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2018年4月12日 星期四

標度率(scaling law 又叫「尺度」)

這是什麼?

如果   X兩個物理量有關係,我們可以用下面一個關係式來表示之間的關係~




是一個常數,所以上式可以再簡化為~




K1 時,我們可以說XY是「線性」關係,

K1 時,我們可以說XY是「超線性」關係,

K1 時,我們可以說XY是「次線性」關係。

這個「尺度」的關係最早是由伽利略在1638年在一本名為「關於兩門新科學的對話」書中所提出的。

舉個實際的例子~

面積跟長度的平方成正比,體積跟長度的立方成正比,所以我們就可以推導出來面積跟體積的2/3次方成正比,而這是一個「次線性」關係,K2/3

以生物體來說,體重跟體積成正比(若密度不變的話),力量跟面積成正比(肌肉的截面積),所以我們可以說「一個生物體的力量跟體重的2/3次方成正比」。

而這是可以驗證的!化學家利茲克(M.H. Lietzke)就利用1956年奧運舉重比賽的成績來驗證。我們知道舉重比賽是按體重分量級的,所以只要分析各量級選手的成績跟體重的關係即可。

利茲克利用對數座標來分析,他把~




取對數,即成為~



這意味著在對數座標圖上XY應該是線性的關係(一條直線),而直線的斜率就是K,就是下面這張圖。

線的斜率約等於0.675,跟理論值0.667(就是2/3)很接近。奧運會舉重比賽的成績幾乎完美的驗證了「一個生物體的力量跟體重的2/3次方成正比」的理論值。

因為其中K2/3是小於1的,所以相較於體重的增長,力量的增長速度是比較慢的,所以我們才會發現體重愈重的人背蹲舉要超越2倍體重會比體重較輕的人困難些。

另外,為什麼造大船比較節能(省燃料費)?縮尺模型怎麼模擬阻力(風洞或水槽的流速跟比例的關係)?甚至是服用藥物的劑量都是「次線性」的關係(不是跟體重成正比的)。以上這些都可以由「標度率」(scaling law 又叫「尺度」)來解釋。


摘自「萬維鋼.菁英日課」新書「尺度」物理祖師爺的洞見。