如果把一個完美的球體放在平坦的地面上,它與地面的接觸面積是接近於零嗎?

用戶6026559344


建議你先研究一下點的面積是多大。

數學上說點的面積是0,但生活中你找不到面積為0的點,你用筆在紙上點一下,明顯是用了墨水的,面積當然不可能為0。

一個球放在平面上和用很細的筆在紙上點一下是一個效果。

你要問完美的球體,生活中哪有完美的球體?按照數學的理論,完美的球體和完美的平面之間的接觸面積為0。接觸面為0實際上是沒有接觸,那你說球體和平面到底接觸了還是沒接觸?

還有,完美的球體和完美的平面之間的摩擦力必須為0,否則輕輕摩擦一下就不完美了。摩擦力為0的球會在平面上無限滾動下去,不會停止。你覺得找得到這樣的球體和這樣的平面嗎?


夢棋998


理想上來說,是這樣的。不過,這樣的理想存在於數學之中,在物理學和化學角度看,不可能。

1.實驗驗證

如果解除面積是趨近於0的話,那麼我們可以人為製造一個趨近於0的接觸面。

那就是讓球立於針尖。

可是從實際操作上,你會發現,無論實驗多少次,鋼球都無法立於針尖。

2.球體如何立於平坦地面?

兩者的接觸產生了形變。

一個原子無法支撐球體的重量,球能立於地面,是因為二者都產生了輕微的形變。

原子之間通過化學鍵或者範德華力相互連接,平面撐起球體,就是因為二者的形變,使得接觸面積不為0,原子之間的化學鍵力或者範德華力一起,支撐了球面。

3.剛體

現實中不存在剛體,剛體是一種理想情況。現實裡不存在剛體,剛體不發生形變,硬度趨近於無限大,只會破碎,不會形變。

(電腦模擬剛體和柔體落地後的慢動作)

在《三體》中,水滴就是一種剛體材料,受到外力不產生形變。

從物理學上看,這種材料叫強相互作用材料,目前的科技下無法生產。


不入流的大劉


這要看你是從數學角度討論還是物理角度討論了。

如果是數學角度,一個完美的球體,放到一個完美的平面上,那麼接觸面就是一個點,而一個點有面積嗎?無窮小。(注意:這裡的“完美”也就是剛體的意思,球和平面都不發生形變)

如果從物理角度,那就很簡單了,因為世界上沒有絕對剛體存在,所以球和地面都會形變,一旦形變,那麼接觸面就是一個圓面,自然有面積。

如果不形變,你就會發現,接觸面的壓強會趨向於無窮大,這是不切實際的。

實際生活中,數學世界和物理世界的區別也有體現,比如下面這個:

托里拆利小號

我們將y=1/x的圖像,取x≥1部分,繞x軸轉一圈,就變成了下圖模樣(形狀類似於一個小號)

我們來算一下它的容積和內表面積(如下):

結果就有意思了,它的容積是個定值π,但是內表面積卻是無窮大。

換句話說,如果給它裡面上一層漆,因為表面積無窮,所以永遠也抹不滿;而如果將油漆直接倒進去,由於容積是定值,所以很快就滿了。

但以上的結論均是數學世界得出的,實際上這個小號我們根本連造都造不出。

期待您的點評和關注哦!


賽先生科普


答:從數學角度看,接觸位置是一個點,面積為零;從物理角度看,單個原子無法支撐起整個球體重量,所以接觸點存在形變,接觸面積不為零。


完美球體放在平坦的地面上,理論上接觸位置是一個點,但這只是對於理想剛體而言,實際當中不存在理想剛體,於是分為兩種情況。

數學上

在數學上,不考慮受力情況和物質的微觀組成,一個完美圓和直線相切,切點是一個面積為零的點,切點和圓心連線垂直於切線。


物理上

在物理上,根據受力情況和物質的微觀組成,可以分析出接觸面的大小;因為實際當中不存在理想剛體,所以地面要支撐起整個球體的重量,就需要通過形變來產生應力,形變大小和物質的性質有關。

