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恒定压强塔背后的数学

如图,有这么一个塔,如果它无限高的话,那么它的质量是无限大的,而它的重量却是有限的。

\'质量无限但重量有限的塔\'

质量无限但重量有限的塔

现实中当然不存在质量无限大的物体,因为物理害怕无限大。但在数学中,无限大并不是什么罕见的东西。

在工程上它也是很有用的,因为它有一个非常重要的性质:它的任一截面受到的压强是一个定值。

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比如,在高z\'处取塔的一个截面,面积为S,这个截面会承载着它以上那一部分塔的重量X,而X/S是一个定值。

假如用砖块堆砌出这样一座塔,那么每一块砖承受的压力是一样的,于是它还有一个名字,叫“恒压塔”,当然,这里要与我们工业上用的恒压塔区分开来,也许叫“恒压强塔”更容易理解一些。

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那么它背后的数学原理是什么呢?

它的公式如图:

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这个曲面的圆柱坐标公式如下:

在高度z处的截面受到的压强为:

其中μ为面密度,g为万有引力常数。

我们令P为常数,那么就有:

其中

既然这个塔很高,那么我们就不能将万有引力常数g看作常数,它应该和高度的平方成反比:

最后我们得到方程:

其中

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