虽然问题有点恶心,但是抛开物理流程细节的定性分析,这其实应当看作是一大类有共性的物理问题。我们将水视作许多微粒组成的系统,它的数量是固定的,初始状态时,由于外物落水,这些微粒获得了一定的初始能量,之后它们频繁地相互碰撞来交换机械能,导致最终能量几乎和初始能量没有什么关系了,但是因为能量守恒,总的机械能不变。那么最终微粒的能量分布应当是什么样的呢?这和大家学过的麦克斯韦分布、玻尔兹曼分布等是类似的,结论上来说,微粒并不是都分摊到差不多的能量,而是绝大部分只得到很少的能量,而很小一部分得到平均值好几倍的能量。这种分布可以用以下方法推导:
我们考虑建立一个拍脑袋的模型,水微粒在溅起的时候速度都是竖直向上的,而且只能是正的值(毕竟向下会受到其他水的阻碍)。所有水微粒的质量都相等,溅起的时候高度按0算,总能量记为E。我们将微粒的速度按照等间距划分成离散的区间,为了方便起见,用最小速度间隔作为速度的单位,并相应调整能量的单位,记速度为 k 的微粒数量为 M_k ,微粒总数为N,那么有