Dimensions of Physical Quantities

What are dimensions? 
Rules/Characteristics of Dimensions.
Dimensions of Base Quantities. 
Dimensions of Derived Quantities.
Dimensional Correction of Equations.


DIMENSIONS

DIMENSIONS

Definition
"Dimensions denote/define the nature of a physical quantity by relating it to the fundamental quantities like mass, length and time which are denoted by M. L and T respectively."


CHARACTERISTICS OF DIMENSIONS

  • Numerical quantities have no dimensions. 
  • Quantities that are expressed as the ratio of two quantities having similar units have dimensionless.
  • The dimensions of a quantity will be the same in all systems of unit.
  • Two Physical quantities having different dimensions cannot be added or subtracted.

Dimensions of Base Quantities

  • Length                              [L]
  • Mass                                 [M]
  • Time                                 [T]
  • Temperature                     [K]        
  • Amount of Substance      [n]                 
  • Electric Current               [A]   
  • Luminous Intensity          [J]   

Dimensions of Derived Quantities

SPEED/VELOCITY

                    `\Rightarrow` `v=` `\frac(d)(t)` 

                    `\Rightarrow` `v=` `\frac([L])([T])` 

                    `\Rightarrow` `v=` [`LT^-1`] 

                     `\Rightarrow` `v=` [`M^0LT^-1`]

ACCELERATION

                    `\Rightarrow` `a=\frac vt` 

                    `\Rightarrow` `a=\frac{\left[LT^{-1}\right]}{\left[T\right]}` 

                    `\Rightarrow` `a=[LT^{-1}T^{-1}]` 

                    `\Rightarrow``a=[LT^{-2}]`

                    `\Rightarrow` `a=[M^0LT^{-2}]`

FORCE

                    `\Rightarrow` `F=ma`

                    `\Rightarrow` `F=\left[M\right]\left[LT^{-2}\right]`

                    `\Rightarrow` `F=\left[MLT^{-2}\right]`

WORK

                    `\Rightarrow` `W=Fd`

                    `\Rightarrow` `W=\left[MLT^{-2}\right]\left[L\right]`

                    `\Rightarrow` `W=\left[ML^2T^{-2}\right]`

POWER

                    `\Rightarrow` `P=\frac Wt`

                    `\Rightarrow` `P=\frac{\left[ML^2T^{-2}\right]}{\left[T\right]}`

                    `\Rightarrow` `P=\left[ML^2T^{-2}\right]\left[T^{-1}\right]`

                    `\Rightarrow` `P=\left[ML^2T^{-3}\right]`

AREA

                    `\Rightarrow` `A=L\times W`

                    `\Rightarrow` `A=\left[L\right]\left[L\right]`

                    `\Rightarrow` `A=\left[L^2\right]`

                    `\Rightarrow` `A=\left[M^0L^2T^0\right]`

VOLUME

                   `\Rightarrow` `V=l\times w\times h`

                   `\Rightarrow` `V=\left[L\right]\left[L\right]\left[L\right]`

                   `\Rightarrow` `V=\left[L^3\right]`

                   `\Rightarrow` `V=\left[M^0L^3T^0\right]`

PRESSURE

                    `\Rightarrow` `P=\frac FA`

                    `\Rightarrow` `P=\frac{\left[MLT^{-2}\right]}{\left[L^2\right]}`

                    `\Rightarrow` `P=\left[MLT^{-2}\right]\left[L^{-2}\right]`

                    `\Rightarrow` `P=\left[ML^{-1}T^{-2}\right]`

SURFACE TENSION

                   `\Rightarrow` `T=\frac FL`

                   `\Rightarrow` `T=\frac{\left[MLT^{-2}\right]}{\left[L\right]}`

                   `\Rightarrow` `T=\left[MT^{-2}\right]`

                   `\Rightarrow` `T=\left[ML^0T^{-2}\right]`

MOMENTUM

                   `\Rightarrow` `P=mv`

                   `\Rightarrow` `P=\left[M\right]\left[LT^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `P=\left[MLT^{-1}\right]`

TORQUE

                   `\Rightarrow` `\tau=F\times r`

                   `\Rightarrow` `\tau=\left[MLT^{-2}\right]\left[L\right]`

                   `\Rightarrow` `\tau=\left[ML^2T^{-2}\right]`

FREQUENCY

                   `\Rightarrow` `f=\frac1T`

                   `\Rightarrow` `f=\frac1{\left[T\right]}`

                   `\Rightarrow` `f=\left[T^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `f=\left[M^0L^0T^{-1}\right]`

STRESS

                   `\Rightarrow` `S=\frac FA`

                   `\Rightarrow` `S=\frac{\left[MLT^{-2}\right]}{\left[L^2\right]}`

                   `\Rightarrow` `S=\frac{\left[MT^{-2}\right]}{\left[L^1\right]}`

                   `\Rightarrow` `S=\left[MT^{-2}\right]\left[L^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `S=\left[ML^{-1}T^{-2}\right]`

