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Dimension (Größensystem)

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In einemGrößensystem drückt dieDimension einerphysikalischen Größe deren qualitative Eigenschaften aus. Im dazugehörigenEinheitensystem entspricht jeder Dimension einekohärente Einheit. Diese dient zum Ausdruck der Eigenschaften aller Größen der zugehörigen Dimension. Den Dimensionen vonBasisgrößen entsprechen also dieBasiseinheiten. Da es für jede Dimension eine zugehörige kohärente Einheit gibt, könnte man eine Dimension als Einheitenart oder -klasse betrachten.

Dimension einer Basisgröße

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Physikalische
Größe
DimensionKohärente
Einheit
Längel{\displaystyle l}, Wegs{\displaystyle s}LängeLMeter (m)

Jeder Basisgröße wird eine Dimension mit demselben Namen zugeordnet. Beispielsweise heißt iminternationalen Größensystem (ISQ) die Dimension der BasisgrößeLänge ebenfallsLänge. Eine Größe wird mit einem kursiv geschriebenen Buchstaben (Größensymbol) symbolisiert – im Falle der Länge mit „l{\displaystyle l}“. Das Symbol einer Dimension hingegen ist ein aufrecht stehender,serifenlos geschriebener Großbuchstabe – im Falle der Länge „L“. Die entsprechende kohärente Einheit der Dimension Länge ist derMeter.

Die folgende Tabelle zeigt die Dimensionen der sieben Basisgrößen des internationalen Größensystems sowie die entsprechenden Basiseinheiten des zugehörigeninternationalen Einheitensystems (SI) gemäß der 9. Auflage der sog.SI-Broschüre.[1]

Basisgröße und
Dimensionsname
Größen-
symbol
Dimensions-
symbol
BasiseinheitEinheiten-
zeichen
Zeitt{\displaystyle t}TSekundes
Längel{\displaystyle l}LMeterm
Massem{\displaystyle m}MKilogrammkg
elektr. StromstärkeI{\displaystyle I}IAmpereA
Thermodynamische
Temperatur
T{\displaystyle T}ΘKelvinK
Stoffmenge
(Substanzmenge)
n{\displaystyle n}NMolmol
LichtstärkeIv{\displaystyle I_{\mathrm {v} }}JCandelacd

Die Auswahl der Basisgrößen ist eine Frage der Konvention. So wurde z. B. imtechnischen Maßsystem (in Deutschland seit 1978 nicht mehr zulässig) an Stelle der Masse die Kraft als Dimension genutzt;[2]im Fall vonPlanck-Einheiten ersetzt dieelektrische Ladung die Stromstärke als Basisgröße.

Die Anzahl der Basisgrößen bestimmt denGrad des Größensystems und dieDimensionalität des Einheitensystems. Das ISQ ist demnach einGrößensystem siebten Grades und das zugehörige SI einsieben-dimensionales Einheitensystem.

Dimension einer abgeleiteten Größe

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dimQ = Xα· Yβ· Zγ
Angabe der Dimension einer beliebigen GrößeQ in einem Größensystem dritten Grades (mit drei Basisgrößen der Dimensionen X, Y und Z).

Die Dimension einer abgeleiteten Größe drückt den Bezug ihrer kohärenten Einheit zu den Basiseinheiten als Produkt von Potenzen (Potenzprodukt) aus. Jede Potenz besteht aus einer Basis und einem Exponenten. Die Basis ist die Dimension einer Basisgröße. Der Exponent heißtDimensionsexponent dieser Basisgröße. Beispielsweise wird die Dimension einer Geschwindigkeit (Strecke pro Zeitintervall) alsL1·T−1 aus denen der Basisgrößen Länge und Zeit zusammengesetzt. Die alsα,β,γ usw. bezeichneten Dimensionsexponenten können jeweils Null, sowie eine positive oder negative Zahl eines kleinen Betrages (im Allgemeinen ≤ 4) annehmen. Neben ganzzahligen Exponenten sind in einigen Größensystemen auch nicht-ganzzahlige Brüche – oft in Schritten zu12 – üblich.

Im internationalen Größensystem wird die Dimension einer beliebigen GrößeQ durch folgende Dimensionsgleichung angegeben:

dimQTα·Lβ·Mγ· Iδ·Θε·Nζ·Jη

Entsprechend kann die kohärente Einheit derselben GrößeQ im internationalen Einheitensystem durch folgendeEinheitengleichung angegeben werden:

[Q] = sα· mβ· kgγ· Aδ· Kε· molζ· cdη

Verschiedene Größen derselben kohärenten Einheit haben auch dieselbe Dimension. Manchmal lassen sich unter diesen Größen auch verschiedeneGrößenarten unterscheiden. Beispielsweise haben die GrößenDurchmesser,Wellenlänge undNiederschlagsmenge alle dieselbe kohärente SI-Einheit – nämlich den Meter – die Basiseinheit der Länge. Daher haben sie auch dieselbe Dimension, und zwar die Länge, mit dem Symbol „L“. Im Allgemeinen werden Durchmesser und Wellenlänge zur selben Größenart gezählt, nicht aber die Niederschlagsmenge. Klare Definitionen zur Abgrenzung verschiedener Größenarten existieren jedoch nicht. Aus dieser Sichtweise ergibt sich, dass Größen derselben Dimension nicht unbedingt derselben Größenart angehören müssen. Umgekehrt haben Größen derselben Größenart immer dieselbe Dimension. Größen unterschiedlicher Dimension können daher niemals zur gleichen Größenart gezählt werden.

Auch abgeleitete Größen können die Dimension einer Basisgröße haben.

Weitere Größen, deren Dimensionsexponenten alle gleich null sind, nennt manGrößen der Dimension Zahl.[3][4] Solche Größen können ohne Einheit als reine Zahlen angegeben werden, aber zwecks Anschaulichkeit werden hier häufig sogenannteHilfseinheiten verwendet. Auch in zusammengesetzten Einheiten empfiehlt es sich manchmal im Interesse der Deutlichkeit, statt der Einheit 1 spezielle Einheiten mitzuführen, wie beispielsweise rad/s (Radiant pro Sekunde) statt s−1 für eineWinkelgeschwindigkeit.

Siehe auch

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Literatur

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  • Alfred Böge (Hrsg.):Handbuch Maschinenbau. Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik. 20., überarbeitete und aktualisierte Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2011,ISBN 978-3-8348-1025-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  • Martin Klein (Begründer) Peter Kiehl (Bearbeiter) u. a.:Einführung in die DIN-Normen. 13., neubearbeitete und erweiterte Auflage. B. G. Teubner Verlag u. a., Stuttgart u. a. 2001,ISBN 3-519-26301-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 

Einzelnachweise

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  1. Le Système international d’unités, 9e édition, 2019, die sogenannte „SI-Broschüre“,BIPM (engl., frz.)
  2. Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel:Physik für Ingenieure. Springer, 2003,ISBN 3-519-46501-9,S. 690 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  3. DIN EN ISO 80000-1:2013,Größen und Einheiten – Allgemeines, Kap. 5.
  4. DIN EN ISO 80000-11:2013,Größen und Einheiten – Kenngrößen der Dimension Zahl.
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