专业为量纲分析设了专题,多数专业对量纲分析要么视而不见,要么轻描淡写。我想,这也是我国高水平科技成果少的一个小原因,亟待改进。
其实,量纲分析并不困难,只要学过高等数学和普通物理的本科生就能掌握其中的精华,若能通过实践不断应用,很快就能运用自如。
最后,推荐三本讲量纲分析的入门书:
1. 谈庆明,量纲分析,中国科学技术大学出版社,2000。
2. 谢多夫,Л.И.,力学中的相似方法与量纲理论,沈青等译,科学出版社,1982。
3. 钱伟长,应用数学,安徽科学技术出版社,1993,第五、六章。
写成于2011年4月27日晨
Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )
GMT+8, 2024-12-23 08:29
Powered by ScienceNet.cn
Copyright © 2007- 中国科学报社