人类普遍对蜘蛛这一类的‘节肢动物’多少有些恐惧 , 尤其是想象一下"蜘蛛放大一百倍"的场景,简直不要太恐怖 。
直到我学习了一个科学原理,从此无忧 。
因为我知道 , 放大一百倍的蜘蛛 , 根本不可能存在,因为它必定会被自身的重量压倒!
【自然哲学的数学原理遵循的是标准】这个科学原理,就是今天要与大家分享的——“标度律”(Scaling Law) 。
标度律:一种本质性的思维方式
标度律不仅是一个科学定律 , 更是一种本质性的思维方式 。
下面咱们就以“蜘蛛放大”的案例来快速计算一下 。
假把蜘蛛等比例放大为原来的倍,那么它的"体积"与“体重”就会变为原来的倍;另一方面,腿的“横截面积”与“最大承重”会变为原来的倍 。
也就是说,“体重”比“腿的最大承重”增长得快,总会支撑不?。淹妊拐?。
你现在可以理解了,为什么大象的腰和腿在比例上那么粗 , 而蚂蚁那么细了吧 。
文章插图
动物不能按比例线性缩放
因为体积和重量是三维量 , 而横截面积是二维量 。
这种朴素快捷的分析思路,就是典型的“标度思路” 。
在所有科学中,均可以使用这种方法来分析问题,是一种最简捷的数学建模方法,将所有非本质性的因素统统忽略,因此也被称为“零阶模型” 。
典型应用:大轮船更省燃料?
咱们用同样的思路,来分析另一个问题吧:
运送同一批货物,是用一支大货轮节省燃料,还是用多支小货轮节省燃料呢?
文章插图
这个问题与前面如出一辙 。
假如把轮船放大为原来的倍 , 那么它的"体积"与“载重”就会变为原来的倍;另一方面,船的“横截面积”与“水的阻力”会变为原来的倍;而燃料的消耗主要取决于水的阻力 。
设轮船长度为
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