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?

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兄嘚,你問出了我上學的時候一直想問又不敢問的問題,因為問了被人笑。

首先,題設需要增加一個條件:絕對平坦的地面和完美球體必須是絕對的剛體,因為任務物體都會在外在力作用下發生形變,不發生形變的物體叫剛體,已知自然界物質不存在絕對剛體。

然後我們才能去算是否無限接近於零。如果是接觸面無限接近於零,那麼兩者之間只要有一點很小的作用力,那個接觸點壓強都接近無限大。坐等高人來算了。


不要覺得我帥就不敢打


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。

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賽先生科普


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張成東專欄


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。


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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


這個問題的答案要成立,必須滿足三個基本的假設:

  1. 球體和地面是剛體
  2. 球體和地面絕對光滑
  3. 球體和地面曲率處處相等
這什麼意思?簡單說就是要求球體和地面受擠壓不變形,相互之間不存在摩擦力,球體是完美的球體,地面是絕對地平坦。

下面展開來說

首先是球體和地面是剛體,試想它們如果一方因為相互擠壓而產生形變,比如球體因為重量巨大,使得地面下陷,它們的接觸面積自然不會接近於0。

其次是球體和地面絕對光滑,即它們相互之間不存在摩擦力,在微觀領域看來,它們的表面原子分佈都很均勻且密集,不存在間隙。

最後就是球體和地面曲率處處相等,分開來說就是球體的任何一處曲率都是半徑的倒數,而地面的曲率始終為0,即完美的球體和地面。


滿足上面三個條件,球體和地面的接觸面積才無線接近於0,但現實世界卻不是這樣的,以上三個條件都無法滿足,它們只能在理想的物理世界中用數學討論。

另一方面,如果把問題考慮地深入到原子尺度,接觸變得不再真實,物體的狀態無論是什麼,原子之間總是有間隙的,從這個層面講,球體和地面並沒有接觸,自然也就不存在接觸面積的說法。


科學新視野


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?


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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


黑洞瞭解下。接觸為0瞬間巨大的壓強產生飛秒計數的黑洞時間與原子級別的黑洞質量。然後黑洞迅速蒸發產生超級巨量的能量。關於黑洞蒸發這個去補充引力波知識。在這瞬間的能量可以根據E=MC×C得出大概是0.0005焦耳能量在一個及其小的空間爆發。如果這個球不是鐵構成或者輕於鐵就會繼續鏈式反應,一瞬間釋放能量為10的17次方×損失質量的能量,大概可以炸了地球。如果重於鐵恭喜你地球沒炸掉。但是你一瞬間受到0.0005J能量轉化的輻射就可以如何上帝討論人生了。


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