Théorème de Vaschy-Buckingham

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

En mathématiques, le théorème de Vaschy-Buckingham[1],[2], ou théorème Pi, est un des théorèmes de base de l'analyse dimensionnelle. Ce théorème établit que si une équation physique met en jeu n variables physiques, celles-ci dépendant de k unités fondamentales, alors il existe une équation équivalente mettant en jeu variables sans dimension construites à partir des variables originelles.

Bien que nommé d'après les physiciens Aimé Vaschy et Edgar Buckingham, ce théorème a d'abord été démontré par le mathématicien français Joseph Bertrand[3] en 1878.

Énoncé de Vaschy[1][modifier | modifier le code]

Soient , , ,… des quantités physiques, dont les premières sont rapportées à des unités fondamentales distinctes et les dernières à des unités dérivées des unités fondamentales (par exemple peut être une longueur, une masse, un temps, et les autres quantités , ,… seraient des forces, des vitesses, etc.; alors ). Si entre ces quantités il existe une relation :

qui subsiste quelles que soient les grandeurs arbitraires des unités fondamentales, cette relation peut se ramener à une autre en paramètres au plus, soit:

les paramètres , ,… étant des fonctions monômes de , ,… (c'est-à-dire , avec ).

Exemple[modifier | modifier le code]

En dynamique des fluides, la plupart des situations dépendent des dix quantités physiques suivantes :

l Longueur
D Diamètre
ε Longueur de rugosité
V Vitesse du fluide
ρ Masse volumique du fluide
Δp Différence de pression
g Accélération de la pesanteur
μ Viscosité dynamique ou absolue
σ Tension de surface
K ou Ev Compressibilité

Ces dix quantités sont définies à travers trois dimensions, ce qui permet de définir 10-3=7 nombres sans dimension indépendants. Les variables qui apparaîtront le plus probablement comme dimensionnantes sont V, ρ, et l, qui seront donc pour cette raison choisies comme nouvelles grandeurs de base.

On en déduit les nombres sans dimension qui en dépendent :

, coefficient de pression
, nombre de Froude
, nombre de Reynolds
, nombre de Weber
, nombre de Mach
, rapport longueur/diamètre
, rugosité relative.

Démonstration de Vaschy[1][modifier | modifier le code]

Pour démontrer le théorème précédemment énoncé, remarquons que les quantités , ,… étant rapportées à des unités dérivées, cela revient à dire que l'on peut trouver des exposants , ,… , … tels que les valeurs numériques des rapports

soient indépendantes des valeurs arbitraires des unités fondamentales. (Ainsi , , , désignant respectivement une longueur, une masse, un temps et une force, le rapport , par exemple, aurait une valeur indépendante du choix des unités). Or, la relation:

peut s'écrire:

Mais, en faisant varier les grandeurs des unités fondamentales, on pourra faire varier arbitrairement les valeurs numériques des quantités , ,… , dont les grandeurs intrinsèques sont supposées fixes, tandis que les valeurs numériques de , ,… ne changeront point. La relation précédente devant subsister quelles que soient les valeurs arbitraires de , ,… , doit être indépendante de ces paramètres; cette relation prend ainsi la forme la plus simple:

Généralisation[4][modifier | modifier le code]

Dans l'énoncé de Vaschy, les premières grandeurs doivent être rapportées à des unités fondamentales distinctes. La généralisation consiste simplement à considérer que les premières grandeurs sont dimensionnellement indépendantes, i.e. les dimensions de ces quantités ne peuvent être écrites comme une fonction monôme des dimensions des autres quantités. Par exemple, prenons 4 grandeurs physiques, une densité volumique , une aire , une vitesse et une accélération . Les variables , et sont dimensionnellement indépendantes ; par contre les variables , et ne le sont pas, car .

Origine du nom « Théorème Π »[modifier | modifier le code]

Ce théorème est aussi nommé Théorème Π car il est d'usage en physique d'utiliser la lettre Π pour les variables physiques adimensionnelles qui ne sont pas baptisées comme le sont les nombres de Reynolds, Prandtl ou de Nusselt. C'est ainsi qu'elles sont nommées dans l'article de Buckingham[2].

Exemples d'applications[modifier | modifier le code]

Volume d'une sphère[modifier | modifier le code]

Le volume d'une sphère ne dépend que de son rayon . Il vérifie donc une équation .

En unité SI, les 2 variables sont dimensionnées en et . L'équation a 2 variables et et une seule unité .

D'après le théorème, il existe une fonction telle que , où est une constante sans dimension.

Pour trouver la fonction , il faut trouver un couple tel que . Soit : . On peut prendre

La fonction s'écrit alors . On retrouve que le résultat est une constante sans dimension (dont la valeur est )[a].

Sport[modifier | modifier le code]

L'utilité du théorème de Vaschy-Buckingham en dehors de la physique n'est pas exclue, mais n'a pas été étudiée de façon détaillée. Il a été appliqué en 2020 dans le domaine des sciences du sport[5].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Il en résulte, entre autres, qu’à 5% près, le volume d’une sphère, qu’on travaille en femtomètres ou en années-lumière, est égal à la moitié du cube de son diamètre.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a b et c Aimé Vaschy, « Sur les lois de similitude en physique », Annales Télégraphiques, vol. 19,‎ , p. 25-28.
  2. a et b (en) Edgar Buckingham, « On physically similar systems. Illustrations of the use of dimensional equations », Physical Review, vol. 4, no 4,‎ , p. 345-376.
  3. Joseph Bertrand, « Sur l'homogénéité dans les formules de physique », Comptes rendus, vol. 86, no 15,‎ , p. 916–920 (lire en ligne).
  4. (en) Grigory Isaakovich Barenblatt, Scaling, self-similarity, and intermediate asymptotics : dimensional analysis and intermediate asymptotics, vol. 14, Cambridge University Press, , 408 p. (ISBN 0-521-43516-1).
  5. Julien Blondeau, « The influence of field size, goal size and number of players on the average number of goals scored per game in variants of football and hockey: the Pi-theorem applied to team sports », Journal of Quantitative Analysis in sports,‎ (lire en ligne)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

(en) Tatjana Misic, Marina Najdanovic-Lukic et Ljubisa Nesic, « Dimensional analysis in physics and the Buckingham theorem », European Journal of Physics, vol. 31, no 4,‎ , p. 893-906 (DOI doi:10.1088/0143-0807/31/4/019).