用户6026559344
这就是数学与物理(现实)的区别,数学只是人类了解世界的工具,它并不等于现实,很多时候我们都不能用数学概念去解释现实世界!
就像问题中所说,或许上过初中的都应该知道,一个圆形和平面相切,切点就是一个点,没有大小没有体积的点,或者说无穷小的点!
但现实中不可能出现这种情况!首先不会存在一个完美的球体,也不会存在绝对的平面,球体和平面都是相对的。其次,也不存在绝对的刚体,也就是绝不变形的物体!
所以即便有完美的球体和平面,当它们接触时,接触面积也不可能是无限小的点,有会有一定的面积!这就是理想与现实的差距!
事实上,这种问题牵扯到无穷小以及极限的概念,同时还有数学与物理的区别!数学并不等于现实,比如说,数学上存在无穷小,你永远找不到一个比0大的最小的数,但在物理和现实中,这样的数是存在的,它就是普朗克长度,任何小于普朗克长度的单位都没有意义!
宇宙探索
理想上来说,是这样的。不过,这样的理想存在于数学之中,在物理学和化学角度看,不可能。
1.实验验证
如果解除面积是趋近于0的话,那么我们可以人为制造一个趋近于0的接触面。
那就是让球立于针尖。
可是从实际操作上,你会发现,无论实验多少次,钢球都无法立于针尖。
2.球体如何立于平坦地面?
两者的接触产生了形变。
一个原子无法支撑球体的重量,球能立于地面,是因为二者都产生了轻微的形变。
原子之间通过化学键或者范德华力相互连接,平面撑起球体,就是因为二者的形变,使得接触面积不为0,原子之间的化学键力或者范德华力一起,支撑了球面。
3.刚体
现实中不存在刚体,刚体是一种理想情况。现实里不存在刚体,刚体不发生形变,硬度趋近于无限大,只会破碎,不会形变。
(电脑模拟刚体和柔体落地后的慢动作)
在《三体》中,水滴就是一种刚体材料,受到外力不产生形变。
从物理学上看,这种材料叫强相互作用材料,目前的科技下无法生产。
不入流的大刘
这要看你是从数学角度讨论还是物理角度讨论了。
如果是数学角度,一个完美的球体,放到一个完美的平面上,那么接触面就是一个点,而一个点有面积吗?无穷小。(注意:这里的“完美”也就是刚体的意思,球和平面都不发生形变)
如果从物理角度,那就很简单了,因为世界上没有绝对刚体存在,所以球和地面都会形变,一旦形变,那么接触面就是一个圆面,自然有面积。
如果不形变,你就会发现,接触面的压强会趋向于无穷大,这是不切实际的。
实际生活中,数学世界和物理世界的区别也有体现,比如下面这个:
托里拆利小号
我们将y=1/x的图像,取x≥1部分,绕x轴转一圈,就变成了下图模样(形状类似于一个小号)
我们来算一下它的容积和内表面积(如下):
结果就有意思了,它的容积是个定值π,但是内表面积却是无穷大。
换句话说,如果给它里面上一层漆,因为表面积无穷,所以永远也抹不满;而如果将油漆直接倒进去,由于容积是定值,所以很快就满了。
但以上的结论均是数学世界得出的,实际上这个小号我们根本连造都造不出。
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赛先生科普
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张成东专栏
一个完美的球体放在一个绝对平坦的地面上,理论上来说,它们之间的接触面是一个点,面积无穷小。严格来讲,点没有面积概念,因此不能说他们之间的接触面积几乎为0。
如果一个完美的球体放在并不是绝对平坦的地面上,它们的接触面积可以认为几乎为0。
事实上,在现实世界中,两个物体的接触面积永远不可能为0。在重力的作用下,球体会对地面产生压力,根据P=F/S,若面积无穷小,压强就变成无穷大了。
从微观角度来看,世界上的一切都是由粒子构成的,都是凹凸不平的,只是在宏观世界中看起来近似光滑。就算没有重力,一个球体与地面接触,在电磁力的作用下,接触面也会产生形变。从原子级别来看,两个物体也根本不存在真正的接触。
由此可见,现实世界中并不存在这样完美的物体,任何物体都存在形变,理想中的刚体是不存在的。没有完美的球体,也没有绝对平坦的的地面,它们只存在于数学世界中。
科学探索菌
时空起源之初是智慧,智慧即光,光即零,零就是光的状态,即无,即无限小,却有波动性;无限小却有无限大波动,所以是零,-∞/+∞,绝对的零。
智慧的运转,也就是光的全息投影,会成像,体现为光的逻辑封闭,也就是一维,即直线,也就是时间,无限大的圆周循环。因为光和它成像之间的相差,所以有了一维的空间,空间的维度就是光。
空间与智慧的耦合,产生生命意识,即信息。信息的产生,呈现与空间的同步线性,即表达为空间里的光是直线的。
空间里的光的空间同步性,产生了空间里的光以空间点为原点的放射性,支撑起了信息空间感,也就是人类的空间感觉。所以人类的空间感是空间点的光信息感。
人类感受到的是信息光,智慧的光是带来信息的奇点。信息光是直线的,智慧光是无有同在,波粒二象性的。
人类总感觉空间是直线的,而事实是,世界上所有的事物几乎都是圆或者循环。人类用直觉支撑起来的科学,撞到了智慧的圆上,发生了匪夷所思的难解之谜。
