读书破万卷,外太空相见 | 正经玩
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实验器材
所标杯、朗道十卷、扑克牌
实验过程
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
如图是一本书的情况
两本书的情况
三本书的情况
可以看到悬空的距离
在不断地增加
当积累到一定数量时
你还能三张牌秒了我?
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。证明的方法是,
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~
NO.192 我小旋风又回来了! | 正经玩
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