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烏鴉喝水故事為什麽只有一種特定形狀的瓶子才能讓水上漲?

2015-04-18科學

先放結論:

烏鴉能不能喝到水,與瓶子形狀關系不大,主要取決於裏面有多少水、石子形狀、石子級配。

1.石子在瓶子裏形成顆粒材料堆積體。堆積體中孔隙體積(液體體積+氣體體積)與總體積(固體體積+孔隙體積)之比稱為孔隙率n。石子比較小,粒徑大小和形狀單一時,n可以看作常數。

設想烏鴉用的是大小完全相同的圓球,那麽圓球堆積體的孔隙率n一般介於0.2595(最密堆積)~0.4764(簡單立方堆積)之間。補充:實際上,在圓球隨機堆積中,n一般在0.36~0.44之間。感謝

陳浩

指正,詳見

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這意味著什麽?只要瓶子裏水的體積超過總體積的47.64%,烏鴉投入很多等大圓球,最終它能喝到水。若瓶子裏的水體積少於總體積的25.95%,那麽投入等大圓球水是不會漫出來的。

如果水體積介於兩者之間,烏鴉在投入一定圓球後,瓶子滿了,水沒出來。它可以把瓶子搖一搖,讓圓球堆積地更緊密,說不定能喝到水。

2.如果它扔的都是一模一樣的圓球,球是否越小越好?

球的大小對結果影響不大。球小了,孔隙體積與固體體積的比例並不會變。這句話並不絕對,如果石子直徑比較大,邊界影響不能忽略,大小對結果有一定影響。

3.用大小不同的石子,效果會更好。

相信大家都聽過一個故事,一個桶裏裝滿石子,還能繼續裝小鋼球,然後繼續裝沙子,最後還可以裝水。這其實說明了,選擇多種尺寸的材料,可以讓我們在相同的體積內放下更多固體。

假設烏鴉有一堆大圓球(2cm直徑)和一堆小圓球(2mm直徑),它完全可以先用大圓球將瓶子裝滿,再投入小圓球。或者投一點大的投一點小的,混著來,但千萬不能先放小的再放大的。

如此一來,瓶子裝滿石子時,瓶子裏的孔隙率大約是0.067(0.2595^2,很難達到這麽密)~0.227(0.4764^2),把範圍限定地更小,則是0.130(0.36^2)~0.194(0.44^2)。即使瓶子裏只有25%的水,它還是能喝到的。

4.最後,投入的顆粒形狀也是有影響的。

這很好理解,考慮到烏鴉用的都是圓形石子,我們可以用球來近似。

所以,烏鴉喝不著水不能賴瓶子,瓶子形狀其實沒有太大影響。

水很少的時候,烏鴉也透過控制投入的顆粒的級配,來讓自己喝到水。

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