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「大きい」「小さい」は同じ次元の量と比べて言う

2026年10月15日3分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第2章 単位と次元

AI 生成・木下が未勉強

次元解析入門 第2章 §2.4 ★★ 第4章以降で無次元量の大小から現象を分類するときの前提

「抵抗が大きい」「十分に低温」「長い円柱」という言い方は、それだけでは意味を持たない。抵抗係数 aa の数値は単位系を変えればいくらでも大きくも小さくもできるからである。物理量 AA の大小を言うときは、必ず同じ次元の別の量 BB と比べて「AA は BB に比べて十分大きい」と言うか、無次元量を作って1と比べる。

  • 長い円柱:半径に比べて長さが十分に大きい円柱(長さ÷半径 ≫1\gg 1)。
  • 十分低温:相転移温度に比べて十分に低い温度(温度÷転移温度 ≪1\ll 1)。
  • 減衰が強い:減衰率 γ\gamma がばねだけの角振動数 ω0\omega_0 に比べて大きい(γ/ω0≫1\gamma/\omega_0\gg1。第4.3節)。

この考え方を体系的にしたものが、次の章の Π\Pi 定理である。

例題 2.1 ★★★ 誘導量の次元を求める

オリジナル次の量の次元を M,L,T\mathsf{M},\mathsf{L},\mathsf{T}(と電流 I\mathsf I、温度 Θ\Theta)で表せ。

  • (1) 熱伝導率 κ\kappa。単位面積・単位時間あたりに流れる熱 JJ が温度勾配に比例する、という法則 J=−κ dT/dxJ=-\kappa\,\mathrm{d} T/\mathrm{d} x で定義される。
  • (2) 真空の誘電率 ε0\varepsilon_0。クーロンの法則 F=q1q2/(4πε0r2)F=q_1q_2/(4\pi\varepsilon_0 r^2) による。
  • (3) 粘性係数 μ\mu。ずれ応力 τ\tau と速度勾配の比 τ=μ du/dy\tau=\mu\,\mathrm{d} u/\mathrm{d} y による。
解答

(1) JJ はエネルギー÷(面積×時間)なので [ J ]=ML2T−2/(L2T)=MT−3\left[\,J\,\right]=\mathsf{M}\mathsf{L}^2\mathsf{T}^{-2}/(\mathsf{L}^2\mathsf{T})=\mathsf{M}\mathsf{T}^{-3}。温度勾配は ΘL−1\Theta\mathsf{L}^{-1}。よって [ κ ]=MT−3/(ΘL−1)=MLT−3Θ−1\left[\,\kappa\,\right]=\mathsf{M}\mathsf{T}^{-3}/(\Theta\mathsf{L}^{-1})=\mathsf{M}\mathsf{L}\mathsf{T}^{-3}\Theta^{-1}(SI では W m−1K−1\mathrm{W\,m^{-1}K^{-1}})。

(2) 電荷は電流×時間なので [ q ]=IT\left[\,q\,\right]=\mathsf{I}\mathsf{T}。ε0=q1q2/(4πFr2)\varepsilon_0 = q_1q_2/(4\pi F r^2) より[ ε0 ]=I2T2/(MLT−2⋅L2)=M−1L−3T4I2\left[\,\varepsilon_0\,\right]=\mathsf I^2\mathsf{T}^2/(\mathsf{M}\mathsf{L}\mathsf{T}^{-2}\cdot\mathsf{L}^2)=\mathsf{M}^{-1}\mathsf{L}^{-3}\mathsf{T}^{4}\mathsf I^{2}(SI では F m−1\mathrm{F\,m^{-1}})。

(3) τ\tau は応力で ML−1T−2\mathsf{M}\mathsf{L}^{-1}\mathsf{T}^{-2}、速度勾配 du/dy\mathrm{d} u/\mathrm{d} y は LT−1/L=T−1\mathsf{L}\mathsf{T}^{-1}/\mathsf{L}=\mathsf{T}^{-1}。よって [ μ ]=ML−1T−1\left[\,\mu\,\right]=\mathsf{M}\mathsf{L}^{-1}\mathsf{T}^{-1}(SI では Pa s\mathrm{Pa\,s})。この次元は流体の問題で毎回使う。

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