Однородность (физика)

редактировать

В физике однородный материал или система имеет одинаковые свойства во всех точках; равномерно без неровностей. Однородное электрическое поле (которое имеет одинаковую силу и одинаковое направление в каждой точке) будет совместимо с однородностью (все точки обладают одинаковой физикой). Материал, состоящий из различных компонентов, может быть описан как эффективно однородный в области электромагнитных материалов при взаимодействии с направленным полем излучения (свет, микроволновые частоты и т. Д.).

Математически однородность имеет оттенок инвариантности, поскольку все компоненты уравнения имеют одинаковую степень ценности независимо от того, масштабируются ли каждый из этих компонентов до различных значений, например, путем умножения или сложения. Кумулятивное распределение соответствует этому описанию. «Состояние наличия идентичной кумулятивной функции или значений распределения».

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Контекст
    • 1.1 Однородный сплав
    • 1.2 Однородная космология
  • 2 Трансляция инвариантности
    • 2.1 Последствия
  • 3- мерная однородность
  • 4 См. Также
  • 5 ссылки

Контекст

Определение однородного сильно зависит от используемого контекста. Например, композитный материал состоит из различных отдельных материалов, известных как « составляющие » материала, но может быть определен как однородный материал при назначении функции. Например, наши дороги покрывает асфальт, но это композитный материал, состоящий из асфальтового вяжущего и минерального заполнителя, который затем укладывается слоями и уплотняется. Однако однородность материалов не обязательно означает изотропность. В предыдущем примере композитный материал может быть не изотропным.

С другой стороны, материал неоднороден, поскольку состоит из атомов и молекул. Однако на нормальном уровне нашего повседневного мира оконное стекло или металлический лист описывается как стекло или нержавеющая сталь. Другими словами, каждый из них описывается как однородный материал.

Несколько других примеров контекста: Однородность измерений (см. Ниже) - это качество уравнения, имеющего количества одинаковых единиц с обеих сторон; Однородность (в пространстве) подразумевает сохранение количества движения ; а однородность во времени предполагает сохранение энергии.

Однородный сплав

В контексте композиционных металлов - это сплав. Смесь металла с одним или несколькими металлическими или неметаллическими материалами представляет собой сплав. Компоненты сплава не соединяются химически, а, скорее, очень тонко смешиваются. Сплав может быть однородным или содержать мелкие частицы компонентов, которые можно увидеть в микроскоп. Латунь является примером сплава, представляющего собой однородную смесь меди и цинка. Другой пример - сталь, которая представляет собой сплав железа с углеродом и, возможно, другими металлами. Цель легирования - придать металлу желаемые свойства, в которых они, естественно, отсутствуют. Например, латунь тверже меди и имеет более золотой цвет. Сталь тверже железа, и ее даже можно сделать стойкой к ржавчине (нержавеющая сталь).

Однородная космология

В другом контексте однородность играет роль в космологии. С точки зрения космологии XIX века (и ранее) Вселенная была бесконечной, неизменной, однородной и, следовательно, заполненной звездами. Однако немецкий астроном Генрих Ольберс утверждал, что если бы это было правдой, то все ночное небо было бы заполнено светом и ярким, как день; это известно как парадокс Ольберса. Ольберс представил в 1826 году технический доклад, в котором попытался ответить на эту загадку. Ошибочная посылка, неизвестная во времена Ольберса, заключалась в том, что Вселенная не бесконечна, статична и однородна. Big Bang космология заменить эту модель (расширение, конечно, и неоднородное Вселенной ). Однако современные астрономы дают разумные объяснения, чтобы ответить на этот вопрос. Один из по крайней мере несколько объяснений является то, что далекие звезды и галактики имеют красный сдвинуты, что ослабляет их кажущуюся свет и делает темную ночь небо. Однако этого ослабления недостаточно для реального объяснения парадокса Ольберса. Многие космологи считают, что тот факт, что Вселенная конечна во времени, т.е. что Вселенная не существует вечно, является решением парадокса. Таким образом, тот факт, что ночное небо темное, указывает на Большой взрыв.

Инвариантность перевода

Основная статья: Трансляционная инвариантность

Под трансляционной инвариантностью подразумевается независимость (абсолютного) положения, особенно когда речь идет о законах физики или эволюции физической системы.

Основные законы физики не должны (явно) зависеть от положения в пространстве. Это сделало бы их совершенно бесполезными. В некотором смысле это также связано с требованием воспроизводимости экспериментов. Этот принцип верен для всех законов механики ( законы Ньютона и т. Д.), Электродинамики, квантовой механики и т. Д.

На практике этот принцип обычно нарушается, поскольку изучается лишь небольшая подсистема Вселенной, которая, конечно, «чувствует» влияние остальной Вселенной. Эта ситуация порождает «внешние поля» (электрическое, магнитное, гравитационное и т. Д.), Которые заставляют описание эволюции системы зависеть от ее положения ( потенциальные ямы и т. Д.). Это происходит только из-за того, что объекты, создающие эти внешние поля, не рассматриваются как («динамическая») часть системы.

Трансляционная инвариантность, описанная выше, эквивалентна инвариантности сдвига в системном анализе, хотя здесь она чаще всего используется в линейных системах, тогда как в физике различие обычно не проводится.

Понятие изотропии для свойств, не зависящих от направления, не является следствием однородности. Например, однородное электрическое поле (то есть, которое имеет одинаковую напряженность и одинаковое направление в каждой точке) будет совместимо с однородностью (в каждой точке физика будет одинаковой), но не с изотропией, поскольку поле выделяет одну «предпочтительное» направление.

Последствия

В лагранжевом формализме однородность в пространстве подразумевает сохранение импульса, а однородность во времени предполагает сохранение энергии. Это показано с помощью вариационного исчисления в стандартных учебниках, таких как классический справочник Ландау и Лифшица. Это частное применение теоремы Нётер.

Размерная однородность

Основная статья: Размерный анализ § Размерная однородность

Как сказано во введении, размерная однородность - это качество уравнения, имеющего одинаковые количества единиц с обеих сторон. Действительное уравнение в физике должно быть однородным, поскольку равенство не может применяться между величинами разной природы. Это может быть использовано для выявления ошибок в формулах или расчетах. Например, если кто-то вычисляет скорость, единицы всегда должны объединяться в [длина] / [время]; при вычислении энергии единицы всегда должны объединяться в [масса] • [длина] ² / [время] ² и т. д. Например, следующие формулы могут быть допустимыми выражениями для некоторой энергии:

E k знак равно 1 2 м v 2 ;     E знак равно м c 2 ;     E знак равно п v ;     E знак равно час c / λ {\ displaystyle E_ {k} = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2}; ~~ E = mc ^ {2}; ~~ E = pv; ~~ E = hc / \ lambda}

если m - масса, v и c - скорости, p - импульс, h - постоянная Планка, λ - длина. С другой стороны, если единицы правой части не объединяются в [масса] • [длина] 2 / [время] 2, это не может быть допустимым выражением для некоторой энергии.

Однородность не обязательно означает, что уравнение будет верным, поскольку оно не принимает во внимание числовые факторы. Например, E = m • v 2 может быть или не быть правильной формулой для энергии частицы массы m, движущейся со скоростью v, и нельзя знать, следует ли h • c / λ делить или умножать на 2π.

Тем не менее, это очень мощный инструмент для поиска характерных элементов данной проблемы, см. Анализ размерностей.

Физики-теоретики склонны выражать все в натуральных единицах, задаваемых константами природы, например, принимая c = ħ = k = 1; как только это будет сделано, вы частично потеряете возможность вышеуказанной проверки.

Смотрите также

использованная литература

Последняя правка сделана 2023-04-04 02:51:09
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте