如果 X、Y 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~
C 是一個常數,所以上式可以再簡化為~
K=1 時,我們可以說X與Y是「線性」關係,
K>1 時,我們可以說X與Y是「超線性」關係,
K<1 時,我們可以說X與Y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,K=2/3。
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X跟Y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K=2/3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。