Гидродинамика. Методы. Факты. Подобие - Биркгоф Г.
Скачать (прямая ссылка):
(2)
122
Гл. IV. Моделирование и анализ размерностей
Показатели bjh называются «размерностями» величины Qj в данной системе основных единиц; если все они равны нулю, то величина Qj называется «безразмерной». Очевидно, что любое произведение степеней однородных по размерности величин остается однородным по размерности. Ясно также, что формула (1) является частным случаем формулы (2) при условии
I 1, если k = i, bik 8|* | если ^ ф i
Следовательно, с математической точки зрения предположение
I излишне.
Преобразованиям Та взаимно однозначно соответствуют векторы я = (аь ... , ап) с положительными компонентами («положительные» /г-векторы). Кроме того, если определить следующие действия:
*? = (aiPi. • • •» аА). «“• = («,-'.а-1). (3)
то, очевидно, выполняются равенства
T4Ts(Q,))= П(т.(0,))= U(Q,). Ра)
т.-(т.(У) = <*г <3б)
Говоря математическим языком, равенства (2) определяют представление мультипликативной группы') положительных п-векторов, определенной соотношением (3) как группа (2) линейных преобразований пространства векторов Q.
§ 61. Соотношения, не зависящие от единиц измерения
При выводе формулы v = CVgX в примере 1 мы использовали еще два других предположения. На абстрактном языке
выше приведенных предположений I и II их можно сформули-
ровать следующим, образом.
Предположение III. Существует функциональное соотношение вида
<p(Qo.....Qr) = о, (4)
где ф — однозначная функция. [(В примере 1 г = 2, а <р = v — — f (*., ?•)]
Предположение IV. Соотношение (4) не зависит от выбора основных единиц.
') Под группой понимается такое множество, замкнутое относительно ассоциативного умножения, что для каждого из его элементов существует обратный элемент относительно умножения. Подробности см. в [45], гл. VI.
§ 61. Соотношения, не зависящие от единиц измерения
123
Таким образом, в анализе размерностей рассматриваются функциональные соотношения <p(Qo, Qi..........Q,)=0 положи-
тельных переменных, которые под действием (коммутативной, зависящей от л-параметров) группы Та преобразуются по формулам (2). Говоря точнее, исследуются соотношения, которые не зависят от выбора единиц измерения и которые определяются следующим образом.
Определение. Функциональное соотношение
9(Qo. Qi • •Qr) =0 однородных по размерности переменных не зависит от выбора единиц тогда и только тогда, когда из соотношения ф(Q0, Qi, • •Qr) =0 следует
?(ra(Q0).....ra(Q,)) = 0 (5)
при любом преобразовании основных единиц Та.
Обратно, используя формулу (36), получаем, что из соотношения <р(7"*(<5о), .... T’a(Qr)) = 0 следует
<p(Q0.....Q#) = o (5')
для каждого преобразования Тя, но мы, не вникая в эти тонкости, будем принимать как формулу (5), так и формулу (5'). Другими словами, по определению, следующее соотношение
Ф (Qo. ........Qr) = 0 не зависит от единиц тогда и только
тогда, когда в гипероктанте, определяемом положительными *)
векторами Q = (Qo, Qi........Qr), геометрическое место точек,
соответствующее этому уравнению, инвариантно относительно преобразований группы (2).
Следует подчеркнуть, что уравнению ф = 0 соответствует некоторое геометрическое место точек и на вид функции ф не наложено никаких ограничений. Это иллюстрируется следующим простым примером.
Пример 2. Рассмотрим частицы, выведенные из состояния покоя и движущиеся с не зависящим от времени ускорением а. Обозначим расстояние через s, время через t и скорость через и.
Для такой системы всегда справедливы хорошо известные однородные по размерности (следовательно, не зависящие от единиц измерения) соотношения v = at и v2 = 2as. Однако геометрическое место точек, определяемое уравнением v = at в положительном октанте пространства (и, a, t) совпадает с геометрическим местом, определяемым, например, соотношением
________________ s ___________
V(v — а/)(а + г>) -\-Vt(v — at) =0. (6)
') Это все можно распространить на случай неположительных векторов, ¦о только ценой усложнения формулировок.
124
Гл. IV. Моделирование и анализ размерностей
Поэтому соотношение (6) не зависит от выбора единиц, хотя оно и не является однородным по размерности.
Несмотря на свою искусственность, этот пример поможет нам выявить различие между формальным доказательством Букингема (§ 64) П-теоремы и более общим геометрическим доказательством Ваши, которое будет изложено в § 63. Но прежде чем доказывать П-теорему в общем случае, мы рассмотрим сначала частный случай г = п, когда соотношения, не зависящие от выбора единиц,
Qo=/(Qi> •••. Qn)> (7)
содержат точно на единицу больше величин Qj(j = 0, ... , п), чем имеется основных единиц (t = 1, Мы будем пред-
полагать, что f — однозначная функция, а также, что величины Qi. Qn зависят от п основных единиц, т. е. матрица ||&jft|| из формулы (2), состоящая из (л XI) Хп элементов, имеет ранг п. Эквивалентным условием является требование, чтобы квадратный минор В, соответствующий j = 1.......п, был неосо-
бой матрицей 1).
Как уже было указано выше, пример 1 относится к этому случаю при п = г = 2.
Теорема 1. Всякое соотношение вида (7), не зависящее от выбора единиц и содержащее п основных единиц, равносильно соотношению