物質由原子組成,原子通過化學鍵或者範德華力相互連接起來,單個原子間的力量是存在極限的,一個平面要支撐起一個球體,肯定會在微觀層面產生形變,使多個原子的相互作用支撐起整個球體,從而達到平衡。


強相互作用材料

從本質上說,物質的這種形變,均是庫侖力發揮作用,而強力是庫侖力強度的100倍,在劉慈欣的小說《三體》中,就描述了一種強相互作用材料製成的“水滴”,具有幾乎無限大的彈性模量,受到外力時幾乎不產生形變。

強相互作用材料是否真的存在,目前還不得而知,但是對於人類能製造的材料,製成球體後壓在平面上,球體和平面必定會產生形變,接觸面積肯定不為零。

另外一位答友“王小胖老師”,定量計算了直徑2米的鐵球,彈性模量為200GPa,放在鐵板上的接觸面積,大家可以去看看,作為參考。


我的內容就到這裡,喜歡我們文章的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


數學上,球體與平面相切,只有一個點。不過,真如題主所問,實際中球體與面接觸的面積不等於零,具體是多大,主要看兩者的材料屬性。下面,我以算例的形式,來解答這個問題。


1、基本原理

實際生活中,任何物體都是變形體,即物體在外載作用下都會發生或大或小的變形。完全不發生變形的稱之為剛體,不過這個世界上絕對剛體不存在。

對於材料的變形能力,力學上有一個物理量來衡量——彈性模量。這個物理量基本上就可以反應出材料的“軟硬”。彈性模量越大,材料越不容易變形。


2、算例分析

以鐵球接觸鐵板為例,鐵這種材料相對來說是比較“硬”的,其彈性模量200GPa。我們來看下在自重的作用下,接觸面積有多大?鐵球直徑2m。

上圖是位移結果,從位移上來看,鐵球的變形幾乎為零,鐵板在接觸處有變形。放大後下圖。對於兩者來說,變形都非常小。

通過目測,接觸大約是鐵球上網格的一半,即1.3e-2m,面積為5.3e-4平米。這個面積大約是2個手指那麼粗。顯然,這個面積不能近似為零。

3、總結

物體受力會發生變形,變形量的大小除了與外載有關,還與材料的屬性有關。彈性模量越大,變形量就越小,兩者接觸的面積也就越小。通過鐵球的算例,我們發現半徑1m的鐵球靠重力放置於鐵板上,其接觸面積越是2個手指那麼大。


如果鐵球更大,重量更重,那麼接觸面積也會更大。此外,如果鐵球換成其他“軟”的材料,鐵板不變,那麼接觸面積也會更大。如下圖,球彈性模量取2GPa,是鐵球的1/100。對比上下兩圖,顯然下圖接觸面積更大了。


雖然,這個算例在仿真裡面算簡單的,但是由於非線性接觸,非常容易出現不收斂的情況,這時候就得不斷地修改模型,直至能夠計算處結果。所以,這麼一篇小回答,花了我2個小時。


力學Nerd王小胖


0>1



張成東專欄


問題可以分兩類,一是數學,球體與平面的接觸只能是一點,點在數學中的定義是面積為零,只有位置(座標)。但是,現實是物理,物體與物體接觸是力與反作用力的關係,只要有力的存在,按照彈性(或彈塑性)力學,球體與平面必將產生變形,因球體的剛度與平面的剛度以及球體的重量,決定了變形之多少而決定了接觸面積的大小了,一般來說剛度(彈性係數)愈大,則接觸面對就愈小,例如,鐵球放在玻璃面上,接觸面較小,放在床上,接觸面較大,因為床面輕柔而玻璃剛度大,但是乒乓球放在床上,也很少有變形,接觸面也不會太大,乒乓球太輕了。


