生活中无处不在的非线性例子
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摘要
正文
生活中充满了非线性,可以这么说,非线性即是一切,而线性只是非线性在一定尺度或范围约束下的近似。
简单举例如下:
1. 自来水龙头,从拧开的一瞬间,从无到有,就是非线性,随后逐步变大,在宏观尺度好像流体均匀流出,其实不然,需要用流体模型来描述。水龙头继续开大,可能又会变得水流不稳定,非线性再次凸显。
2. 将一并未开封的啤酒打开后,瞬间倒过来,啤酒流出瓶口,开始随着空气导入而液体非常不稳定的间歇喷涌,即便后续比较平稳,而因为空气压强的关系而不断间歇变化,一点没有线性的感觉,直到结束。
3. 烧开一壶水也是类似情况。
可见在一个既定的尺度上,比如酒瓶,水龙头,水壶这样的宏观尺度,中间如果是液体,那么水分子的尺度就很小。这样小尺度的大数量物质在运动的时候,往往能够在宏观尺度上形成一定统计意义的均值或某个现象,而它又是不稳定的。
所以总体上来说,非线性无处不在,线性是偶发,而且也是平均或统计意思上的。
正因为如此,非线性世界的情况多变且复杂,这个找规律和预测提供了障碍。比如天气预报,一般只能预报三天的天气,因为天气的形成,有赖于局部的空气中各种小物质的大量相互作用,参数和属性极多,几乎无法预测。
非线性世界中,偶发的平静,它体现为相对的线性表现,这可以被称为物理规律。这些情况的互相转化,可以被称为相变,就像天气剧烈变化,从一种天气急剧变化为另一种。吉布斯在研究了化学过程后,提出了相变相关理论,比价深刻。
举一个例子:飞机的阻力
当飞机高速飞行,阻力首先是空气阻力,虽然空气分析稀少,这就是为啥大家坐飞机能比汽车快的原因,阻力小,速度快。
但当飞机速度达到一定程度后,哪怕稀薄的空气,不同小分子装机金属机壳的概率,密度,相对速度,频率等也就大了,自然阻力越来越多。
可能大家以为就这样下去了,这个物理过程很清晰。但其实不然,高速运行的飞机,速度达到一定程度后,其前后的空气压差而导致的涡街才是最大问题。
因为飞机开得快,身后压力小,有点类似抽真空。飞机后部或者机翼边缘等地方,压力比较小,于是空气产生了对流,形成漩涡。
而随着飞机飞到一定速度后,漩涡就像一个大炮一样,从飞机后面打出去,就如同飞机后面有一条街道,里面行走着很多漩涡人,简称涡街。
而涡街将进一步导致更大的压力差,将飞机拉回来。所以飞机速度无法进一步提高。
于是大家一定想到了真空当中运行,肯定会好很多,的确如此。所以宇宙空间中的飞行器,比近地飞行的飞机要快得多,就是因为宇宙空间和外层空间更稀薄,
集合没有大气和各种元素和分子,空空如也,接近真空,也就能进一步提速。
在举一个例子:汽车起步
开过车的朋友一定知道,起步挂一档,自动挡的汽车起步的时候也是慢慢提速,档位自动切换到抵挡,以便提供更大的推动力来将汽车从零开始提速。
换挡的操作,其实就是一个非线性的过程。汽车的动力输出和实际速度变化,有对应关系,汽车生产厂家,调教底盘的时候,可定有模拟曲线。
而这根曲线可能看着是线性的,因为是近似,自动挡汽车的自动部件应该就是跟着理论值,通过程序实现自动切换档位(根据汽车当前速度和油门程度来计算),
而手动挡就更清晰了,对应汽车从速度0,到低速,到中速,到高速,正是认识到这几个阶段的非线性,所以手动挡的人,才会根据经验,快速切换合适的档位来提速。
类似的人走路也是起步,虽然说猎豹和百米冠军和汽车或飞机比速度,起步人和动物占优,这是因为动物的生物理化结构,长期进化的结果,起步慢要被吃掉。
所以人和猎豹起步提速比战斗机还快,但后面就被追上了。拿人来说,正准备过马路,在等待红灯变绿的你,将重心正好控制在双脚之间,此时突然绿灯亮了,
心急的你猛的抬起右脚就要往前走,发现你上身往后仰,那是因为惯性。你重心的保持是有惯性的,要改变就要付出代价,且要经理过程和时间。你抬腿便走,
为了保持重心依旧维持在你脚下,你驱赶不得不后仰。正确的做法也许是,你重心微微往前倾斜,然后红灯变绿,你抬腿迈步,正好走出去,配合重心的前移。
然后人每一次走路,都是重心上下及前后的规律性运动,保持相对的稳定和线性,但付出的是你消耗身体能量,化学生物能量。能量持续的消耗,导致身体这个耗散结构,
几乎匀速的均匀步行,非常完美和线性。但在开始走和停下来,这两个独居剧烈变化(和汽车起步与刹车)相对中间匀速运动来说,也是相变,整个过程是分阶段的,非线性。
小结
原理和方法论提要:
1. 非线性无处不在,线性是相对的,非线性是绝对的。
2. 线性之间的切换可以成为相变,指运动状态的剧烈变化。但考虑到变化无时无刻不在,支持程度不同,而程度不同意味着你以怎样的空间和时间尺度来观察过程。
3. 根据《012原理》,物质属性以相互比较运动而体现并因为而能被界定和区别开来,从而定义了物。单独一物是不可描述的,即便是存在的。
4. 根据《012原理》,物物之间的运动,肯定无法均匀,因为非线性得以体现。而非线性也只是因为观察的尺度不同而被近似的看做或不看做线性。
5. 物理规律(非数学规律或哲学原理),只是对相对线性的现象的规律总结,并对同样情况(尺度)下的近似线性做预测。
6. 物理规律,如果能跨越多个物质尺度层次而起效,比如相对论,量子理论,那是因为多个尺度的非线性的近似线性规律具有相似性。
7. 从复杂科学及非线性科学的角度,某条狭义的物理规律,即便能穿透描述多个物质层次和尺度,但不一定就意味着一定能找到描述一切尺度的真理性规律。
8. 但数学和哲学可以描述穿透一起切尺度的真理性规律。
(备注:没时间仔细校对文字,实在抱歉。)