读书破万卷,外太空相见

作者: Shiny & Tom

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-02-29 14:22:33

本文介绍了通过堆叠书本进行的有趣实验,探讨了书本堆叠问题(Book Stacking Problem)及其物理原理,展示了通过科学实验可以发现知识与实践的紧密联系。

正经玩每周六会推送一个好玩的科学实验,希望能给您带来乐趣,知识与陪伴。向我们分享你的实验视频,还有机会领取小礼品哦!俗话说的好,读万卷书,行万里路。不过最近小编发现,万卷书与万里路是相辅相成的!只要书读的多,通天大道都能给你整出来!实验器材包括所标杯、朗道十卷、扑克牌。实验过程是将书平放在桌子上,缓缓拉动书的前端,使其悬空的部分尽量的多。

可以看到悬空的距离在不断地增加,当积累到一定数量时,最上面的书整体已经超过桌子的边缘了。三张扑克牌的重量就能打破平衡,你最多能悬空多远呢?原理解说:看到这个小实验最容易想到的问题是,如果我有n本书,这些书最多可以伸出去多远?这一问题被称为"Book Stacking Problem",为了研究这个问题,我们先假设所有的书是相同的,且长度为L。

首先,我们知道,当物体的重心在竖直方向的投影落在支撑面内或者支撑点上时,物体处于平衡状态。然后,我们采取递推的策略,如上图,先考虑只有一本书的情况,由于书的重心(图中红色点)位于书的几何中心,因此,一本书最长可以伸出L/2。再考虑两本书的情况,如上图,先单独考虑第一层,依据前面的讨论,它最多可以伸出L/2。加上第二层后,重心从黄色点向左偏移到红色点。由质心公式可知,重心水平方向偏移了L/4。

因此,整体还可以向右再伸出L/4,故两本书最大可以伸出L/2+L/4=3L/4。现在考虑n本书的情况,如上图,设n本书最大伸出量为Sn,仿照前面的思路,前n-1本书的最大伸出量为Sn-1。第n本书加入后,整体的重心向左偏移了:这是整体可以继续向右伸出的量。因而,我们可以得到Sn的递推关系及其表达式:当n趋于无穷时,这是一个调和级数,它是发散的。

这个结果意味着,只要你读的书足够多,按照推理,就可以把书堆到任何你想去的地方。这也许就是“读万卷书,行万里路”的又一层含义吧。

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