高友峰1


一個完美的球體放在一個絕對平坦的地面上,理論上來說,它們之間的接觸面是一個點,面積無窮小。嚴格來講,點沒有面積概念,因此不能說他們之間的接觸面積幾乎為0。

如果一個完美的球體放在並不是絕對平坦的地面上,它們的接觸面積可以認為幾乎為0。

事實上,在現實世界中,兩個物體的接觸面積永遠不可能為0。在重力的作用下,球體會對地面產生壓力,根據P=F/S,若面積無窮小,壓強就變成無窮大了。

從微觀角度來看,世界上的一切都是由粒子構成的,都是凹凸不平的,只是在宏觀世界中看起來近似光滑。就算沒有重力,一個球體與地面接觸,在電磁力的作用下,接觸面也會產生形變。從原子級別來看,兩個物體也根本不存在真正的接觸。

由此可見,現實世界中並不存在這樣完美的物體,任何物體都存在形變,理想中的剛體是不存在的。沒有完美的球體,也沒有絕對平坦的的地面,它們只存在於數學世界中。


科學探索菌


純數學問題,結論卻不可思議。

本題討論完美的球體在完美平面之上相切的關係。不急,慢慢來。

思想實驗一:完美的球體,將它轉換為厚度極小的空氣球,題意不變,因為完美平面表面厚度極小,因此只考慮表面接觸問題。

思想實驗二:只考慮表面接觸,表面厚度極少,將它轉換為厚度為零,而組成表面的點面積不變,題意不變。

思想實驗三:將完美的球體與完美平面相距一定距離,那麼,兩者的接觸面積為零。

思想實驗四:將完美的球體與完美平面慢慢靠近而不接觸,那麼,兩者的接觸面積為零。

思想實驗五:將完美的球體與完美平面無限靠近而不接觸,那麼,兩者的接觸面積為零。

思想實驗六:將完美的球體與完美平面剛剛開始接觸,那麼,兩者的接觸面積為零。因為,接觸只是一個點,那個點只有一個——完美的結果,而且面積依然為零——點面積為零。

思想實驗七:將完美的球體與完美平面剛剛進一步接觸並相互穿越,這時,接觸的是一個圓,那個圓由一個個點組成——完美的結果,那一個個點與剛開始的點並無不間,接觸的那個圓由零面積點組成,接觸面積依然為零。

兩個思考題:一個點面積為零,一個圓周,圓周線面積為零,更小一些的圓周線面積也為零,憑什麼一個圓,面積不為零?接觸面積如何從零變成非零的?


stemmer


時空起源之初是智慧,智慧即光,光即零,零就是光的狀態,即無,即無限小,卻有波動性;無限小卻有無限大波動,所以是零,-∞/+∞,絕對的零。

智慧的運轉,也就是光的全息投影,會成像,體現為光的邏輯封閉,也就是一維,即直線,也就是時間,無限大的圓周循環。因為光和它成像之間的相差,所以有了一維的空間,空間的維度就是光。

空間與智慧的耦合,產生生命意識,即信息。信息的產生,呈現與空間的同步線性,即表達為空間裡的光是直線的。

空間裡的光的空間同步性,產生了空間裡的光以空間點為原點的放射性,支撐起了信息空間感,也就是人類的空間感覺。所以人類的空間感是空間點的光信息感。

人類感受到的是信息光,智慧的光是帶來信息的奇點。信息光是直線的,智慧光是無有同在,波粒二象性的。

人類總感覺空間是直線的,而事實是,世界上所有的事物幾乎都是圓或者循環。人類用直覺支撐起來的科學,撞到了智慧的圓上,發生了匪夷所思的難解之謎。

光始終在支持人類的生命和世界,也在啟迪人類進一步認識自己。

心無所住,而生其心。

李文冠/2019.10.3 00:11


分享到:


相關文章: