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為什麽拉屎濺起的水花高度可以比屎的初始高度還高?

2024-09-21心靈

雖然問題有點惡心,但是拋開物理流程細節的定性分析,這其實應當看作是一大類有共性的物理問題。我們將水視作許多微粒組成的系統,它的數量是固定的,初始狀態時,由於外物落水,這些微粒獲得了一定的初始能量,之後它們頻繁地相互碰撞來交換機械能,導致最終能量幾乎和初始能量沒有什麽關系了,但是因為能量守恒,總的機械能不變。那麽最終微粒的能量分布應當是什麽樣的呢?這和大家學過的馬克士威分布、波茲曼分布等是類似的,結論上來說,微粒並不是都分攤到差不多的能量,而是絕大部份只得到很少的能量,而很小一部份得到平均值好幾倍的能量。這種分布可以用以下方法推導:

我們考慮建立一個拍腦袋的模型,水微粒在濺起的時候速度都是豎直向上的,而且只能是正的值(畢竟向下會受到其他水的阻礙)。所有水微粒的品質都相等,濺起的時候高度按0算,總能量記為E。我們將微粒的速度按照等間距劃分成離散的區間,為了方便起見,用最小速度間隔作為速度的單位,並相應調整能量的單位,記速度為 k 的微粒數量為 M_k ,微粒總數為N,那麽有