两点之间,为什么最快线路不是直线?

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两点之间,为什么最快线路不是直线?

2024-07-16 07:08| 来源: 网络整理| 查看: 265

意大利科学家伽利略在1630年发现,两点之间曲线下坠速度更快,可世上有那么多弧度不同的曲线,哪条又是最快的呢?

这个疑问困扰了全球数学界几乎半个世纪之久,直到1696年,“最速曲线”问题才又被瑞士数学家约翰·伯努利再次提出并付诸实践。而牛顿、洛比达等知名的物理学大拿也参与其中,最后经过一众权威人士的严谨实验,大家终于得出了那个一致而正确的答案。

所谓的最速曲线,其实就是C·鲍威尔早在公元1501年就提出的那根“摆线”。

什么是“摆线”呢?它也叫“圆滚线”或者“旋轮线”,在数学理论中,所谓“摆线”就是指一个圆沿着一条直线运动时,在圆边界上的任意一个点,所形成的固定轨迹。那有哪些东西运用到了“摆线”原理呢?举个最通俗的例子,大家一定见过“摆钟”吧,这是一种通过单摆定律发明的钟表,在摆钟正常运转时,其摆锤会随着固定曲线进行左右匀速摆动,在这个过程中,咱们以摆锤为点,观察其摆动的弧度,这个圆弧就是“摆线”。

那么为什么说,两点之间摆线的下滑速度最快呢?如果从数学角度出发,我们可以利用变分法,以公式的方式算出这个结果,也可以利用约翰·伯努利所提出的另一种方式和角度进行佐证,那就是“光学原理”。

而约翰·伯努利在解析时,将最速曲线比喻为光的折射路径,小球下滑的这根摆线,就相当于一缕光在无数不同介质中不断折射,以此令光线以尽可能快的路径进行传输,这便是在光学领域里著名的“费马原理”,又称作“最短时间原理”,即光在传播过程中,会选择用时最短的路线进行传播,用这个概念进一步计算和解析,便可得到两点之间所谓的“最速曲线”。

瑞士数学家约翰·伯努利,求得了两点之间的最速曲线,那这条线又到底神奇在哪里,能否以物理角度来解释其为何最快呢?

经过科学家们长达若干年持续不断的实验和论证,人们发现,“最速曲线”之所以能让球体下滑的速度最快,从物理方面解释,是因为这条线在起始阶段近乎于垂直加速,能够让球体迅速获取足够的力,以实现快速通过后半程的能力,因此达成平均速度最快的结果。

而在“最速曲线”原理得到科学印证后,人们很快又发现了一个更神奇、有意思的现象,那就是即便球体所处的初始坐标不同,可只要沿这根相同的最速曲线轨迹向下滑落,它们都会在同一时间抵达终点。

如何?是不是很神奇?!在如今的社会,最速曲线理论早已不是一个只存在于文本和字面上的公式,而已经实际运用在了你我生活中的各个领域,大到在竞技体育,譬如滑雪坡道;娱乐设施,比如过山车的设计中,小到一枚钟摆,一个车轮的制作都运用了相关原理。

你可能难以想象,孩提时期咱们手拿万花尺沿着圆圈,能轻松画出的各种精美图案,其背后竟还掩藏着如此深奥的数学。而从“最速曲线”的原理中,许多人甚至还悟出了不俗的人生哲理,一个人想要成功,选择最短的捷径牟足劲儿向前冲,固然能少走几分弯路,可行事之前若是能先思虑和投入,获得更高的势能,就像最速曲线起始阶段近乎于垂直的加速一样,或许比横冲直撞收获更丰,也许这就是数学与哲学相结合的奥妙罢!返回搜狐,查看更多



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