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图9 科赫曲线(Koch curve)的雏形
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为了达到最明显的效果,你需要以第一个三角形为基础,在其三条边画出向外的第二层三角形,然后再以第二层三角形向外的各边为基础,画出向外的第三层三角形,周而复始。
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你所画出的这个图形被称为科赫曲线(Koch curve)。这种图形很有趣,因为它包围着有限的面积——它永远都在圆圈里面——但是,随着三角形的层层增加,科赫曲线的周长却不断变大直至无穷。
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英国的周长和科赫曲线类似。第一个三角形的周长小于其外圆形的周长,但是随着褶皱部分的增加,它的长度将趋于无限。
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和发育中树形的溪流江河一样,实验中画出的科赫曲线也是一种分形。观察一下你就会发现,这种曲线的每一个子集都与整体缩小后的形状类似,具有相同的结构。科赫曲线之所以能有无穷大的周长是因为它是一种抽象的数学图形。与科赫曲线相比,英国(或是任何岛屿)的海岸线还是有些不同的。尽管在测量岛屿周长时,随着测量单位变得无穷小,你能计入的迂回弯曲也越来越多,但是这毕竟是一个由原子组成的有形的物体。当最终达到以原子量级的尺度为单位时,测量就无法再进行下去了。因此,英国的海岸线的长度并非真正无穷无尽——不过,它还是能变得很长很长。
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也许以上所述最有趣的地方在于我们不能用一个固定的数值来表达距离。我们实在很难说英国海岸线到底有多长。通常,我们总是习惯地认为科学能给我们一个明确的答案,不过就海岸线问题而言,在某一范围内一系列的答案都是正确的,完全取决于你是怎么测量的。海岸线有多长?没有唯一正确的答案。
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飞行中的科学 无法抗拒的重力
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我们之前看到的江河溪流最终都会流入大海。孩子们(和一些早期的哲学家)以为河流总是会流向大海的……因为河流就是应该这样啊。这种想法显然是不对的——你能找到一条在海岸附近发源的河流,却朝着和大海相反方向的内陆流去。现实中,河流都只往低处流。它们只能往低处流——因为它们受到重力的操控。对重力的认识非常重要,这不仅能帮你理解河流的流经路径,而且你飞行体验的安全舒适也都仰赖于它。坦率地说,人们对各种各样力的认识总是有所偏差。
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力场(force field)
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在这个实验中,你需要将一只球抛入空中。如果你在飞机上,用纸球也行(不过别抛得太高了)。轻轻地把纸球抛向空中,它向上运动几英尺,然后下落,被接住。观察纸球的抛落过程。实验几次,试着找出纸球的抛落过程中的三个阶段——纸球在空中做上升运动,达到上升运动的顶点,然后落下回到手中。
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思考一下纸球运动的每个阶段。纸球离开你的手飞向空中,然后达到飞行的顶点,最后中途折回下落,这三个阶段中,如果忽略空气阻力,纸球分别受到哪些方向的力呢?
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每个运动阶段中,如果不计空气阻力,纸球都只受到唯一一种力的作用,这听起来有些不可思议。这就是竖直向下的重力。的确,你的手给纸球施加了一些向上的力,不过,从纸球离开手的那一刻起,唯一作用于它的力就只有向下的重力了。这意味着,在整个旅程中,纸球都在向下加速。从纸球被抛出的那一刻起,在加速度的作用下,它向上的运动速度就开始变慢了,而向下的速度则变快。
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当纸球到达飞行的顶点时,它就停住了。不过此时没有平衡的力能使纸球一直保持静止状态。它依然受到使它向下加速的力。同样,在下落过程中,纸球依旧受到向下的力并且明显向下加速。
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如果这不是你最初的设想,也不要感到困扰。在一份针对科学老师的问卷调查中就曾经出现过这个问题(当然,他们大多不是物理学家),大部分老师的答案都是错的。任何物体当它开始运动时,比如你的飞机,我们都有必要了解一下其中所牵涉的关于力的知识。
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在重力面前,我们毫无选择余地。重力永远都竖直向下(更精确地说是指向地心的方向)。因此,在重力的驱使下,水往低处流。一般情况下,海洋是本地大陆的最低处,这意味着,无论怎样河流终将入海。不过,也存在着这种情况:陆地上有一处地势很低。这样的话,水将会汇积于此。
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如果仅仅只有一支小水流汇入此地势低处,而蒸发和渗透的水量又大于等于流入的水量,水流不断汇集于此形成湖泊。否则,水平面将不断上升,最后从周围地面的最低点满溢出来,形成了一条全新的自主成形的水流,朝着地势更低的下游流去。
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