比例係数 A は無次元量の定数で次元解析から求めることはできない。この運動の運動方程式を直接解くと周期は T = 2 π m k {\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {m}{k}}}}
となり、A = 2π のもとで両者は見事に一致している(固有振動も参照)。このように簡単な問題ならば次元を考えるだけで見通しが立つ。式の次元が合うことは必須の要請であるので、式の間違いをチェックする場合にも使える。
バッキンガムのΠ定理にしたがって考えると、物理量が m, k, x および T の4つで、次元が M , T , L {\displaystyle {\mathsf {M}},{\mathsf {T}},{\mathsf {L}}} の3種類なので、次元行列は M = ( ⋅ m k x T M 1 1 0 0 T 0 − 2 0 1 L 0 0 1 0 ) {\displaystyle M={\begin{pmatrix}\cdot &m&k&x&T\\{\mathsf {M}}&1&1&0&0\\{\mathsf {T}}&0&-2&0&1\\{\mathsf {L}}&0&0&1&0\end{pmatrix}}}
となる(便宜的に列が m, k, x, T 、行が M , T , L {\displaystyle {\mathsf {M}},{\mathsf {T}},{\mathsf {L}}} に対応していることを明記しているが、本来の次元行列には含まれない)。null M = 1 から、1個の無次元量があることが分かる。関係式はすなわちこの無次元量が定数ということである。 T m / k = A ( = 2 π ) {\displaystyle {\frac {T}{\sqrt {m/k}}}=A(=2\pi )} ばねにつながれた物体が、速度に比例した大きさの抵抗(粘性抵抗力)を受けながら一次元運動することを考える。運動方程式は以下である[5]詳細は「減衰振動」を参照 m x ¨ = − c x ˙ − k x {\displaystyle m{\ddot {x}}=-c{\dot {x}}-kx} 式に現れる定数は、物体の質量 m、粘性抵抗の比例係数 c、ばね定数 k の3つで、それぞれの次元は [ m ] = M , [ c ] = M T − 1 , [ k ] = [ M T − 2 ] {\displaystyle [m]={\mathsf {M}},[c]={\mathsf {MT}}^{-1},[k]=[{\mathsf {MT}}^{-2}]} である。 この運動では、特徴的な時間尺度 (characteristic time scale) が2つ存在する。即ち、 の2つの時間が現象を特徴づけており、時間尺度の競合が起こる。つまり τ と 1/ω の大きさのバランスによって運動の様子が変わることが予想される。 Π定理からは、物理量が m, c, k の3つで次元が M , T {\displaystyle {\mathsf {M}},{\mathsf {T}}} の2種類である(調和振動のときと同じ理由によって初期変位は入れなくても良い)から、次元行列が M = ( ⋅ m c k M 1 1 1 T 0 − 1 − 2 ) {\displaystyle M={\begin{pmatrix}\cdot &m&c&k\\{\mathsf {M}}&1&1&1\\{\mathsf {T}}&0&-1&-2\end{pmatrix}}} となる。したがって1つの無次元量でこの現象を特徴づけられることがわかる。この無次元量には通常、減衰比と呼ばれる ζ = 1 / 2 τ ω = c / 2 m k {\displaystyle \zeta =1/2\tau \omega =c/2{\sqrt {mk}}} が用いられ、実際に運動方程式を解析的に解くと、ζ < 1 のとき減衰振動、ζ = 1 のとき臨界減衰、ζ > 1 のとき過減衰となり、運動が定性的にも変化する。 ポンプ、送風機や発電用水車などのターボ機械は内部流れが複雑であるため、その挙動を表すナビエ-ストークス方程式を直接解くことができない。しかしその運転状態は以下の条件を与えるとおおよそ決まることが分かっている: このとき、次の未知量を推測する: この場合は物理量は6つ、次元が3種類である。 次元が一致するように各変数のべきを調整すると、(変数が多いので一意ではないが)以下のように関係式を推測できる: P = A ρ N 2 D 2 ( Q N D 3 ) α {\displaystyle P=A\rho N^{2}D^{2}\left({\frac {Q}{ND^{3}}}\right)^{\alpha }} L = B ρ N 3 D 5 ( Q N D 3 ) β {\displaystyle L=B\rho N^{3}D^{5}\left({\frac {Q}{ND^{3}}}\right)^{\beta }} ここで、A, B, α, β は次元解析から求めることはできないが、条件で考慮していない流体の粘度や機械の各部寸法バランスなどに依存する無次元量である。 この場合の次元行列は M = ( ⋅ ρ D N Q P L M 1 0 0 0 1 1 T 0 0 − 1 − 1 − 2 − 3 L − 3 1 0 3 − 1 2 ) {\displaystyle M={\begin{pmatrix}\cdot &\rho &D&N&Q&P&L\\{\mathsf {M}}&1&0&0&0&1&1\\{\mathsf {T}}&0&0&-1&-1&-2&-3\\{\mathsf {L}}&-3&1&0&3&-1&2\end{pmatrix}}}
減衰振動
減衰時間: τ = m c {\displaystyle \tau ={\frac {m}{c}}}
固有周期: 1 ω = m k {\displaystyle {\frac {1}{\omega }}={\sqrt {\frac {m}{k}}}}
流体機械
作動流体の密度 ρ (次元は [ ρ ] = M L − 3 {\displaystyle [\rho ]={\mathsf {ML}}^{-3}} )
機械の大きさ D ( [ D ] = L {\displaystyle [D]={\mathsf {L}}} )
回転速度 N ( [ N ] = T − 1 {\displaystyle [N]={\mathsf {T^{-1}}}} )
流量 Q ( [ Q ] = L 3 T − 1 {\displaystyle [Q]={\mathsf {L}}^{3}{\mathsf {T}}^{-1}} )
圧力 P ( [ P ] = M L − 1 T − 2 {\displaystyle [P]={\mathsf {ML}}^{-1}{\mathsf {T}}^{-2}} )
出力 L ( [ L ] = M L 2 T − 3 {\displaystyle [L]={\mathsf {ML}}^{2}{\mathsf {T}}^{-3}} )