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“五马分尸”漫谈

一、前置知识以及灵感来源

五马分尸,汉语成语,是古代一种酷刑。由商鞅遭车裂的典故提取而来。

大概是物理学魔怔了,突发了一些奇思妙想。

在行刑时,犯人究竟哪一部分会先被扯出去呢?

犯人的受力情况又是怎么样的呢?

于是就有了这篇文章......

二、抽象化问题

将问题又“五马分尸”推广至“\(n\)马分尸”。

可以将犯人抽象成一个几何图形,考虑到各种奇奇怪怪的因素不好分析,所以在这里将犯人视为正\(n\)边形(\(n \geq 3\))。

找到正多边形的中心点\(O\),则马给的力等价于又中心点\(O\)向各个顶点的力,记为\(F_1,F_2,F_3...F_n\),且假设这些力大小相等。

以正五边形为例,如下图:

image

那么我们不计空气阻力等等外力,那么这个正多边形的受力情况如何呢?

三、\(Solution\)

\(n\)按奇偶分类讨论。

1.当\(n\)为偶数时

\(n\)为偶数时,这是简单的。

以正方形为例,如下图:

image

可以发现\(F_1\)\(F_3\)\(F_2\)\(F_4\)都可以抵消,则正方形所受合力为0,处于平衡状态。

推广到正\(n\)边形(\(n\)为偶数),也是一样的。

可以发现,正\(n\)边形一共有\(\frac{n}{2}\)条对角线,且每条对角线上受到的两个力都会互相抵消(合力为0)。

所以正\(n\)边形(\(n\)为偶数)一定处于平衡状态,所受合力为0。

2.当\(n\)为奇数时

以五边形为例,如下图:

image

将五边形放进平面直角坐标系中。

二维向量加减结果为横纵坐标分别加减,可以发现点\(B\)和点\(E\),点\(C\)和点\(D\)的横坐标相加均为0,而点\(A\)横坐标为0。

所以最终的合力在水平方向为0。

如果最终的合力不为零向量,则一定是一个向上或向下的力。

将正五边形\(ABCDE\)逆时针旋转36°,等到一个新的正五边形\(A_1B_1C_1D_1E_1\),如下图:

image

将两个正五边形连成一个正十边形。

可以发现如果结果为一个向上的合力,那么两个正五边形会构成两个大小相等的合力,且夹角为36°。

那么根据平行四边形法则,这两个力的合力一定不为零向量。

但事实上这两个力的合力为正十边形的合力,为零向量。

那么说明这两个正五边形所受合力均为零向量。

如果结果为向下的力,分析同理。

所以正\(n\)边形(\(n\)为奇数)也一定处于平衡状态,所受合力为0。

综上所述,这个正多边形的受力平衡,所受合力为0.

结语

理想状态下,这个正多边形的受力平衡。

但是在实际中还有一车影响因素,所以这个结论只有在理论上成立。

http://www.jsqmd.com/news/684598/

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