STRAIN

                   `\Rightarrow` `\sigma=\frac{\triangle L}L`

                   `\Rightarrow` `\sigma=\frac{\left[L\right]}{\left[L\right]}`

                   `\Rightarrow` `\sigma=\left[L^0\right]`

                   `\Rightarrow` `\sigma=\left[M^0L^0T^0\right]`     (Dimensionless)

DENSITY

                   `\Rightarrow` `\rho=\frac mV`

                   `\Rightarrow` `\rho=\frac{\left[M\right]}{\left[L^3\right]}`

                   `\Rightarrow` `\rho=\left[M\right]\left[L^{-2}\right]`

                   `\Rightarrow` `\rho=\left[ML^{-2}T^0\right]`

LINEAR DENSITY 

                   `\Rightarrow` `\mu=\frac ml`

                   `\Rightarrow` `\mu=\frac{\left[M\right]}{\left[L\right]}`

                   `\Rightarrow` `\mu=\left[M\right]\left[L^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `\mu=\left[ML^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `\mu=\left[ML^{-1}T^0\right]`

SPRING CONSTANT

                   `\Rightarrow` `K=\frac Fx`

                   `\Rightarrow` `K=\frac{\left[MLT^{-2}\right]}{\left[L\right]}`

                   `\Rightarrow` `K=\left[MT^{-2}\right]`

                   `\Rightarrow` `K=\left[ML^0T^{-2}\right]`

ANGULAR DISPLACEMENT

                   `\Rightarrow` `\theta=\frac sr`

                   `\Rightarrow` `\theta=\frac{\left[L\right]}{\left[L\right]}`

                   `\Rightarrow` `\theta=\left[L^0\right]`

                   `\Rightarrow` `\theta=\left[M^0L^0T^0\right]`     (Dimensionless)

ANGULAR VELOCITY

                   `\Rightarrow` `\omega=\frac\theta t`

                   `\Rightarrow` `\omega=\frac1{\left[T\right]}`

                   `\Rightarrow` `\omega=\left[T^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `\omega=\left[M^0L^0T^{-1}\right]`

ANGULAR  ACCELERATION

                   `\Rightarrow` `a=\frac\omega t`

                   `\Rightarrow` `a=\frac{\left[T^{-1}\right]}{\left[T\right]}`

                   `\Rightarrow` `a=\left[T^{-1}\right]\left[T^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `a=\left[T^{-2}\right]`

                   `\Rightarrow` `a=\left[M^0L^0T^{-2}\right]`

ANGULAR  MOMENTUM

                   `\Rightarrow` `L=mvr`

                   `\Rightarrow` `L=\left[M\right]\left[LT^{-1}\right]\left[L\right]`

                   `\Rightarrow` `L=\left[ML^2T^{-1}\right]`

KINETIC ENERGY

                   `\Rightarrow` `K.E=\frac12mv^2`

                   `\Rightarrow` `K.E=\left[M\right]\left[LT^{-1}\right]^2`

                   `\Rightarrow` `K.E=\left[M\right]\left[L^2T^{-2}\right]`

                   `\Rightarrow` `K.E=\left[ML^2T^{-2}\right]`

POTENTIAL ENERGY

                   `\Rightarrow` `P.E=mgh`

                   `\Rightarrow` `P.E=\left[M\right]\left[LT^{-2}\right]\left[L\right]`

                   `\Rightarrow` `P.E=\left[ML^2T^{-2}\right]`

PLANK'S CONSTANT

                   `\Rightarrow` `h=\frac Ef`

                   `\Rightarrow` `h=\frac{\left[ML^2T^{-2}\right]}{\left[T^{-1}\right]}`

                   `\Rightarrow` `h=\left[ML^2T^{-1}\right]`

GRAVITATIONAL CONSTANT

                   `\Rightarrow` `G=\frac{Fr^2}{m_1m_2}`

                   `\Rightarrow` `G=\frac{\left[MLT^{-2}\right]\left[L^2\right]}{\left[M\right]\left[M\right]}`

                   `\Rightarrow` `G=\frac{\left[LT^{-2}\right]\left[L^2\right]}{\left[M\right]}`

                   `\Rightarrow` `G=\left[L^3T^{-2}\right]\left[M^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `G=\left[M^{-1}L^3T^{-2}\right]`

SPECIFIC HEAT CAPACITY

                   `\Rightarrow` `C=\frac Q{m\triangle T}`

                   `\Rightarrow` `C=\frac{\left[ML^2T^{-2}\right]}{\left[M\right]\left[K\right]}`

                   `\Rightarrow` `C=\frac{\left[L^2T^{-2}\right]}{\left[K\right]}`

                   `\Rightarrow` `C=\left[L^2T^{-2}\right]\left[K^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `C=\left[M^0L^2T^{-2}K^{-1}\right]`

LATENT HEAT

                   `\Rightarrow` `L=\frac Qm`

                   `\Rightarrow` `L=\frac{\left[ML^2T^{-2}\right]}{\left[M\right]}`

                   `\Rightarrow` `L=\left[L^2T^{-2}\right]`

                   `\Rightarrow` `L=\left[M^0L^2T^{-2}\right]`

ENTROPY

                   `\Rightarrow` `S=\frac{\triangle Q}{\triangle T}`

                   `\Rightarrow` `S=\frac{\left[ML^2T^{-2}\right]}{\left[K\right]}`

                   `\Rightarrow` `S=\left[ML^2T^{-2}\right]\left[K^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `S=\left[ML^2T^{-2}K^{-1}\right]`

