Кіріспе
Физикалық өлшемсіз шамалар, сондай-ақ бірлік шамалар деп те аталады, өлшем бірліктеріне біріктірілуіне кедергі келтіретін принцип бойынша айқындалады. Әдетте, басқа жүйемен сәйкес келетін қатынастар түрінде берілетін бұл шамалар, нақты анықталған бірліктерді қажет етпейді. Мысалы, алкогольдің көлемдік үлесі (АБВ) көлемдік қатынасты көрсетеді. Оның есептелуі қолданылатын көлем бірліктеріне тәуелді болмайды; кез келген қолданылатын бірліктерді пайдалануға болады. АБВ ешқашан миллилитрге миллилитр ретінде көрсетілмейді, бұл оның өлшемсіз екенін көрсетеді. Бір саны өлшемсіз негізгі шама ретінде танылады. Радиандар бұрыштық өлшемдер үшін өлшемсіз бірліктер болып табылады, олар шеңбердің радиусы мен оның ұзындығы арасындағы 2π еселенген қатынастан туындайды. Өлшемсіз шамалар түрлі техникалық салалардағы дифференциалдық теңдеулерде параметрлер ретінде маңызды рөл атқарады. Есептеулердегі лимиттердегі немесе туындылардағы бірліксіз қатынастар сияқты түсініктер көбінесе өлшемсіз шамаларды қамтиды. Дифференциалдық геометрияда өлшемсіз параметрлерді пайдалану геометриялық қатынастар мен түрлендірулерде байқалады. Физика сұйықтар динамикасындағы Рейнольдс саны, кванттық механикадағы құрылым тұрақтысы және салыстырмалылық теориясындағы Лоренц факторы сияқты өлшемсіз сандарға сүйенеді. Химияда күйдің қасиеттері мен қатынастар, мысалы, моль үлесі және концентрация қатынастары өлшемсіз болып табылады.
Dimensionless quantities, also known as quantities of dimension one are implicitly defined in a manner that prevents their aggregation into units of measurement. Typically expressed as ratios that align with another system, these quantities do not necessitate explicitly defined units. For instance, alcohol by volume (ABV) represents a volumetric ratio. Its derivation remains independent of the specific units of volume used; any common unit may be applied. Notably, ABV is never expressed as milliliters per milliliter, underscoring its dimensionless nature. The number one is recognized as a dimensionless base quantity. Radians serve as dimensionless units for angular measurements, derived from the universal ratio of 2π times the radius of a circle being equal to its circumference. Dimensionless quantities play a crucial role serving as parameters in differential equations in various technical disciplines. In calculus, concepts like the unitless ratios in limits or derivatives often involve dimensionless quantities. In differential geometry, the use of dimensionless parameters is evident in geometric relationships and transformations. Physics relies on dimensionless numbers like the Reynolds number in fluid dynamics, the fine structure constant in quantum mechanics, and the Lorentz factor in relativity. In chemistry, state properties and ratios such as mole fractions concentration ratios are dimensionless.
Тарих
Бір өлшемді және өлшемсіз шамалар ғылымда жиі кездеседі және өлшемдік талдау саласында ресми түрде қарастырылады. 19 ғасырда француз математигі Джозеф Фурье және шотланд физигі Джеймс Клерк Максвелл өлшем және бірлік туралы қазіргі заманғы түсініктерді дамытуға үлкен үлес қосты. Британдық физиктер Осборн Рейнольдс және Лорд Рейлидің кейінгі жұмыстары физикадағы өлшемсіз сандарды түсінуге көмектесті. Рейлидің өлшемдік талдау әдісіне сүйене отырып, Эдгар Бэкингем осы шамалардың табиғатын ресмилендіру үшін теореманы дәлелдеді (бұл француз математигі Джозеф Бертранның бұрынғы жұмысынан тәуелсіз болды). 1900 жылдардың басында, әсіресе сұйықтар механикасы және жылу алмасу салаларында көптеген өлшемсіз сандар, көбінесе қатынастар жасалды. Қазіргі кезде қатынастардың логарифмдерін (туынды) децибел (dB) бірлігінде деңгей ретінде өлшеу кеңінен қолданылады. Физикалық өлшемдерге байланысты жаңсақтықты азайту үшін Халықаралық жүйеге (СИ) өзгерістер енгізу туралы ұсыныстар жасалып тұрады. Мысалы, 2017 жылы Nature журналында радианды физикалық бірлік ретінде ресмилендіру туралы пікір айтылды. Алайда, мұндай өзгеріс Strouhal саны сияқты белгілі өлшемсіз топтар үшін де, математикалық тұрғыдан ерекшеленетін, бірақ бірдей бірліктерге ие, мысалы, момент (векторлық көбейтінді) пен энергия (скалярлық көбейтінді) үшін де сәйкессіздіктер тудыратыны дәлелденді. 2000 жылдардың басында Халықаралық салмақтар мен өлшемдер комитеті 1 бірлігін "уно" деп атауды талқылады, бірақ 1 үшін жаңа СИ атауын енгізу туралы идеясы қабылданбады.
Бэкингемнің π теоремасы
Букингем теоремасы физика заңдарының дұрыстығы нақты бір өлшемдер жүйесіне тәуелді емес екенін көрсетеді. Бұл теореманың негізгі қағидасы – кез келген физикалық заңды сол заңмен байланысты айнымалылардың өлшемсіз комбинациялары (қатынастар немесе көбейтінділер) арқылы ғана өрнектеуге болады (мысалы, қысым мен көлем Бойль заңымен байланысты – олар кері пропорционал). Егер өлшемсіз комбинациялардың мәндері өлшемдер жүйесіне байланысты өзгерсе, онда бұл теңдеу сәйкестік болып табылмайды және Букингем теоремасы қолданылмайды. Теореманың тағы бір салдары – белгілі бір сан (мысалы, n) айнымалылар арасындағы функционалдық тәуелділікті сол айнымалылардағы тәуелсіз өлшемдердің санымен (мысалы, k) азайтуға болады, нәтижесінде p = n − k тәуелсіз, өлшемсіз шамалар жиынтығы алынады. Экспериментатор үшін, өлшемсіз шамалар бойынша бірдей сипатталатын әртүрлі жүйелер эквивалентті болып саналады.
Бүкіл сандар
Бүтін сандар өлшемсіз шамаларды көрсетуі мүмкін. Кешенді сандар дискретті шамаларды көрсетуге болады, олар да өлшемсіз болуы мүмкін. Нақтырақ айтқанда, санау сандары саналатын шамаларды білдіру үшін қолданылуы мүмкін. Бұл ұғым ISO 80000 1 стандартында нысандардың сандық саны (N символы) ретінде ресми түрде бекітілген. Мысалдарға бөлшектер саны және популяция мөлшері жатады. Математикада жиынның элементтерінің саны кардиналдылық деп аталады. Саналатын зат есімдер – байланысты тіл білімі ұғымы. Биттер саны сияқты санау сандарын жиілік бірліктерімен (секундтың кері шамасы) біріктіре отырып, секундқа биттер сияқты санау жылдамдығы бірліктерін алуға болады. Санау деректері – статистикадағы ұқсас ұғым. Бұл ұғымды бүтін емес сандарды пайдалану арқылы толық элементтің үлесін есепке алуға болады, мысалы, айналымдар саны жартысына тең болуы мүмкін.
Қалыптар, пропорциялар және бұрыштар
Өлшемсіз шамаларды өлшемсіз емес, бірақ математикалық операцияда өлшемдері өшірілетін шамалардың қатынастары ретінде алуға болады. Бір өлшемді бөліктерге еңіс есептеу немесе кейбір бірліктерді түрлендіру коэффициенттері жатады. Тағы бір мысалдар жиынтығы – массалық үлестер немесе мольдық үлестер, көбінесе ppm (= 10−6), ppb (= 10−9), ppt (= 10−12) сияқты «бөліктермен» көрсетіледі, немесе шатастыратын екі бірдей бірліктің қатынастары (кг/кг немесе моль/моль). Мысалы, алкогольді сусындағы этанолдың концентрациясын сипаттайтын алкогольдің көлемі 100 мл/100 мл деп жазылуы мүмкін. Басқа да кең таралған пропорциялар – проценттер % (= 0.01), ‰ (= 0.001). Бұрылыс, радиан және стерадиан сияқты кейбір бұрыш өлшемдері бірдей шамалардың қатынастары ретінде анықталады. Статистикада дисперсия коэффициенті – стандартты ауытқудың орташа мәнге қатынасы, ол деректердегі таралуды өлшеу үшін қолданылады. Сан мен бөлімінде бірдей өлшемдері бар 1=Q = A/B қатынасымен анықталатын шамалар, шын мәнінде, тек өлшемсіз шамалар болып табылады және физикалық өлшемдері де бар. Мысалы, ылғалдылық көлемдердің қатынасы ретінде (көлемдік ылғалдылық, м3⋅м−3, өлшем L⋅L) немесе массалардың қатынасы ретінде (салмақтық ылғалдылық, бірліктер кг⋅кг−1, өлшем M⋅M) анықталуы мүмкін; екеуі де өлшемсіз шамалар, бірақ әртүрлі өлшемдерге ие.