Analyse dimensionnelle

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Préparation d'une maquette dans un bassin d'essai.

L'analyse dimensionnelle est une méthode pratique permettant de vérifier l'homogénéité d'une formule physique à travers ses équations aux dimensions, c'est-à-dire la décomposition des grandeurs physiques qu'elle met en jeu en un produit de grandeurs de base : longueur, durée, masse, intensité électriqueetc., irréductibles les unes aux autres.

L'analyse dimensionnelle repose sur le fait qu'on ne peut comparer ou ajouter que des grandeurs ayant la même dimension ; on peut ajouter une longeur à une autre, mais on ne peut pas dire qu'elle est supérieure, ou inférieure, à une masse. Intuitivement, il est clair qu'une loi physique ne saurait changer, hormis dans la valeur numérique de ses constantes, au simple motif qu'on l'exprime dans d'autres unités. Mathématiquement, cette assertion est validée par le théorème de Vaschy-Buckingham.

En physique fondamentale, l'analyse dimensionnelle permet de déterminer a priori la forme d'une équation à partir d'hypothèses sur les grandeurs qui gouvernent l'état d'un système physique, avant qu'une théorie plus complète ne vienne valider ces hypothèses. En science appliquée, elle est à la base de la modélisation par maquettes et de l'étude des effets d'échelle.

Applications[modifier | modifier le code]

Les lois de similitude permettent de reproduire les mêmes phénomènes à des échelles différentes.

L'analyse dimensionnelle peut trouver des applications dans de nombreux problèmes, en particulier pour déterminer des nombres sans dimension intervenant dans les phénomènes physiques, et qui permettent de modéliser le phénomène par des maquettes, ou encore pour déterminer a priori des effet d'échelle. On la retrouve par exemple dans les domaines suivants :

  • L'aérodynamique, pour les caractéristiques aérodynamiques des avions, et plus généralement le comportement des corps dans un fluide en mouvement (optimisation de ponts suspendus).
  • Résistance à l'écoulement et chute de pression dans l'écoulement d'un fluide à travers des tuyaux.
  • Formation des vagues et leur propagation, dans diverses interfaces.
  • Diffusion et transport de chaleur.
  • Détonique, étude des détonations et de leurs effets.
  • Tests de résistance de matériau et essais de collision.
  • Maquettage de l'effet des tremblements de terre (par exemple pour les immeubles de grande hauteur).
  • Vieillissement et tassements dans les sols, pour l'étude des fondations des bâtiments, ou les glissements de terrain et les avalanches.
  • Hydraulique des canaux, transport de sédiments dans les rivières.
  • En médecine et en biologie, effet d'échelle en bionique, développement de la circulation sanguine ou croissance de la plante.

L'analyse dimensionnelle de ces phénomènes fournit d'utiles règles de proportionnalité. Elle permet de spécifier l'étalonnage des modèles expérimentaux, et de guider les études de variation. Dans de nombreux cas, elle permet d'identifier des dépendances fonctionnelles. Dans tous les cas, elle contribue à une meilleure compréhension du problème.

L'analyse dimensionnelle est à la base des systèmes d'unités naturelles.

Mesures, unités et dimensions[modifier | modifier le code]

Formules homogènes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Homogénéité (physique).

Dans une formule physique, les variables présentes ne sont pas « que » des nombres, mais représentent des grandeurs physiques.

Une grandeur physique est un paramètre mesurable qui sert à définir un état, un objet. Par exemple, la longueur, la température, l'énergie, la vitesse, la pression, une force (par exemple le poids), l'inertie (masse), la quantité de matière (nombre de moles)… sont des grandeurs physiques. Une mesure physique vise à exprimer la valeur de cette grandeur physique par son rapport avec une grandeur constante de même espèce prise comme unité de mesure de référence (étalon ou unité).

On exprime alors la grandeur par un nombre rationnel multipliant l'unité de mesure. De ce fait, les opérations entre grandeurs physiques ne portent pas que sur les nombres, mais également sur les unités. Ces unités présentes dans les formules physiques contraignent la forme que peuvent prendre ces formules, parce que certaines opérations possibles sur de simples nombres deviennent impossibles quand ces nombres sont associés à des unités. Ces contraintes sont celles qui font qu'une formule physique est qualifiée d'« homogène » :

  • la multiplication (ou la division) est possible entre toutes unités, ou avec des constantes sans dimension, mais c'est pratiquement la seule opération permise sans restriction ; la multiplication ou la division de grandeurs physiques est également possible, et porte à la fois sur les valeurs numériques et sur les unités de ces grandeurs ;
  • l'addition (ou la soustraction) de grandeurs physiques de nature différente n'a pas de sens ; l'addition ou la soustraction de grandeurs physiques de même nature reste possible, mais à la condition de les exprimer préalablement avec la même unité (cf. section suivante) ;
  • à l'exception de l'élévation à une puissance (une généralisation de la multiplication et de la division), une fonction mathématique (comme le sinus ou l'exponentielle) ne peut porter que sur des nombres « purs », sans dimension[a].

Un tel contrôle est automatisable. Dès 1976, Michel Sintzoff (en) remarquait qu'on peut renforcer la fiabilité des programmes de calculs en physique, en déclarant les variables physiques en tant que telles, et en codant leur dimension par la suite des exposants relatifs aux dimensions de base prises dans un ordre fixe[1]. Il est alors possible devérifier à la compilation leur homogénéité dimensionnelle par évaluation symbolique. Pour cela, on remarque notamment que :

  • les dimensions des diverses grandeurs forment un groupe multiplicatif ayant pour générateurs les dimensions de base ;
  • l'addition, la soustraction, les combinaisons min/max, l'affectation de grandeurs supposent opérandes et résultats de même dimension ;
  • la dimension du résultat du produit (resp. quotient) de deux grandeurs est le produit (resp. quotient) de leurs dimensions.

Unités de même nature[modifier | modifier le code]

Si l'addition d'unités n'a pas de sens, celle de grandeurs physiques de même nature reste possible, à condition toutefois de les ramener à une unité commune. Il est par exemple possible d'ajouter deux durées, l'une de deux heures et l'autre de dix minutes, bien que les deux unités soient différentes. Mais dans ce cas, le résultat n'est évidemment pas « deux plus dix égale douze », retenant les nombres pour ignorer les unités. Il faut d'abord traduire les heures en minutes (1 h = 60 min) :

.

Une mesure physique étant un nombre associé à une unité, on a bien d'un côté deux nombres associés à des unités (différentes), et de l'autre le résultat, un nombre associé à une unité.

Dans la mesure où les grandeurs physiques peuvent légitimement se multiplier ou se diviser entre elles, on peut aussi les manipuler formellement comme des constantes littérales, et réécrire la transformation précédente de la manière suivante :

Sous cette forme, on voit que la réécriture de l'expression physique en « un nombre associé à une unité » fait apparaître du côté du nombre le rapport « h/min », qui est le facteur de conversion entre heures et minutes. Tout le monde sait naturellement que ce nombre vaut 60 (il y a soixante minutes dans une heure, et 1h = 60min peut se réécrire h/min = 60/1), mais le point important ici est que ce nombre est à présent un nombre pur, sans unité. Ce n'est possible que parce que fondamentalement, l'heure et la minute décrivent toutes les deux une durée, c'est à dire la même grandeur physique.

Remarque : le « facteur de conversion » pour les températures doit être pris avec précaution, parce cette grandeur physique a une référence absolue, le zéro absolu. Les échelles usuelles de température (degré Celsius, degré Fahrenheit,...) ne prennent pas cette référence comme zéro de l'échelle, mais partent de zéros différents, si bien que la conversion d'une unité dans une autre est une transformation linéaire, au lieu d'être une proportionnalité. C'est la raison pour laquelle il ne peut y avoir de facteur de conversion qu'entre écarts de température. C'est aussi la raison pour laquelle aucune de ces échelles à zéro arbitraire ne peut servir dans une formule physique, lorsque ce n'est pas un écart de température qui est concerné, c'est toujours le kelvin qui y apparaît.

La « nature » et l'unité[modifier | modifier le code]

Anatomie d'une grandeur physique : 1 852 m
1 852 Mesure Nombre mesuré Rapport de la grandeur à la référence.
 m Facteur de conversion Nombre constant conventionnel Reflète le caractère arbitraire de l'unité pratique.
Grandeur Nature physique propre Unité naturelle?

Il faut se rappeler ici ce qu'est exactement une « unité de mesure » : une mesure physique vise à exprimer la valeur d'une grandeur physique par son rapport avec une grandeur constante de même espèce. Si donc l'« heure » est une unité de mesure du temps, c'est parce que l'on peut comparer des grandeurs temporelles avec la grandeur particulière qu'est « une heure » : toute mesure physique ne fait qu'évaluer un rapport entre deux grandeurs de même nature.

Ces unités de mesure sont elle-mêmes des grandeurs physiques mesurables, donc un nombre associé à une unité, et prendre « une heure » ou « une minute » comme référence est fondamentalement un choix arbitraire. Le caractère arbitraire de ce choix peut être frustrant, parce qu'il ne permet pas de capturer ce qu'est la « nature » d'une unité : bien qu'une mesure soit un nombre associé à une unité (laquelle donne donc à cette mesure sa nature), on ne peut en réalité que faire des rapports, et accéder à des nombres sans dimension.

L'idée d'un système d'unités naturelles répond à cette idée d'éliminer la part d'arbitraire dans la mesure : s'il existe une unité naturelle « T » susceptible de servir de référence universelle pour mesurer le temps, alors l'heure et la minute peuvent être objectivement décrites comme des grandeurs mesurées, la minute faisant n.T, et l'heure faisant soixante fois n.T. Si l'unité est naturelle, on peut alors considérer que « T » concentre l'essence de cette grandeur et en est la nature même, ce qui fait qu'un nombre change sa nature et devient une mesure physique : l'unité arbitraire que l'on utilise au quotidien est ainsi dissociée en une grandeur physique essentielle, qui lui donne sa « nature », et un facteur de conversion propre à cette unité, qui en supporte tout l'arbitraire.

Dans cette approche, une mesure d'une grandeur physique implique alors conceptuellement trois entités : une unité naturelle, qui donne la « nature » de la mesure, un facteur de conversion qui découle de la grandeur utilisée comme unité pratique, et un nombre mesuré représentant le rapport entre la grandeur mesurée et l'unité pratique. Que l'unité naturelle ne soit pas clairement définie (la seule unité clairement naturelle est la vitesse de la lumière) n'a pas d'importance pratique. Lorsqu'un facteur de conversion doit être effectivement calculé, il prend toujours la forme d'un rapport entre deux mesures de même nature, qui ne dépend donc pas de la valeur exacte de l'unité naturelle.

Formules physiques et grandeurs[modifier | modifier le code]

Indépendamment de ce que doit être la valeur d'une unité naturelle, on peut considérer dans cette optique qu'une expression physique traduit des opérations sur des objets complexes, associant un nombre, une unité, et un facteur de conversion.

  • Il y a les opérations numériques effectuées sur des nombres, sur lesquelles se concentrent les praticiens utilisateurs de la formule. C'est ce qui fait l'intérêt pratique de la formule.
  • Il y a d'autre part des opérations simultanées sur des grandeurs, qui représentent la « nature » des mesures physiques impliquées — et ceci, indépendamment du choix d'une unité ; c'est ce sur quoi se concentre le théoricien lorsqu'il examine l'« équation aux dimensions ».
  • Il y a enfin des opérations sur les facteurs de conversions qui découlent du choix d'un système d'unités potentiellement arbitraires. C'est ce qu'il faut examiner quand on passe d'un système d'unités à un autre. Dans une formule physique, ce choix ne se traduit jamais, en réalité, que par un facteur de conversion sans dimension (donc, ne changeant pas la « nature » de l'expression). Et comme ce facteur ne fait que refléter un choix arbitraire, on s'arrange dans les systèmes bien conçus (comme le système métrique) pour choisir les unités de manière à ce que le facteur de conversion soit généralement « un », et disparaisse de la formule.

L’équation aux dimensions d'une formule physique est une « équation de grandeurs », qui a la même forme que la formule physique initiale, mais où ne sont pris en compte ni les nombres, ni les facteurs de conversion, ni les constantes numériques sans dimension : uniquement les grandeurs. On y représente les phénomènes mesurés par un symbole ; par exemple, un temps y est représenté par la lettre « T », une longueur est représentée par la lettre « L ». C'est cette formule qui permet de déterminer la dimension dans laquelle doit être exprimé le résultat d'une formule physique, indépendamment des nombres résultant des mesures.

Facteur de conversion[modifier | modifier le code]

Les différentes équations physiques relient entre elles des grandeurs physiques, donc des nombres et des unités, et potentiellement des facteurs de conversion dépendant du choix de ces unités.

Ainsi, par exemple, une formule physique de cinématique nous dit que la vitesse (quand elle est constante) se mesure comme la longueur parcourue divisée par le temps de parcours. Ceci étant, si on mesure la longueur en lieues, le temps en heures, et la vitesse en nœuds, la formule devra en plus comporter un facteur de conversion.

, avec :

Inversement, connaissant cette formule V=D/T, et étant données des unités de temps et de longueur (la seconde et le mètre, dans le système métrique), on peut choisir l'unité de vitesse de manière à ce qu'il n'y ait pas de facteur de conversion : cette unité « dérivée » est alors le mètre par seconde dans le système métrique.

Grandeur d'une unité[modifier | modifier le code]

Grandeur de base[modifier | modifier le code]

D'une manière générale, en passant d'une loi physique à une autre, il est possible d'exprimer de proche en proche la dimension de toutes les grandeurs physiques en fonction de sept dimensions de base.

Le choix fait par le système international d'unités est le suivant, pour lequel les notations suivantes (recommandées) sont largement répandues[2] :

Grandeurs de base et dimensions du SI
Grandeur de base Symbole
de la dimension
Longueur
Masse
Temps ou durée
Intensité électrique
Température thermodynamique
Quantité de matière
Intensité lumineuse

Le choix de ces sept grandeurs est une construction historique, les grandeurs ont été choisies depuis le XVIIIe siècle en fonction des besoins et des étalons que l'on pouvait fabriquer de manière simple et précise. Elles sont a priori les plus fondamentales, et « les trois unités fondamentales » étant les seules directement accessible à la mesure pour la physique du xviiie siècle, il aurait été difficilement imaginable de faire le choix d'autre grandeurs de base.

On peut cependant choisir d'autres grandeurs de référence, par exemple définir la vitesse comme grandeur de base, et définir l'étalon-longueur en fonction de l'étalon-vitesse et de l'étalon-temps : c'est ce qui est d'ailleurs fait à présent implicitement dans le système métrique, l'étalon-vitesse étant la vitesse de la lumière dans le vide. De même, une alternative à l'intensité électrique pourrait être de retenir la charge électrique comme unité de base. Ces choix alternatifs conduisent alors à des alternatives en matière de système d'unités.

En réalité, le choix des grandeurs de base par rapport aux grandeurs dérivées est relativement arbitraire. Dans la plupart des cas, en mécanique, les grandeurs effectivement utilisées se limitent aux « trois unités fondamentales » de Maxwell, le sous-système . Mais il serait par exemple possible de s'appuyer sur la force au lieu de la masse pour un système , ou remplacer le temps par une vitesse ou une fréquence, ou s'appuyer sur l'énergie, ou toute autre combinaison de trois grandeurs mécaniques, du moment que ces trois grandeurs sont indépendantes. Ce choix est uniquement une question de commodité pratique, et l'analyse dimensionnelle ne dépend pas des grandeurs retenues comme base. De fait, exprimer des unités en  N⋅m-2 ou en  N⋅rad-1 revient en quelque sorte à considérer que le newton pourrait être une grandeur de base pour définir ces grandeurs dérivées.

Grandeurs dérivées[modifier | modifier le code]

Comme indiqué ci-dessus, dans le cas général, une loi physique comporte dans le cas général (pour des systèmes d'unité non rationnels) un terme constant reflétant la conversion des unités entre grandeurs d'entrée et grandeur de sortie. Inversement, dans un système rationnel, l'unité de la grandeur de sortie est choisie de telle manière, que son facteur de conversion soit égal à l'unité, c'est à dire disparaisse de la formule décrivant la loi physique : ce facteur n'a en effet aucune signification physique.

De proche en proche, de loi physique en loi physique, ce principe permet de déterminer toutes sortes de « grandeurs dérivées », d'en connaître la dimension, et si possible d'en fixer une unité cohérente avec les unités précédemment retenues, pour laquelle le « facteur de conversion » sera égal à un.

Une grandeur dérivée est ainsi une grandeur dont la dimension est liée à au moins une des sept grandeurs de base. Le lien entre une grandeur dérivée et les grandeurs de base (ou d'autres grandeurs dérivées) est donné par une loi physique, dont l'énoncé impose une certaine équation aux dimensions.

La dimension d'une grandeur dérivée est dite « simple » lorsqu'elle n'est liée qu'à une des sept grandeurs de base. Par exemple, la dimension de la superficie est simple : elle n'est liée qu'à la longueur et correspond au carré d'une longueur. La dimension d'une grandeur dérivée est dite composée lorsqu'elle est liée à au moins deux des sept grandeurs de base. Par exemple, la vitesse est le rapport d'une longueur par une durée.

Équation aux dimensions[modifier | modifier le code]

L'équation aux dimensions est l'équation qui relie la dimension d'une grandeur dérivée à celles des sept grandeurs de base. Dans une équation aux dimensions, la dimension de la grandeur dérivée est couramment notée .

La forme générale d'une équation aux dimensions est :

,

où :

  • et sont les dimensions respectives des sept grandeurs de base ;
  • et sont les exposants respectifs des sept grandeurs de base.

Ces derniers sont appelés « exposants dimensionnels ». Un tel exposant dimensionnel est un nombre entier relatif. Il peut être (strictement) positif, nul ou (strictement) négatif. Une grandeur sans dimension, ou grandeur de dimension 1, est une grandeur pour lesquels tous les exposants dimensionnels sont nuls.

Ainsi, la dimension d'une grandeur est la manière dont elle se compose à partir des sept dimensions de base.

Par exemple, on dit que « la dimension d'une vitesse est une longueur divisée par une durée » (on dit aussi « la vitesse est homogène à une longueur divisée par une durée). On note ceci de manière abrégée par une équation aux dimensions :

(ou encore ).

La composition peut devenir plus complexe. Ainsi, la force a la dimension d'une masse multipliée par une longueur et divisée par une durée au carré :

que l'on peut aussi noter

Extensions du système[modifier | modifier le code]

Notation des angles[modifier | modifier le code]

Définition géométrique du radian.

Le radian (et son homologue sphérique le stéradian) occupe une place à part dans les unités, ni tout à fait unité de base, ni vraiment homologue à une unité dérivée. Pendant longtemps, il a été qualifié d'« unité supplémentaire », cette notion a cependant été supprimée par la 20e conférence générale du Bureau international des poids et mesures. Le radian est à présent une « unité sans dimension dont le nom et le symbole peut être utilisé, mais pas nécessairement, dans les expressions d'autres unités dérivées SI, suivant les besoins »[3].

Le statut particulier de cette unité vient de la dimension réputée « sans dimension » de l'angle plan. Un angle est en effet mesuré par le rapport entre la longueur de l'arc (AB) qu'il découpe sur un cercle de rayon r et le rayon r de ce cercle. Ces deux mesures étant faites dans une unité de longueur, on en conclut que la dimension du radian est nulle, (et de même pour le stéradian, rapport de la surface interceptée au carré du rayon, ). Paradoxalement, donc, la quatrième grandeur immédiatement mesurable dans l'expérience quotidienne ne partage pas le statut privilégié des « trois unités fondamentales » : son unité est facultative, et elle n'est même pas considéré comme une grandeur effective.

La « grandeur angulaire » est néanmoins importante pour clarifier la notation de quelques unité, ce qui justifie son emploi facultatif dans le système international d'unités. C'est ainsi que la vitesse angulaire ω se note en rads-1, et se distingue ainsi des hertz et des becquerels, a priori de même dimensionalité . De même, l'accélération angulaire α se note habituellement en rads-2.

Bien que ce ne soit pas la pratique habituelle, il est également correct de noter la composante angulaire dans les grandeurs décrivant la rotation, qui peut être simplement identifiée de proche en proche à travers les équations aux dimensions :

  • Le Travail d'un couple est , et est en kgm2s-2. Le couple C est donc en kgm2s-2rad-1, se distinguant ainsi de l'unité d'énergie.
  • L'énergie cinétique d'un corps en rotation est données par . E étant en kgm2s-2rad-1, le moment d'inertie I est en kgm2rad-2.
  • On en déduit que la grandeur conservative en rotation, le moment cinétique, , a pour dimension kgm2rad-2 x rads-1 = kgm2s-1rad-1.

Mais fondamentalement, pour l'analyse dimensionnelle, les angles ne peuvent pas être considérés comme une variable du problème, parce que leur définition classique ne leur donne pas de dimension propre. Par exemple, prenons un projectile dont on cherche une expression de la portée P en fonction de l'angle θ et la vitesse v du tir, et de l'attraction de la pesanteur g. Sous cette forme, le problème a quatre variables dépendant de trois grandeurs et devrait donc être bien posé pour résoudre P en fonction des trois autres, à une constante près. Mais l'angle θ étant considéré comme sans dimension, la manière dont il intervient dans un monôme ne peut être qu'arbitraire : cette « variable » s'avère inutilisable dans une approche classique, où elle ne se distingue pas d'une constante arbitraire. Ce problème particulier sera traité ci-dessous par projection, en distinguant les composants vx et vz de la vitesse initiale suivant deux directions, mais cette solution par projection n'est pas un traitement général, et ne résout pas réellement le problème spécifique des angles.

L'absence d'information sur les angles est de ce fait un problème général en analyse dimensionnelle classique : exclu du rang des « trois unités fondamentales », l'angle, qui est pourtant la quatrième grandeur immédiatement mesurable dans l'expérience quotidienne, devient l'enfant caché de la famille des grandeurs, dont on ne parle jamais ou qu'avec gêne[réf. nécessaire].

Masse inertielle et masse grave[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Masse, Principe d'équivalence et Mole.

En thermodynamique ou en mécanique des fluides, il est parfois intéressant de distinguer entre la masse en tant que mesure de l'inertie (masse inertielle), et la masse en tant que mesure de la quantité de matière (masse grave), suivant une suggestion de Huntley[4],[5] Il existe en effet deux masses pour chaque corps :

  • La masse inerte est une propriété dynamique de la matière qui se manifeste par l'inertie des corps. Concrètement, une masse de 20 kg résiste deux fois plus à l'accélération qu'une masse de 10 kg.
  • La masse grave (du latin gravis, lourd) est une propriété statique de la matière qui se manifeste par l'attraction universelle des corps. Concrètement, une masse de 20 kg crée autour d'elle un champ de gravité deux fois plus intense qu'une masse de 10 kg ; par ailleurs, en présence d'un même champ de gravité extérieur (celui de la Terre par exemple), la masse de 20 kg subira une force (le poids) deux fois plus grande que la masse de 10 kg.

La masse grave est à la loi de la gravitation de Newton ce qu'est la charge électrique à la loi de Coulomb : elle est en quelque sorte une charge gravitationnelle. Puisque dans un problème d'électrodynamique on peut faire varier la charge électrique indépendamment de la masse inerte, il n'y a pas de raison que dans un problème de dynamique on ne puisse pas tout autant faire varier la masse grave indépendamment de la masse inerte.

Par exemple, si l'on recherche l'expression de la loi de Poiseuille dans le cas de l'écoulement d'un fluide visqueux à l'intérieur d'un conduit cylindrique. Si l'on ne fait pas de distinction entre masse inertielle et masse grave, on peut choisir comme variable descriptive :

  • le débit massique, qui a pour dimension MT−1
  • le gradient de pression dans le conduit, qui a pour dimension ML−2T−2
  • ρ la densité du fluide, de dimension ML−3
  • η la viscosité dynamique du fluide, de dimension ML−1T−1
  • r le rayon du conduit, de dimension L

On a donc ici cinq variables descriptives ne dépendant que de trois variables fondamentales, donc il est possible de construire deux variables sans dimension et , que l'on peut choisir comme étant et . L'équation dimensionnelle s'écrit alors :

,

dans laquelle C et a sont des constantes que l'on ne peut pas déterminer plus avant.

Il est relativement facile ici d'identifier la masse grave, qui traduit une quantité de matière : à chaque fois qu'une variable descriptive ayant une dimension M peut être remplacée par une autre variable ayant la dimension correspondante en N (quantité de matière en mole) mais décrivant essentiellement le même phénomène, cette apparition de la masse correspond à de la masse grave. Dans les variables descriptives du problème, on peut donc distinguer entre la masse inertielle, notée , et une de masse grave, notée  : le débit massique et la densité décrivent des quantité de matières, où la masse a un effet statique, et on pourrait imaginer décrire le même problème avec des débits et densités molaires ; tandis que le gradient de pression et le coefficient de viscosité dynamique n'ont rien à voir avec des moles, et impliquent bien la masse dans une manifestation dynamique.

Cette distinction étant faite, on se retrouve donc à présent avec quatre grandeurs fondamentales, et il n'est donc plus possible de construire qu'une seule constante sans dimension. L'équation aux dimension permet alors de l'écrire :

Et il ne reste plus que C comme constante indéterminée, à laquelle des méthodes ne relevant pas de l'analyse dimensionnelle permettent d'attribuer une valeur de . Cette équation peut ensuite être résolue en fonction du débit massique, pour retrouver la loi de Poiseuille :

Projections directionnelles[modifier | modifier le code]

Une autre extension proposée par Huntley[4] consiste à considérer que les trois composantes d'un vecteur doivent être considérés comme relevant de grandeurs distinctes. Dans ce cas, au lieu de n'avoir qu'une longueur L indifférenciée, on aura une longueur Lx dans la direction des x, et ainsi de suite.

Pour illustrer cette idée, on peut chercher à calculer à quelle distance sera le point de chute d'un boulet de canon tiré à partir d'un plan horizontal, avec une vélocité verticale et une vélocité horizontale .

Si l'on ne tient pas compte des dimensions de l'espace, les seules quantités intéressantes seront et , toutes deux en LT−1, la portée P, de dimension L, et g l'accélération de la pesanteur, de dimension LT−2. Ces quatre quantités ne dépendent que de deux grandeurs indépendantes, et il est donc possible de définir deux grandeurs sans dimension.

L'équation recherchée pour la portée est de la forme :

Ou encore, sous forme d'une équation aux dimension :

Ce dont on peut déduire que et , dont on peut déduire que , mais deux exposants restent indéterminés. C'est normal, puisqu'il y a deux grandeurs indépendantes et quatre quantités pour une seule équation.

