非線性縮放的威力——讀《規(guī)模》

不少人可能都聽過(guò)這個(gè)說(shuō)法,如果把一個(gè)成年人身體按比例放大兩倍,他的骨骼會(huì)被自身體重壓垮?!兑?guī)?!愤@本書以此出發(fā),將背后的物理規(guī)律進(jìn)行推導(dǎo)、擴(kuò)展,得到了許多現(xiàn)實(shí)生活中有趣有料的結(jié)論。

這本書全稱《規(guī)模:關(guān)于增長(zhǎng)創(chuàng)新可持續(xù)的普遍規(guī)律和生物體、城市、經(jīng)濟(jì)、公司的生命節(jié)奏》,作者是英國(guó)物理學(xué)家杰弗里·韋斯特(Geoffrey West)。先說(shuō)下身體為什么不能按比例放大吧,其實(shí)道理一點(diǎn)也不復(fù)雜。我們知道身體的體積與尺寸成三次方關(guān)系,骨骼截面積與尺寸成二次方關(guān)系。而身體重量與體積成正比(比例系數(shù)為密度),骨骼承重力與面積成正比。也就是,身體重量的變化與骨骼承重力并不成正比。在身體尺寸放大一倍時(shí),重量增加到原來(lái)的八倍,而骨骼承重力只增加到四倍,可不是被壓垮了!如果只到此為止,也就是個(gè)趣聞而已?!兑?guī)?!穼⑺偨Y(jié)為一個(gè)公式。

簡(jiǎn)單卻十分有用的公式

如果 k=1,那就是線性關(guān)系,你可以按照簡(jiǎn)單比例放大,X 增大一倍,Y 也增大一倍。如果 k>1,就叫做“超線性”關(guān)系,英文叫 superlinear;如果 k<1,就叫“次線性”關(guān)系,英文叫 sublinear。

按這個(gè)公式描述,體重與尺寸的關(guān)系里,k=3,是超線性關(guān)系。但折算下來(lái),承重力與體重的關(guān)系里,k=2/3,為次線性關(guān)系,說(shuō)白了,也就是承重力沒有體重增長(zhǎng)快。也可以說(shuō)一個(gè)生物體的力量,是和他體重的 2/3 次方成正比。通過(guò)對(duì)1956年奧運(yùn)會(huì)舉重比賽的成績(jī)和選手的重量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果完美符合這一公式。

同時(shí),這個(gè)公式也意味著越小的東西反而看上去越有力量。螞蟻非常小,但是它可以背起來(lái)比它自身體重重很多的東西。大人已經(jīng)很累了,孩子們?nèi)匀辉诓恢v地跑來(lái)跑去,根本原因在于小孩體重輕,他們的相對(duì)力量更強(qiáng)。

將此推廣延伸到工程領(lǐng)域,會(huì)發(fā)現(xiàn)更多有趣的事情。現(xiàn)在的貨輪是越造越大,原因是船要克服的航行阻力,是跟船的載重量的2/3次方成正比 —— 如果你能把載重量擴(kuò)大到10倍,你需要的動(dòng)力只要是原來(lái)的4.6倍就可以了。在造船的過(guò)程中,人們又發(fā)現(xiàn)根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行模型縮比,模擬的船速跟模型尺寸的平方根,也就是1/2次方成正比。按這個(gè)比例縮比,動(dòng)力學(xué)特征是一樣的,風(fēng)洞試驗(yàn)也類似,這就大大增強(qiáng)了仿真能力。

在此基礎(chǔ)上,我們還可以繼續(xù)開腦洞。王思聰用五億賺了二十億,四倍;兩塊錢買雙手套,搬磚一天賺八十,四十倍;不見得我比王思聰賺錢能力強(qiáng),不同量級(jí)并不是線性放大。一條蟲子從二樓掉下去沒事,一只貓也行,換成人可能就殘了。劉邦帶兵無(wú)法超過(guò)十萬(wàn),而韓信則多多益善,高下立判。而可能的一個(gè)反面例子是老子“治大國(guó)如烹小鮮”,國(guó)家治理沒那么簡(jiǎn)單。

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