人、老虎之类个子大的生物从高处掉落会摔死,而蚂蚁、蟑螂之类的小动物似乎从多高处掉下来都不会摔死,请问这是为什么?
这个问题很好,我们分两部分解释。
第一部分关乎空气阻力和终止速度。在空气中,自由下落的物体的速度并不会一直增加,当空气阻力等于重力时,物体就匀速下落了。这时候的速度叫作终止速度。一个物体受到的重力大小跟它的体积,也就是线度的立方,成正比,一个物体的空气阻力大致与速度跟截面积(线度的平方)的乘积成正比。如果空气阻力等于重力,我们立即就得到一个结论,终止速度与线度成正比。也就是说,越大的物体终止速度越大。
第二部分关乎标度变换与强度的关系。我们在很多地方都看到过这样的描述:蚂蚁能举起相当于自身体重几十倍的重物,如果蚂蚁像人那么大的话,它就能举起卡车。这个说法其实是不对的,这里错在把标度不变性套用在了不具有这种性质的对象上。如果蚂蚁真的像人那么大,它唯一的命运就是几根纤细的腿被自身体重压得站都站不起来。
这里的原因和上面提到的原理相似。因为重力与线度的立方成正比,而支撑你身体的骨骼的强度只正比于骨骼的截面积,也就是线度的平方;你的运动能力只正比于肌肉的横截面积,也是线度的平方。这导致的后果就是:结构相同的情况下,动物越大越脆弱,越容易受伤。
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