光始终在支持人类的生命和世界,也在启迪人类进一步认识自己。
心无所住,而生其心。
李文冠/2019.10.3 00:11
红尘诗侠的那烂陀
数学上,球体与平面相切,只有一个点。不过,真如题主所问,实际中球体与面接触的面积不等于零,具体是多大,主要看两者的材料属性。下面,我以算例的形式,来解答这个问题。
1、基本原理
实际生活中,任何物体都是变形体,即物体在外载作用下都会发生或大或小的变形。完全不发生变形的称之为刚体,不过这个世界上绝对刚体不存在。
对于材料的变形能力,力学上有一个物理量来衡量——弹性模量。这个物理量基本上就可以反应出材料的“软硬”。弹性模量越大,材料越不容易变形。
2、算例分析
以铁球接触铁板为例,铁这种材料相对来说是比较“硬”的,其弹性模量200GPa。我们来看下在自重的作用下,接触面积有多大?铁球直径2m。
上图是位移结果,从位移上来看,铁球的变形几乎为零,铁板在接触处有变形。放大后下图。对于两者来说,变形都非常小。
通过目测,接触大约是铁球上网格的一半,即1.3e-2m,面积为5.3e-4平米。这个面积大约是2个手指那么粗。显然,这个面积不能近似为零。
3、总结
物体受力会发生变形,变形量的大小除了与外载有关,还与材料的属性有关。弹性模量越大,变形量就越小,两者接触的面积也就越小。通过铁球的算例,我们发现半径1m的铁球靠重力放置于铁板上,其接触面积越是2个手指那么大。
如果铁球更大,重量更重,那么接触面积也会更大。此外,如果铁球换成其他“软”的材料,铁板不变,那么接触面积也会更大。如下图,球弹性模量取2GPa,是铁球的1/100。对比上下两图,显然下图接触面积更大了。
虽然,这个算例在仿真里面算简单的,但是由于非线性接触,非常容易出现不收敛的情况,这时候就得不断地修改模型,直至能够计算处结果。所以,这么一篇小回答,花了我2个小时。
力学Nerd王小胖
这个问题的答案要成立,必须满足三个基本的假设:
- 球体和地面是刚体
- 球体和地面绝对光滑
- 球体和地面曲率处处相等
下面展开来说
首先是球体和地面是刚体,试想它们如果一方因为相互挤压而产生形变,比如球体因为重量巨大,使得地面下陷,它们的接触面积自然不会接近于0。
其次是球体和地面绝对光滑,即它们相互之间不存在摩擦力,在微观领域看来,它们的表面原子分布都很均匀且密集,不存在间隙。
最后就是球体和地面曲率处处相等,分开来说就是球体的任何一处曲率都是半径的倒数,而地面的曲率始终为0,即完美的球体和地面。
满足上面三个条件,球体和地面的接触面积才无线接近于0,但现实世界却不是这样的,以上三个条件都无法满足,它们只能在理想的物理世界中用数学讨论。
另一方面,如果把问题考虑地深入到原子尺度,接触变得不再真实,物体的状态无论是什么,原子之间总是有间隙的,从这个层面讲,球体和地面并没有接触,自然也就不存在接触面积的说法。
科学新视野
你所假设的这个点是存在的,但它存在于一百四十亿年前,这个点叫做“奇点”。在上一个宇宙里,有个像你脑洞一样大的人做了一个实验,把一个绝对刚体的绝对圆球放在了一个绝对刚体的绝对平面上,于是,奇迹在这个接触点上发生了~这个点上产生了无穷大的压力能量,从而产生了大爆炸~宇宙起源。它以比光速还快的膨胀速度膨胀着,一直膨胀了一百四十多亿年,直到你的出现。而你的出现也预示着下一个宇宙将会由你一手创造。
同时还顺带证明了另一件事,就是你的脑洞无穷大。
钝刀23
答:从数学角度看,接触位置是一个点,面积为零;从物理角度看,单个原子无法支撑起整个球体重量,所以接触点存在形变,接触面积不为零。
完美球体放在平坦的地面上,理论上接触位置是一个点,但这只是对于理想刚体而言,实际当中不存在理想刚体,于是分为两种情况。
数学上
在数学上,不考虑受力情况和物质的微观组成,一个完美圆和直线相切,切点是一个面积为零的点,切点和圆心连线垂直于切线。
物理上
在物理上,根据受力情况和物质的微观组成,可以分析出接触面的大小;因为实际当中不存在理想刚体,所以地面要支撑起整个球体的重量,就需要通过形变来产生应力,形变大小和物质的性质有关。
物质由原子组成,原子通过化学键或者范德华力相互连接起来,单个原子间的力量是存在极限的,一个平面要支撑起一个球体,肯定会在微观层面产生形变,使多个原子的相互作用支撑起整个球体,从而达到平衡。
强相互作用材料
从本质上说,物质的这种形变,均是库仑力发挥作用,而强力是库仑力强度的100倍,在刘慈欣的小说《三体》中,就描述了一种强相互作用材料制成的“水滴”,具有几乎无限大的弹性模量,受到外力时几乎不产生形变。
强相互作用材料是否真的存在,目前还不得而知,但是对于人类能制造的材料,制成球体后压在平面上,球体和平面必定会产生形变,接触面积肯定不为零。
另外一位答友“王小胖老师”,定量计算了直径2米的铁球,弹性模量为200GPa,放在铁板上的接触面积,大家可以去看看,作为参考。
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