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儒勒·凡尔纳的大力士和欧拉公式

你们还记得儒勒·凡尔纳书里的运动员大力士马蒂夫吗?“头大,成比例的非常高大的个子;胸,像锻造的风箱;腿,像粗壮的木桩;胳膊像起重机,拳头像锤子……”在小说《马蒂斯·桑多尔夫》里叙述了很多这位大力士的功绩,当我们的巨人用力量强大的手阻挡整个飞船下降的时候,可能“特拉波科罗号”这件事会使大家印象深刻。

关于这件事,小说的作者是这样告诉我们的:

已经移去了在两侧撑住船身的支持物,船准备下水了。只要把绳索解开,船就会向下滑。已经有五六个木匠在船的龙骨下面忙碌着。观众满怀好奇地注视着这件工作。这时候,有一艘快艇绕过岸边的凸出部分,出现在观众面前,要进入港口,快艇必须经过准备下水的“特拉波科罗号”船坞面前,所以一听见快艇发出信号,大船上的人为了避免发生意外,就停止了解缆下水的工作,让快艇先通过。假使这两条船,一条横着,另一条用很快的速度驶过去,快艇一定会被撞沉的。

工人们停止了锤击。所有的目光都注视着这艘华美的船,白色的篷帆在斜阳下像被镀了金一样。快艇很快就出现在船坞的正前面,船坞上面成百上千的人都好奇地看着它。突然听到一声惊呼,“特拉波科罗号”当快艇正对着它的右舷的时候,开始摇摆着滑下去了!两条船就要相撞了,已经没有时间,不可能阻止这场惨祸了。“特拉波科罗号”迅速向下面滑……船头上面升起了由于摩擦而起的白烟,而船尾已经没入水里(船尾首先下降)。

突然出现了一个人,他抓住了“特拉波科罗号”前面的绳索,使劲地拉,几乎把身子弯得接近了地面,不到一分钟,他已经把缆绳绕到钉在地里的铁桩上。他冒着粉身碎骨的危险,用超人的力气,用手拉住缆绳约有10秒钟。最后,缆绳被拉断了。但是这10秒钟时间已经足够:“特拉波科罗号”进入水中以后,只是轻轻碰了一下快艇,就向前开去。

快艇已经获救了。至于这个人,当时甚至没有人来得及帮助他,如此迅速并且避免发生惨祸的那个人就是马蒂夫。

如果有人对小说作者说,这样的功劳并不需要一个像马蒂夫那样的“力大如虎”的巨人,而是每一个机智的人都可以做同样的事情,那么,小说的作者一定会非常惊讶!

力学告诉我们,缠绕在桩上面的绳索,在滑动的时候,摩擦力可以达到一个最大值。绳索绕的圈数越多,摩擦力也就越大。摩擦力增长的规律是,如果圈数按照算术级数加多,摩擦力就按照几何级数增长。所以即使是一个小孩子,只要能在不动的绳轴上绕三四圈,然后抓住绳头,就可以得到平衡一个极大重物的力量。在河边的码头上,常常有一些少年使用这种方法使载有上百名乘客的轮船停靠在码头。在这里帮助他们的不是手臂的力量,而是绳和桩之间的摩擦力。

18世纪著名的数学家欧拉,确定了摩擦力跟绳索绕在桩子上的圈数之间的关系。对于那些不怕简洁的代数语言的读者来说,我现在就引出欧拉有教育意义的公式:

F=fe

在这个公式里,f代表我们所用的力,F代表我们需要对抗的力。e代表数2.718…(自然对数的底),k表示绳索和木桩之间的摩擦系数。α代表缠绕角,也就是绳索绕成的弧的长度和弧的半径的比。

把这个公式应用在儒勒·凡尔纳的故事里面,所得的结果非常令人吃惊。在这种情况下,力F是沿着船坞滑下去的船对缆绳的拉力。小说里我们知道船的质量是50吨。假定船坞的斜角是十分之一,那么作用在缆绳上的就不是船的质量,而是它的十分之一,也就是5吨,或者5000千克。

再说,把k——缆绳和铁桩之间的摩擦系数——我们假设等于1/3。α的数值是不难计算的。如果我们假定马蒂夫曾经把缆绳绕桩三圈。这时候:

如果把这些数值代进欧拉的公式,我们就得到:

未知数f(也就是需要的人力)可以用对数求出来:

log5000=logf+2πlog2.72

得到f=9.3千克。

因此,只要用10千克的力来拉绳子,就可以完成这个功绩!

不要以为这个数值——10千克只是理论上的,实际上需要的力一定比这个大得多。相反的是,这个数字对我们来说已经太大了:古时候用来系船的是麻绳和木桩,在麻绳和木桩之间,摩擦系数k比上面的数值更大,所需要的力量简直小得可笑。只要绳索够牢固,就能够承受住拉力,甚至力气很小的孩子,把绳索套在木桩上面三四圈以后,不仅可以同样立下儒勒·凡尔纳小说里的大力士所立的功劳,而且还能超过他哩。 qjsPfVIiYW9YCt/3TYkrwCv8yN7mawWtW1fpHVzdOcpg4CTIA5eDQInBSy0I8eDe

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