Si toutefois on distingue entre les différentes directions de l'espace, alors a la dimension LxT−1, est en LyT−1, R est en Lx et g est en LyT−2. L'équation aux dimensions devient alors :

Ayant à présent trois grandeurs indépendantes et quatre quantités pour deux équations, il est possible de résoudre le système pour trouver , et  ; et donc :

Si on note θ l'angle de tir, par rapport à la vitesse initiale V on aura et , donc :

On voit immédiatement sur cet exemple le gain qu'apporte l'introduction de longueurs directionnellement distinctes. La justification profonde d'une telle approche est que chaque composant d'une équation dimensionnellement consistante doit lui-même être dimensionnellement consistant, que l'équation soit scalaire, vectorielle ou tensorielle. Par conséquent, en projetant le problème sur l'un ou l'autre de ses axes de symétrie, on peut (parfois) identifier des équations indépendantes, et chaque équation supplémentaire permettra de résoudre une nouvelle variable.

Cette approche consiste à ramener un problème situé dans l'espace de dimension trois à plusieurs problèmes dans des espaces linéaires de dimension un. Bien que souvent utile, donc, cette extension de la méthode proposée par Huntley présente encore quelques insuffisances :

  • Elle ne gère pas bien les situations impliquant des produits vectoriels ;
  • Elle ne permet pas de gérer les angles considérés comme des variables physiques ;
  • Il n'est pas toujours facile d'assigner aux différentes variables du problème ces grandeurs L, Lx, Ly et Lz, c'est à dire d'identifier des axes de projection pertinents.

Algèbre des orientations[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Grandeur d'orientation.

Plutôt que d'introduire seulement trois dimensions de longueur Lx d'orientation distinctes, comme proposé par Huntley[4], Donald Siano[6] ,[7] a proposé pour représenter le caractère vectoriel de certaines grandeurs de retenir comme grandeur à part entière des « grandeurs d'orientation » , et dans l'équation aux dimension, le symbole représentant de son côté une grandeur scalaire sans orientation. Avec cette approche, la dimension projetée proposée par Huntley devient une grandeur dérivée composée , où traduit le caractère de « longueur », et traduit le caractère d'« orientation » dans une direction particulière, donc le caractère essentiellement vectoriel de cette grandeur.

Dans les formules dimensionnelles, les grandeurs scalaires ont alors une dimension de quelle que soit la direction de l'espace où elles sont projetés, mais les grandeurs vectorielles reçoivent une dimension d'orientation non nulle — dont le choix en x, y, z est relativement arbitraire tant que ces choix se simplifient dans l'équation aux dimension. La direction peut être par exemple « celle du problème » lorsqu'une seule direction est impliquée, mais devient « l'autre direction du plan » lorsqu'une deuxième intervient, et « la direction orthogonale aux deux autres » , en tant que de besoin.

Cette convention conduit notamment à poser que l'écart angulaire traduit une rotation dans un espace à trois dimensions :

Une rotation est de dimension

Ce même résultat peut s'obtenir directement en remarquant qu'en coordonnées polaires (r, α), une variation élémentaire dα entraîne un déplacement orthogonal dx=r.dα : dx étant d'orientation par rapport à la distance r posée d'orientation , l'homogénéité de la formule impose que dα est d'orientation , ce qui est donc la dimension du radian. On peut montrer par ailleurs (à travers le développement en série de Taylor) que sin(θ), comme toute fonction impaire, a la même grandeur d'orientation que son argument θ ; et que cos(x), comme toute fonction paire, a toujours une grandeur d'orientation scalaire — les fonctions ni paires ni impaires ne pouvant prendre que des arguments scalaires.

En exemple d'application, reprenons le problème de la portée d'un projectile en tenant compte de la grandeur d'orientation. Par rapport à la direction du point d'impact, la gravité est d'orientation , et l'angle de tir θ étant dans un plan xz sera de dimension perpendiculaire, c'est à dire . La portée P est alors de la forme :

, ce qui implique que :

L'homogénéité dimensionnelle impose alors correctement que a = −1 et b = 2 ; et par rapport à la grandeur d'orientation, c doit alors être un entier impair (donc, peut être pris égal à l'unité). Une analyse complémentaire montre que la fonction recherchée en θ, nécessairement impaire pour des raisons d'homogénéité, est périodique de période 2π (donc de la forme ) et s'annule pour θ=0 et θ=π/2 : donc n=2 et la fonction recherchée est . On a donc :

Exemples d'applications[modifier | modifier le code]

« Principe zéro » de la physique théorique[modifier | modifier le code]

Modélisation d'un écoulement tourbillonaire en soufflerie.

La puissance du pouvoir prédictif de l'analyse dimensionnelle en regard de sa simplicité a conduit Wheeler à proposer le principe général suivant :

« Ne jamais faire de calculs avant d'en connaître le résultat. »

Cet énoncé, qui peut sembler a priori paradoxal, signifie concrètement : ne pas se lancer dans un calcul compliqué sans avoir trouvé au préalable la forme qualitative du résultat, avec l'analyse dimensionnelle.

L'analyse dimensionnelle permet en effet de trouver la forme de la solution de certains problèmes, sans avoir à résoudre d'équations, grâce au théorème de Buckingham (parfois appelé « théorème Pi »). Ce type de calcul n'est valable que si un petit nombre de paramètres contrôlent la solution d'un problème (2 ou 3).

L'analyse dimensionnelle ne permet de trouver l'équation physique qui gouverne le phénomène, qu'à une constante numérique k près, sans dimension, et qui ne peut donc pas être déterminée par cette méthode. Il faut faire un calcul explicite complet pour la trouver (ou une mesure expérimentale pour la déterminer). L'expérience montre cependant que, dans un système d'unités adapté au problème étudié, cette constante k est toujours de l'ordre de grandeur de 1 (au sens où π ~ e ~ 1), d'où la pertinence de l'analyse dimensionnelle pour prévoir la forme du résultat d'un calcul, ainsi que son ordre de grandeur.

Le fait de construire des équations homogènes ne suffit cependant pas à identifier des lois physiques pertinentes. La célèbre équation est par exemple parfaitement homogène et invariante par changement d'unités; mais cette homogénéité ne suffisait pas pour autant à la pressentir.

Deux exemples célèbres sont le calcul de la puissance de la première bombe atomique et le modèle de Kolmogorov de la turbulence homogène isotrope, qui a influencé grandement toute la mécanique des fluides.

Lois de la chute des corps[modifier | modifier le code]

Fréquence d'un système masse-ressort[modifier | modifier le code]

Pulsation synchrotron[modifier | modifier le code]

Energie d'une bombe atomique[modifier | modifier le code]

Historique[modifier | modifier le code]

L'origine de l'analyse dimensionnelle fait débat chez les historiens[15],[16]. On cite généralement les mathématiciens Leonard Euler[17] et Joseph Fourier[18] et le physicien Rayleigh[19] comme y ayant fait d'importantes contributions[20], en partant de l'idée que des lois physiques comme ne devraient pas dépendre des unités employées pour mesurer les grandeurs physiques qui apparaissent dans la formule. Cette exigence amène à la conclusion qu'une loi physique doit former une équation « homogène » entre ces différentes unités ; résultat finalement formalisé avec le théorème de Vaschy-Buckingham. Mais la première application d'une analyse dimensionnelle semble être due au mathématicien savoyard François Daviet de Foncenex (1734–1799), dans un ouvrage publié en 1761, soit 61 ans avant les travaux de Fourier[16]. En tout cas James Clerk Maxwell établit l'approche moderne de l'analyse dimensionnelle, en posant que la masse, la longueur et le temps étaient des unités fondamentales, et en qualifiant les autres de « dérivées »[b].

Bien que Maxwell ait défini le temps, la longueur et la masse comme « les trois unités fondamentales », il releva cependant que la masse gravitationnelle pouvait être une grandeur dérivée du temps et de la longueur, conduisant à la dérivation , à condition de considérer que dans la loi universelle de la gravitation de Newton, la constante gravitationnelle G soit prise égale à l'unité[22]. De même, en écrivant la loi de Coulomb dans une forme où la constante est posée égale à l'unité, Maxwell détermina que la dimension de l'unité électrostatique devait être [23], et compte tenu de ce que par ailleurs il considérait la masse comme une grandeur dérivée , la charge électrique avait alors la même dimension qu'une masse, c'est à dire [c].

L'analyse dimensionnelle permet aussi de déduire la forme que doit avoir la relation entre les quantité physiques qui interviennent dans un phénomène que l'on cherche à comprendre et à caractériser. Rayleigh semble l'avoir utilisée dans ce sens le premier, en 1872, en cherchant à expliquer pourquoi le ciel est bleu. Rayleigh publia sa méthode en 1877, dans son livre sur la théorie du son[24].

C'est dans son ouvrage Théorie de la Chaleur que Joseph Fourier introduit la « dimension », qu'à l'origine il assimile aux valeurs numériques que prennent les exposants des unités de base. Pour lui, par exemple, l'accélération est donc de dimension 1 par rapport à l'unité de longueur, et de dimension -2 par rapport à l'unité de temps[25]. Pour Maxwell, la « dimension » de l'accélération est toute l'expression , et non la série des exposants[26] ; c'est cette terminologie qui est utilisée aujourd'hui.

Modélisations[modifier | modifier le code]

Ludwig Prandtl, l'un des pères de la mécanique des fluides, devant son modèle de canal d'écoulement "à main" (1904).

Dès la fin du 19ème et le début du 20ème siècle, avec l'étude plus approfondie des propriété des fluides et des corps en mouvement dans les fluides, des physiciens comme Ludwig Prandtl, Theodore von Karman, Albert Shields, Johann Nikuradse et Rayleigh ont utilisé l'analyse dimensionnelle pour reproduire en laboratoire et dans des conditions contrôlables le comportement de phénomènes physiques, mais avec des vitesses ou des densités différentes, en se fondant sur les lois de similitude applicables à des maquettes d'échelles différentes. Ce principe de similitude, qui permet d'étudier des phénomènes physiques à des échelles différentes, est la base de la théorie de la similitude, aussi appelée théorie du modèle.

L'analyse dimensionnelle est en effet sous-jacente à la modélisation et la similitude. Le théorème de Vaschy-Buckingham montre que pour toute formule physique où interviennent n variables dimensionnelles indépendantes, dépendant de k unités fondamentales, la formule peut être transformée en une formule équivalente dépendant de n-k variables sans dimension se déduisant des variables initiales. Cette transformation permet d'appliquer la même loi, et donc de reproduire le même phénomène, à des échelles différentes, du moment que ces nombres sans dimension sont identiques dans les deux cas. Un cas particulier important est que lorsque n=k, il n'y a pas de variable libre sans dimension, et le théorème implique que l'expression sans dimension qui peut être formée par les variables est donc constante pour le phénomène considéré.

