Bazele fizice ale analizei dimensionale. Aplicatii si sisteme de unitati.

DESPRE CARTE

Lucrarea de fata este o prezentare sistematica si riguroasa a principiilor si metodelor de baza ale analizei dimensionale. Prezentarea este completata cu elemente de teoria aproximarii functiilor si de teoria algebrica. Se arata metodologia aplicarii analizei dimensionale la studiul unor fenomene de caldura si electromagnetice.

Corelativ cu analiza dimensionala, se expun de asemenea un cerc larg de probleme de formare si de aplicare a unitatilor SI si anglo-saxone, precum si unitati de uz mai restrans, inclusiv unitati vechi romanesti din Moldova, Muntenia, Transilvania si Basarabia. O atentie consistenta a fost acordata genezei si evolutiei istorice a unitatilor.

Textul de baza al lucrarii este intregit cu un numar semnificativ de probleme, multe dintre ele constituind un bun mijloc de cunoastere a aplicatiilor practice ale principiilor si metodelor analizei dimensionale.

Lucrarea este destinata unui cerc larg de specialisti, dar poate fi utila si studentilor care fac studiile la inginerie, fizica si chimie.

PREFATA

Analiza dimensionala, initiata de fizicianul american Percy W. Bridgman (1882-1961), laureat al premiului Nobel, a cunoscut o mare dezvoltare cu incepere din anul 1922 si numeroase lucrari i-au fost consacrate. Ca orice capitol al fizicii, ea are la baza conceptia cu privire la caracterul indestructibil dintre materie si atributul esential al acesteia, miscarea. Desi analiza dimensionala simplifica esential studiul fenomenelor fizice, totusi problemele pe care le pune ea sunt pe departe de a fi rezolvate definitiv.

Autorul, dr. ing. Ion M. Cernica, conferentiar la catedra de Termotehnica si Management in energetica, Universitatea Tehnica a Moldovei, cunoscut pentru activitatea sa didactica si stiintifica in domeniile mecanicii fluidelor si transferului de caldura si masa, dar si pentru pasiunea cu care-si desfasoara aceste activitati, isi consacra monografia sa bazelor fizice ale analizei dimensionale, sub diferitele ei aspecte, insistand asupra unor probleme pe care le pune in prezent fizica tehnica. Cartea este deosebit de utila atat specialistilor in devenire, studenti, masteranzi, doctoranzi, cat si specialistilor consacrati, profesori, cercetatori.

Urmand deopotriva aspectele teoretice si aplicative, lucrarea cuprinde doua parti distincte, Partea I Analiza dimensionala si Partea a II-a In lumea unitatilor marimilor fizice, precedate de o ampla introducere.

Partea I este rational structurata in patru capitole. In capitolul 1, Marimi fizice si unitati, pornind de la definitia marimii fizice, intr-o ordine fireasca se prezinta, la general, clasificarea marimilor fizice, sistemele de marimi fizice, valori, valori numerice si unitati, ecuatia fundamentala a masurarii, teorema fundamentala a unitatilor, sisteme de unitati, operatii algebrice cu marimi fizice si cu valori numerice. Ca urmare logica, in incheiere, se expune problema cu privire la coerenta unitatilor. Capitolul 2, Elemente de teoria aproximarii si de teoria algebrica a analizei dimensionale, prezinta prima teorema de aproximare a lui Weierstrass, extinderea primei teoreme a aproximarii asupra unitatilor, consideratii asupra teoremei de aproximare a marimilor derivate, dimensiunea marimilor fizice si formula dimensionala, corolarele primei teoreme de aproximare a lui Weierstrass, dimensiunea marimilor derivate SI. Capitolul 3, Bazele fizice ale analizei dimensionale, trateaza unitar esenta si importanta analizei dimensionale, geneza si evolutia istorica a analizei dimensionale, principiile fizice ale analizei dimensionale, matricea dimensionala a marimilor fizice, teoremele fundamentale si metodele de baza ale analizei dimensionale. Capitolul 4, Studiul unor fenomene prin metodele fizicii generale si ale analizei dimensionale, studiaza transferul de caldura convectiv la curgerea fluidului perfect si incompresibil in jurul unui corp aflat in repaus - o problema mai veche a transferului de caldura si masa - si debitmetria electromagnetica cu camp magnetic constant - o ramura mai noua a debitmetriei. Bibliografia primei parti cuprinde un numar de 101 titluri.

Fiind baza teoretica a unitatilor marimilor fizice, in Partea a II-a a lucrarii se expun aspecte aplicative ale analizei dimensionale. Astfel, capitolul 5, Geneza si evolutia istorica a unitatilor. Sisteme de unitati, studiaza un cerc larg de probleme legate de originea unitatilor, de provenienta unitatilor la popoarele europene si de reglementarea unitatilor, de unitatile rationale, de Sistemul Metric de unitati, precum si de sistemele absolute si practice de unitati. Capitolul 6, Sistemul International de Unitati, prezinta consideratii generale, unitati SI fundamentale si derivate, prefixe SI, unitati care nu fac parte din SI, reguli de formare si de utilizare corecta a celor mai importante unitati, reguli de exprimare si de scriere corecta a denumirilor si simbolurilor unitatilor. In incheierea acestui capitol, autorul se expune asupra problemei redefinirii unitatilor fundamentale si perspectivei sistemului SI. Capitolul 7, Sistemul anglo-saxon de unitati, trece in revista caracteristicile si particularitatile acestuia, subliniind dezavantajele, dar si faptul ca este inca larg raspandit, precum si cele mai importante unitati ale sistemului anglo-saxon: unitati de lungime, de arie, de volum (capacitate), de masa, mecanice si termice. Capitolul 8, Conversiunea in unitati SI. Constante fizice fundamentale, trateaza problema conversiunii in unitati SI, constatand existenta, inca, a unui numar mare de unitati apartinand altor sisteme sau neapartinand niciunui sistem, si problema constantelor fizice fundamentale, care intervin in expresiile matematice care descriu unele legi generale ale fizicii. Capitolul 9, Geneza si evolutia istorica a unitatilor romanesti, studiaza originea unitatilor romanesti, vechile unitati romanesti, inclusiv cele din Basarabia, precum si asimilarea de catre poporul roman a Sistemului Metric de unitati. Partea a doua este completata de un numar de 32 de titluri bibliografice.

Anexele lucrarii prezinta tabelar, Marimi si unitati derivate SI, Unitati in afara SI si relatii de conversiune in SI, Constante fizice fundamentale.

Se considera o initiativa absolut laudabila prezentarea, in cadrul fiecarui capitol, a unor aplicatii rezolvate, precum si a unora nerezolvate, cele mai multe originale, din diferite domenii ale fizicii tehnice, menite sa duca la o mai buna intelegere si aprofundare a textului de baza.

Autorul foloseste cu discernamant si competenta o bibliografie reprezentativa, ampla, de prestigiu, clasica si moderna, multe de aparitie recenta, dovedind o temenica cunoastere a tematicii cercetate.

Lucrarea este clar redactata, cu o expunere riguroasa, eleganta si convingatoare si demonstreaza inaltul profesionalism al autorului, calitatile sale de cercetator pasionat si o pregatire stiintifica si tehnica remarcabila. Nivelul stiintific este ridicat, corespunzator tematicii abordate si exigentelor actuale.

Apreciem ca aceasta lucrare, conceputa si realizata de un specialist reputat, cu indelungata activitate didactica si cu rezultate stiintifice de prestigiu, ocupa un loc de seama in literatura tehnico-stiintifica actuala, putandu-se alatura celor mai importante si mai valoroase realizari de acest gen.

