如何將一個不規則石塊切割成體積相等的兩部分?
我想的辦法是
1.用懸吊法確定石塊的重心
2.沿重心所在平面將石塊切開
感覺這樣可以,但不知道改如何證明
(石塊材質緻密均勻)
以上方法顯然不靠譜,因為一個點不能確定一個平面。
不過我還想問逆命題「將石塊分割為兩個體積相等的部分的平面,必經過石塊重心」成立嗎?
(不要被圖片↓干擾)
重心並不能平分質量。
重心和懸掛點的連線,平分的是對懸掛點的重力矩。。
反例很容易舉一個,比方說一個L形的石塊,若兩個直臂等長則平分質量或體積的地方顯然在直角處。如果把這個石塊在一端懸掛起來,重心和懸掛點的連線必然不過那個L形石塊的直角。
update@20170710
居然這也呢過百贊。。那就先補個圖。。
評論區也是感人,我沒說重心在直角處啊,看來他們應該都是覺得過重心的平面一定平分質量(體積)吧。。
原來懸掛點和重心的連線,平分的不是質量,而是對懸掛點的重力矩,這個結論是毀三觀的結論么。。
看來我不得不多說一些了。。
重心這個詞,應該是從小學就聽說過了。。然而那個時候沒有定義。。
然後上了初中學習了關於平面幾何方面的最重要的一個例子,三角形的重心,三條中線的交點。【參考如何證明三角形物理重心既是幾何中線交點? - 知乎】
大家在學物理課的時候,肯定也學過一個說法,均勻幾何體的重心就是其幾何中心。。【抱歉,我到現在也不知道「幾何中心」到底是咋定義的,望文生義吧。。】
以及最重要的一個重心的定義:重力的等效作用點。。這個定義到高中依然有效,並代替為質心。。
到此為止,我相信大家應該是從來沒有學到過,"過重心的平面(直線)平分物體的質量"或者類似的說法,這句話也不會出現在課本上。。
可以排水測體積。將其浸沒入水中,測得排出體積為V。取出,(如果不吸水可直接進行下一步,反之需晒乾)再次緩緩浸入水中,直至排出水體積為V/2,此時沿水面在其表面標記。取出,沿標記處切開,得所求目標。
感覺排水法是最簡單直觀的。
首先測出石塊體積V,這個很容易,放在滿水排出的水即得。
然後用一根可以忽略直徑和質量的細線栓住石塊,用一根一直直徑的木棒繞繩子。將石塊慢慢放入滿水容器中,等到溢出的水體積為V/2時停下。(這裡可以在容器外放一個更大帶刻度的容器)
記下這個點。以這個點平行於桌面的平面做切面即可得到等體積的兩份。
確定點的方式很多,比如繞線的圈數。或者用等高的物體確定平面等。
當然,最後重複實驗幾次,取平均值。
至於這個平面是不是一定過重心,實驗做完自然就知道咯。。排水法可以測體積,要平分體積也是很方便的。
如果沿著題主的思路藉助質心(重心),但是質心與體積的關聯不是很直接,我們就先考慮藉助質心平分質量吧。
抓一下問題描述的核心:
過質心的平面一定是平分物體質量的平面?
逆命題:平分物體質量的平面一定是過質心的平面?
同時分析這兩個問題,當已知一個過質心或平分質量的平面時,物體可以簡化成一維密度不均的桿,桿方向為已知平面的法線方向,密度為物體沿桿方向換算成的線密度(截面面積*密度)。
平分質量的平面位置xp由下式確定
質心平面位置xc定義為
整理成
從物理上想,兩式各自都必有唯一解。對比兩式,(xc-x)這個因數對積分顯然有影響(具體影響由ρ(x)決定),導致多數情況下,兩式解出的xp和xc都不同(隨便取個ρ(x)=x,0&
因此上面兩個命題都為假。
衍生一個思考題:對任意形狀和質量分布的物體,是否一定存在既過質心又平分質量的平面?
能證明為真,但是我還沒想好實際中怎麼找這個面比較方便,我先看看書。
——————更新1——————
不規則物體的所有平分質量的平面一般不交於一點,而是形成一個包絡曲面,即曲面的各處切面都是平分質量的平面。類似的二維形式如下圖
(引用 常國慶.研究性學習「三步曲」——以「平面多邊形面積平分線性質的探索」為例[J].教育研究與評論(中學教育教學版),2015,(7):82-90.)