BOLTZMANN CONSTANT

                   `\Rightarrow` `K_B=\frac{PV}{T}`

                   `\Rightarrow` `K_B=\frac{\left[ML^{-1}T^{-2}\right]\left[L^3\right]}{\left[K\right]}`

                   `\Rightarrow` `K_B=\left[ML^{-2}T^{-2}\right]\left[K^{-1}\right]`

                   `\Rightarrow` `K_B=\left[ML^{-2}T^{-2}K^{-1}\right]`

Dimensional Correction of Equations.

(i)    `v_f=v_i+at`

where:     `v_f=` Final Velocity     `v_i=` Initial Velocity     `a=` Acceleration     `t=` Time

                   `\left[LT^{-1}\right]=\left[LT^{-1}\right]+\left[LT^{-2}\right]\left[T\right]`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\left[LT^{-1}\right]+\left[LT^{-1}\right]`

                   `\left[LT^{-1}\right]=2\left[LT^{-1}\right]`

By neglecting `2`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\left[LT^{-1}\right]`        (Dimensionally Correct)

(ii)    `S=v_it+\frac(1)(2)at^2`

where:     `S=` Distance     `v_i=` Initial Velocity     `a=` Acceleration     `t=` Time

                   `\left[L\right]=\left[LT^{-1}\right]\left[T\right]+\frac(1)(2)\left[LT^{-2}\right]\left[T^2\right]`

                   `\left[L\right]=\left[L\right]+\frac(1)(2)\left[L\right]`

                   `\left[L\right]=\frac(3)(2)\left[L\right]`

By neglecting `\frac(3)(2)`

                   `\left[L\right]=\left[L\right]`        (Dimensionally Correct)

(iii)    `v_f^2=2aS-v_i^2`

where:     `S=` Distance     `v_i=` Initial Velocity     `a=` Acceleration     `t=` Time    `v_f=` Final Velocity     

                   `\left[LT^{-1}\right]^2=2\left[LT^{-2}\right][L]+\left[LT^{-1}\right]^2`

                   `\left[L^2T^{-2}\right]=2\left[L^2T^{-2}\right]+\left[L^2T^{-2}\right]`

                   `\left[L^2T^{-2}\right]=3\left[L^2T^{-2}\right]`

By neglecting `3`

                   `\left[L^2T^{-2}\right]=\left[L^2T^{-2}\right]`        (Dimensionally Correct)

(iv)    `v=\sqrt{\frac{2GM}R}`

Where: `M=` mass of Earth        `G=` Gravitational constant     `v=` velocity     `R=` Radius of Earth

                   `\left[LT^{-1}\right]=\sqrt{\frac{\left[M^{-1}L^3T^{-2}\right]\left[M\right]}{\left[L\right]}}`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\sqrt{\left[L^2T^{-2}\right]}`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\left[LT^{-1}\right]`        (Dimensionally Correct)

(v)    `T=2\pi\sqrt{\frac (l)(g)}`

Where:     `T=` Time      `l=` lenght      `g=` gravitaional acceleration

                   `\left[T\right]=\sqrt{\frac{\left[L\right]}{\left[LT^{-2}\right]}}`

                   `\left[T\right]=\sqrt{\frac1{\left[T^{-2}\right]}}`

                   `\left[T\right]=\sqrt{\left[T^2\right]}`

                   `\left[T\right]=\left[T\right]`        (Dimensionally Correct)

(vi)    `v=\sqrt{\frac F\mu}`

Where:     `v=` velocity     `F=` Force     `\mu=` linear density

                   `\left[LT^{-1}\right]=\sqrt{\frac{\left[MLT^{-2}\right]}{\left[ML^{-1}\right]}}`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\sqrt{\frac{\left[LT^{-2}\right]}{\left[L^{-1}\right]}}`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\sqrt{\left[L\right]\left[LT^{-2}\right]}`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\sqrt{\left[L^2T^{-2}\right]}`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\left[LT^{-1}\right]`        (Dimensionally Correct)

(vii)    `T=2\pi\sqrt{\frac{m}{K}}`

Where:     `T=` Time     `m=` Mass     `K=`Spring constant

                   `[T]=\sqrt{\frac{\left[M\right]}{\left[MT^{-2}\right]}}`

                   `\left[T\right]=\sqrt{\frac1{\left[T^{-2}\right]}}`

                   `\left[T\right]=\sqrt{\left[T^2\right]}`

                   `\left[T\right]=\left[T\right]`        (Dimensionally Correct)

(viii)    `v=F\lambda`

Where:     `v=` Velocity     `f=` Frequency     `\lambda=` Wave length 

                   `\left[LT^{-1}\right]=\left[\frac1T\right]\left[L\right]`

                   `\left[LT^{-1}\right]=\left[LT^{-1}\right]`        (Dimensionally Correct)

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