Prof. emerit dr. ing. Valeriu Nicolae PANAITESCU
Departamentul de Hidraulica, Masini hidraulice si Ingineria mediului
Universitatea Politehnica din Bucuresti

Prof. emerit dr. ing. Nicolae Petru LEONACHESCU
Departamentul de Termotehnica
Universitatea Tehnica de Constructii din Bucuresti

CUPRINS

Prefata VII
Simboluri si notatii folosite IX
Introducere XV

PARTEA I. ANALIZA DIMENSIONALA
1. Marimi fizice si unitati 3
1.1. Marimi fizice 3
1.2. Marimi fundamentale si marimi derivate 5
1.3. Marimi variabile si marimi constante 8
1.4. Sisteme de marimi fizice 9
1.5. Valori, valori numerice si unitati. Ecuatia fundamentala a masurarii 9
1.6. Teorema fundamentala a unitatilor. Sisteme de unitati 10
1.7. Marimi dimensionale si marimi adimensionale 11
1.8. Operatii algebrice cu marimi fizice si cu valori numerice 12
1.9. Relatii fizice. Notiunea de coeficient parazit 14
1.10. Aplicatii rezolvate 15
1.11. Aplicatii propuse 17

2. Elemente de teoria aproximarii si de teoria algebrica a analizei dimensionale 19
2.1. Prima teorema de aproximare a lui Weierstrass 19
2.2. Extinderea primei teoreme a aproximarii asupra unitatilor 22
2.3. Asupra teoremei de aproximare a marimilor derivate 23
2.4. Dimensiunea marimilor fizice. Formula dimensionala 24
2.5. Corolarele primei teoreme de aproximare a lui Weierstrass 27
2.6. Teoremele algebrei dimensionale 27
2.7. Dimensiunea marimilor derivate SI 29
2.8. Aplicatii rezolvate 29
2.9. Aplicatii propuse 33

3. Bazele fizice ale analizei dimensionale 36
3.1. Esenta si importanta analizei dimensionale 36
3.2. Geneza si evolutia istorica a analizei dimensionale 37
3.3. Principiile fizice ale analizei dimensionale 41
3.4. Matricea dimensionala a marimilor fizice 44
3.5. Teoremele fundamentale ale analizei dimensionale 45
3.6. Metodele de baza ale analizei dimensionale 50

4. Studiul unor fenomene prin metodele fizicii generale si ale analizei dimensionale 53
4.1. Transferul de caldura convectiv la curgerea fluidului perfect si incompresibil in jurul unui corp aflat in repaus 53
4.2. Debitmetria electromagnetica cu camp magnetic constant 59
4.3. Aplicatii rezolvate 63
4.4. Aplicatii propuse 84
Bibliografie partea I 88

PARTEA A II-A. IN LUMEA UNITATILOR MARIMILOR FIZICE
5. Geneza si evolutia istorica a unitatilor. Sisteme de unitati 95
5.1. Originea unitatilor 95
5.2. Provenienta unitatilor la popoarele europene. Reglementarea unitatilor 98
5.3. Unitati rationale 99
5.4. Sistemul metric de unitati 101
5.5. Sisteme absolute si practice de unitati 105
5.6. Aplicatii rezolvate 107
5.7. Aplicatii propuse 108

6. Sistemul International de Unitati 110
6.1. Consideratii generale 110
6.2. Unitati SI fundamentale 113
6.3. Unitati SI derivate 115
6.4. Prefixe SI 116
6.5. Unitati care nu fac parte din SI 118
6.6. Reguli de formare si de utilizare corecta a celor mai importante unitati 123
6.7. Reguli de exprimare si de scriere corecta a denumirilor si simbolurilor unitatilor 128
6.8. Redefinirea unitatilor fundamentale. Perspectivele Sistemului International de Unitati 132
6.9. Aplicatii rezolvate 133
6.10. Aplicatii propuse 135