這個曲面的性質我還在看,不過目前看來,對於該曲面,質心比起其他許多點並無特殊之處,可能「藉助質心平分質量」這個思路要走不通了。
工程學方法。假設密度均勻,三維掃描建模。通過退火演算法可以求出一個切面兩邊的質量相等。但是這個方法無法解虧格複雜的形體。如果有虧格,那就要組織複雜的邏輯通過遺傳演算法進行嘗試是否可以保持連接地切成兩半。
切很多次,最後理論上可以切成石粉。
石粉用天平秤兩坨就可以了。
工程方法:
1. 三維掃描得點雲
2. 點雲描數據得模型
3.編輯模型得到分割線及標誌位置
4.根據標誌位置在石頭上描繪切割線
5.切之
龍陽桑的方法可以改進一下~不過有個前提是石塊的密度不能太大,至少要有密度比石塊大一倍以上的液體存在才行
用排水法測量體積,用天平測量重量,然後可知石塊密度~
計算出使石塊漂浮一半的液體的密度,調配出這種密度的液體,把石塊放在液體里,穩定後,給露液體外面的部分染色做標記,然後沿標記切割即可~
可以用浮力來獲得浮力均分的平面位置,密度大於液體的,用繩吊,小於液體的,從下面來拉
利用排水法。
1.先利用溢水杯測出石塊的總體積。
2.用體積不計的細繩綁住石塊
3.計算石塊體積的一半
3.將石塊慢慢浸入裝滿足夠深的水的溢水杯中
4.當溢出的水的體積等於石塊總體積的一半時,停止浸入
5.沿水平線切割
6.乖乖回初中物理老師那補課
我有一個大膽的想法……
首先把岩石融化掉
把岩漿放進鎢制規則容器內
冷卻後照著切就行了
密度可能不均勻,為什麼不直接用水或者其他東西來量體積呢……
雖然第一想到的也是排水法,但有一個問題,石頭是空心的怎麼辦?
天然的實物例子很多,比如中空的水晶礦石。
那麼,我們可以採用等效+逼近+想像的方法。
首先把石頭甲剖成兩半,儘可能平分;
但必定一大一小,沒關係,分別測出體積;
用銼刀在大的一半的外表面挫,排水法。直到兩半體積相等;
然後再把兩半合在一起(所以挫的時候不能挫到切口),命名為石頭乙。
現在,你的手裡有被分成兩半的石頭乙,對不對?
想像有一塊和乙一模一樣的石頭丙,
那麼在乙上面的切口就是丙對於該問題的一個解。
這就是「假想石塊」丙的切法。
1.測量無石頭 高度 H1
2.石頭扔水底,測量高度 H2
3.用細線拴住石頭,緩慢放下,讓高度保持在 H1+(H2-H1)/2;
4.切
調配密度為石頭一倍的液體。將石塊丟入液體中,穩定後,根據液面切割。
石材質地均勻就好辦。
1·記錄彈簧測力計測石塊放入水中浸沒的讀書和離開水面的讀數;
2·石塊與水面接觸直至讀數為第一步兩個讀書的平均數。
加熱熔化以後再平分
磨碎,稱重,再用膠水合起來,順便還能給你捏朵小花,假珠子工藝品都這麼乾的
精確測量,建立三維模型,然後計算機算出來切割面,然後機器人去切
首先我覺得不可能做到絕對精確。那我就來個近似的方法。
排水法。石頭放杯里,溢出的水的體力就是石頭的體積。然後再把石頭防水機,溢出的水是一半的時候。看石頭在水中的體積,可以近似看為一半。
可以吧?
先磨成粉,然後按重量分成兩堆。
畢竟你也沒說必須分成完整的兩塊啊!
拿個水缸,放入石頭和水知道滿
已知水缸水容量
拿出石頭,測出出石頭體積
加入石頭體積一半的水,把石頭懸空慢慢放入水中,直到水滿,露出的一半沿著水平線切了
不是學物理的試試水,
那個置頂回答中的反例L行石塊想算明白了,想到一個懸吊法,物體密度均勻一致的前提下,物體表面找兩個點掛繩掛起來,懸吊在空中,物體表面再不接觸其他東西,這樣兩條繩代表的直線應該相交可以構成平面切割物體吧
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