Inversement, dans l'étude d'un phénomène physique, il n'est nécessaire d'étudier le comportement du système que lorsque ces variables sans dimension varient, le reste s'en déduisant par proportionnalité. Une analyse dimensionnelle permet alors de dégager les variables pertinentes pour l'étude du phénomène considéré, ce qui demande un bon sens de la réalité physique, mais permet ensuite de limiter le plan d'expérimentation à ces seules dimensions. Tous les graphiques de résultats où les axes sont des nombres sans dimension découlent d'une analyse dimensionnelle.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. La dérivée logarithmique est une exception apparente : on se permet d'écrire , même quand x n'est pas sans dimension (au lieu de x0 est une constante de même dimension que x), parce que les deux opérations donnent formellement le même résultat : .
  2. « Beginning apparently with Maxwell, mass, length and time began to be interpreted as having a privileged fundamental character and all other quantities as derivative, not merely with respect to measurement, but with respect to their physical status as well[21] ».
  3. De telles considérations, visant à définir ces unités de manière à ce que certaines constantes fondamentales valent l'unité, sont effectivement à la base des systèmes d'unités naturelles. Cependant, une réduction des unités de base, même si elle est théoriquement possible, n'est pas souhaitable en pratique. En poursuivant dans cette logique, on peut choisir que la vitesse de la lumière vaut , réduisant encore la longueur à une unité dérivée, et alors ... Mais si toutes les grandeurs physiques se ramènent finalement à la dimension d'un temps, l'analyse dimensionnelle ne fournit plus aucune information et n'a plus de raison d'être.

Références[modifier | modifier le code]

  1. H.Sidhoum, M.Babout, L.Frécon, Ampère2, un langage de programmation pour la physique, The European Journal of Physics, vol.11, 1990, p. 163-171
  2. David Rouvel, « Scolie sur le Système international d'unités (SI) », Bulletin de l'union des physiciens, no 911, février 2009, page 212.
  3. « Résolution 8 de la 20e CGPM – Suppression de la classe des unités supplémentaires dans le SI », sur bipm.org, Bureau international des poids et mesures,‎ .
  4. a, b et c Huntley, H. E. (1967), Dimensional Analysis, Dover, LOC 67-17978
  5. Introduction to dimensional analysis for geographers. Robin Haynes, 1982.
  6. Donald Siano, Orientational Analysis – A Supplement to Dimensional Analysis – I, vol. 320, , 267–283 p. (DOI 10.1016/0016-0032(85)90031-6), chap. 6
  7. Donald Siano, Orientational Analysis, Tensor Analysis and The Group Properties of the SI Supplementary Units – II, vol. 320, , 285–302 p. (DOI 10.1016/0016-0032(85)90032-8), chap. 6
  8. Taylor, Sir Geoffrey Ingram, "The formation of a blast wave by a very intense explosion. II. The atomic explosion of 1945," Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 201, No. 1065, pages 175 − 186 (22 March 1950). [lire en ligne]
  9. Taylor, Sir Geoffrey Ingram, "The formation of a blast wave by a very intense explosion. I. Theoretical discussion, " Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 201, No. 1065, pages 159 - 174 (22 March 1950). [lire en ligne]
  10. Neumann, John von, "The point source solution, " John von Neumann. Collected Works, edited by A. J. Taub, Vol. 6 [Elmsford, N.Y.: Permagon Press, 1963], pages 219 - 237.
  11. Sedov, L. I., "Propagation of strong shock waves", Journal of Applied Mathematics and Mechanics, Vol. 10, pages 241 - 250 (1946).
  12. Latter, R., "Similarity solution for a spherical shock wave", Journal of Applied Physics, Vol. 26, pages 954 - 960 (1955).
  13. Lockwood-Taylor, J., "An exact solution of the spherical blast wave problem," Philosophical Magazine, Vol. 46, pages 317 - 320 (1955).
  14. Batchelor, George, The Life and Legacy of G. I. Taylor, [Cambridge, England: Cambridge University Press, 1996], pages 202 - 207. [lire en ligne]
  15. (en) Enzo O. Macagno, « Historico-critical review of dimensional analysis », Journal of the Franklin Institute, vol. 292, no 6,‎ , p. 391–40 (DOI 10.1016/0016-0032(71)90160-8, lire en ligne)
  16. a et b (en) Roberto De A. Martins, « The origin of dimensional analysis », Journal of the Franklin Institute, vol. 311, no 5,‎ , p. 331–7 (DOI 10.1016/0016-0032(81)90475-0, lire en ligne)
  17. Traité sur la mécanique du solide, 1765 apud Dic. Phys..
  18. Théorie analytique de la chaleur, 1822 apud Dic. Phys..
  19. Théory of sound, 1877 apud Dic. Phys..
  20. Stephen Finney Mason, A history of the sciences, New York, Collier Books, (ISBN 0-02-093400-9), p. 169
  21. John J Roche, The Mathematics of Measurement: A Critical History, Springer, (ISBN 978-0-387-91581-4, lire en ligne), p. 203.
  22. James Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, , p. 4
  23. James Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, , p. 45
  24. Baron John William Strutt Rayleigh, The Theory of Sound, Macmillan, (lire en ligne)
  25. Joseph J Fourier, Theorie de la Chaleur, (lire en ligne), p. 156
  26. James Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, volume 1, (lire en ligne), p. 5

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck, , p. 25
  • Bernard Diu, La mathématique du physicien, Paris, Odile Jacob, , p. 109-256 (Troisième partie « Analyse dimensionnelle », quatrième et cinquième parties).

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]