7. Sistemul anglo-saxon de unitati 136
7.1. Cele mai importante unitati ale sistemului anglo-saxon 137
7.2. Aplicatii rezolvate 144

8. Conversiunea in unitati SI. Constante fizice fundamentale 146
8.1. Conversiunea in unitati SI 146
8.2. Constante fizice fundamentale 148
8.3. Aplicatii rezolvate 149
8.4. Aplicatii propuse 154
9. Geneza si evolutia istorica a unitatilor romanesti 156
9.1. Originea unitatilor romanesti 156
9.2. Vechi unitati romanesti 158
9.3. Asimilarea Sistemului Metric de unitati 168
9.4. Vechi unitati in Basarabia 169
9.5. Aplicatii rezolvate 171
Bibliografie partea a II-a 175

Anexe 177
Tabelul A.1. Marimi si unitati derivate SI (set incomplet) 177
Tabelul A.2. Unitati in afara SI si relatii de conversiune in SI 182
Tabelul A.3. Constante fizice fundamentale 193

DESPRE AUTOR

Ion M. CERNICA, nascut la 11 ianuarie 1950 in comuna Saratenii Vechi, Republica Moldova, este absolvent cu brio al Facultatii de Mecanica a Institutului Politehnic din Chisinau, promotia 1973. In perioada 1973-1977 activeaza ca lector asistent la catedra de Hidraulica si Masini hidraulice a aceluiasi institut. La propunerea renumitului profesor rus A.I.Leontiev, intre anii 1977-1980 urmeaza doctorantura Institutului de Temperaturi Inalte al Academiei de Stiinte a fostei URSS, specialitatea „Termofizica”. Este doctor inginer al Scolii Tehnice Superioare „N. E. Bauman” din Moscova, specialitatea „Bazele teoretice ale termotehnicii” (1983). In cadrul Institutului de Temperaturi Inalte a participat la realizarea a 4 contracte de cercetare stiintifica, care au avut ca obiectiv proiectarea sistemului de racire al camerei de ardere a primului bloc energetic din lume de tip MHD. Intre anii 1980-1995 a fost conferentiar la catedra Studiul masinilor, Universitatea de Stat „A. Russo” din Balti, iar din 1995 pana in prezent - conferentiar la catedrele de Termotehnica si Management in energetica si Bazele proiectarii masinilor din cadrul Universitatii Tehnice a Moldovei. In 1989 obtine prin concurs titlul didactic de conferentiar universitar.

Este autor si coautor a 5 manuale si cursuri universitare, intre care, ca singur autor, „Bazele transmiterii caldurii” (Editura Institutului Politehnic din Chisinau, 1988), „Combustibili. Teoria arderii” (Editura Universitatii Tehnice a Moldovei, Chisinau, 2008) si „Mecanica fluidelor” (Editura Matrixrom, Bucuresti, 2011). Cercetari publicate in peste 100 de articole stiintifice, atat in R. Moldova, Romania, SUA, Marea Britanie, cat si in fosta URSS, in domeniile: transferul de caldura si masa, mecanica fluidelor, teoria arderii, analiza dimensionala etc. A efectuat trei stagii de pregatire: primul la Institutul Politehnic din Sankt-Petersburg, catedra de Aerohidrodinamica, unde a ascultat lectiile cunoscutului profesor de mecanica fluidelor L.G.Loiteanski (1977), al doilea stagiu - la Scoala Tehnica Superioara „N. E. Bauman” din Moscova, catedra Teoria mecanismelor si a masinilor, condusa de academicianul K. V. Frolov (1986) si al treilea stagiu - la Universitatea Tehnica „Gh. Asachi” din Iasi, catedra de Termotehnica si Masini termice, condusa de prof. dr. ing. Gh. Dumitrascu (1999). Este referent stiintific al unor manuale, reviste si teze de doctorat, precum si expert pe probleme de stiinta si tehnica in cadrul Academiei de Stiinte a R. Moldova.