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其表面积为6平方米。
体积为1立方米。
当长宽高都为2米时,表面积为24平方米,体积为8立方米。
我们可看到当对象变化尺寸(1:2)时,面积变化快(6:24)=(1:4)体积变化更快(1:8)。
现在换一个铁棒,长度是2米,直径是0.5米,表面积是9π8平方米,体积是π8立方米。
当尺寸增加一倍时,长度为4米,直径为1米。
表面积9π2平方米,体积是π立方米。
尺寸变化(1:2),表面积(1:4)=(1:2*2),体积(1:8)=(1:2*2*2)。
也就是说,尺寸增加时,表面积的增加等于尺寸两重增加,体积的增加等于尺寸三重增加。
现在我们定义:长度(尺寸)是一维,面积是二维,体积是三维。
注意看,刚才的尺寸增加时,物体是按比例都增加。
如果不按比例增加(比如长增加1米,宽和高不变),那么面积和体积的增加就不满足二重和三重关系。
前面曾讨论过人体的散热,是从人体内部和皮肤表面建立稳定的温度差来分析。
这里我们换一个角度,从传递的热量和温度差之间的关系来重新分析这个问题。
首先做以下假设,目的是方便直观分析。
1.人体50%以上都是水,所以假设身体全部是水。
2.人是恒温动物,在内部和表面有稳定的温度分布。
现在假设人体温度均匀,散热导致整体温度下降。
3.假设外界温度恒定为0℃,并假设在体温37℃时,皮肤丧失热量是按照每一秒每平方厘米(0.0001平方米)皮肤向外散发1卡的热量来计算。
4.不考虑人体的热补充机制,分析体温下降速度。
身高(米)皮肤面积(平方米)体重(公斤)每秒散热量(千卡)每秒降温(℃)
1.71.857018.50.26
1.7*1.11.85*1.1*1.170*1.1*1.1*1.118.5*1.1*1.10.261.1
假设人身高h=1.7米,体重=70公斤(体积v=0.07立方米)。
皮肤面积大约是s=1.85平方米。
那么人体每秒散热Q=1.85*10000卡=18.5千卡。
人体每秒降温就是18.570=0.26℃。
身高增加到1.87米(增加到1.1倍),按照前面维数的定义,那么体积增加到1.1*1.1*1.1=1.331倍。
皮肤面积增加到1.1*1.1=1.21倍。
每秒散热18.5千卡*1.21=22.385千卡。
而体重增加到70公斤*1.331=93.17公斤。
人体每秒降温就是22.38593.17=(18.5*1.21)(70*1.331)=18.5(70*1.1)=0.261.1=0.24℃
按照以上分析,身体按比例放大,身体降温速度按比例变慢!
按照人体的实际情况来分析,从身体内部到体表,再到外界,存在稳定的温度差分布,那么每秒依然向外界散热。
散热依然是和皮肤面积相关。
在散热时,整体降温和内部温差变大等效。
降温变慢和温差增加速度变慢是等效关系。
同时皮肤散热的具体数值并不影响我们的结论。
因此结论可以推广到实际恒温动物。
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