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为何地球上没有超过 1 万米的山峰?

本帖由 漂亮的石头2022-02-15 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG] 大模头,公众号:数学模型(ID:MATHmodels) 阅读原文

    此前回答过类似的问题:本质是由于山体自重与高度的 3 次方程成正比,而山底底面积与高度的 2 次方成正比。

    随着山的增高,山体的重力增长大于底面抗压能力的增长。山不断增高时,总有一个高度会把自己的底部压垮。美国地球物理学家 Melosh H J. 在其书《Planetary surface processes(占击查看原书电子版)》(Cambridge University Press, 2011)的第三章也指出:the ultimate extremes of altitude on a planet's surface are regulated by the antagonism between the strength of its surface materials and its gravitational field.

    简单起件,我们将山体简化为圆柱,则山体的自重为

    [​IMG]

    其中

    [​IMG]

    为岩石密度,

    [​IMG]

    为山高,

    [​IMG]

    为山的底面积。则山底承受的压强为

    [​IMG]

    岩石的弹性极限一般不会超过

    [​IMG]

    ,当岩石受压超过这个值时,岩石就会产生塑性变形。因此,最高的山底面承受的压强不应超过这个值:

    [​IMG]

    即地球上的山高度不应超过 10 km,而实际上地球上的最高的珠穆朗玛峰只有 8.8 km,因此模型足够说明问题。从上式也可以看出,山的极限高度与重力加速度成反比,火星表面的重力加速度是地球的 1/3。理论上,火星表面的山体高度可达 30 km。而火星表面最高的奥林匹斯山(高出火星基准面 21 km)也确实小于 30 km。

    [​IMG]

    同样的道理,陆地动物的高度也是有限制的。肌肉与骨骼强度正比于其横截面积,也就是与尺寸的二次方呈正比。而其体重随着尺寸的三次方增加。因此随着动物体积的不断增大,骨骼将有可能无法支撑起它的体重。

    以上模型严格来讲并不正确,影响山体高度的因素很多。但我希望我的回答中学生(甚至小学生)也能理解:山的高度有极限、大楼很难建得更高、大型生物比较脆弱等现象的背后,无法承受自重(自身的重力)是其中一个很重要原因。至于如此简单的模型算出的数值恰好也是一万米,可能只是数值上的巧合。

    阅读原文
     
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