[2974] Storage Tanks

Title Text:We’re considering installing a pressurization system to keep the tanks at constant pressure solely to deter them.

Origin:https://xkcd.com/2974/

https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/2974:_Storage_Tanks

储存罐

我们在考虑安装加压系统以确保罐内压力恒定,以此来阻止那帮微积分老师。

https://xkcd.in/comic?lg=cn&id=2974

微积分是数学的一个分支,处理的是持续变化的值。为了展示这类数学的应用,初级课程通常会使用物理示例来说明方程如何在现实生活中应用。一个常见的问题示例是假设一个装满液体的水箱,底部有一个孔,让学生计算水箱排空的时间(通常假设为一个圆柱形水箱,顶部处于大气压下,从一个圆形孔中泄漏低粘度的液体,如常温下的水。)重要的变量有三个:水箱的半径、孔上方液体的高度和孔的大小。

在这种情况下,液位的变化是通过孔的流速的函数,而流速又是孔入口处液体压力的函数(根据托里切利定律),而那种压力又是剩余液体的高度的函数。因此,孔上方水箱中剩余液体的量将遵循二次衰减,这是微积分课程中涉及的一个概念。掌握微积分基础原理的学生应该能够计算水箱液位的下降。更高级的版本的问题可能涉及(A) 一个水箱排水到第二个水箱,然后排到地面,或(B) 一个密封的水箱,其中液体下降时顶部的空气压力下降。

如前所述,许多STEM教师喜欢使用现实世界的例子,理想情况下进行物理演示,以使抽象概念更加难忘。教师可能会用水填满一个水壶,在侧面打开一个孔,并邀请学生将观察到的流出速率与他们的计算进行比较。这幅漫画暗示薇薇安·伦哈特小姐将这个主意推向了极端,她进入了一个工业现场,在一个大型充满液体的桶上钻了一个孔。可以想象,她的班级要么远远观看,要么以某种方式拍摄漏水的过程。

戴安全帽的员工之间的对话暗示有一阵微积分教师进行类似的演示,以至于安保负责人主要的工作是防止这种教学动机导致的破坏。在现实生活中,这种破坏是严重的,因为会有因受损的桶、加压液体或危险物质带来的安全风险(注意桶上的警告标志)。

标题文字开玩笑地提到,保持在漏水处的恒定压力,流速也将变得恒定,因此液位的下降将是线性的,从而大大简化了这个问题,消除了微积分的需求。这个更简单版本的问题可能会阻止微积分教师将其用作演示——尽管它可能会吸引同样大胆的代数教师。

分析与计算[编辑] 漫画观察表明以下假设:

孔上方水箱高度:约20英尺
水箱半径:约6英尺
钻头类型:普通螺旋钻(非孔锯)
钻头尺寸:1英寸(市面上最大常见螺旋钻头)
伦哈特小姐的目标:向她的学生展示二次衰减
考虑一个20英尺高、6英尺半径且带有1英寸直径钻孔的水箱,完全排空大约需要21.5小时——时间太长,不适用于课堂演示——但是也许可以拍摄成延时视频?——尽管可能会由附近的工人水平上修复这个泄漏。
要在36分钟内排空水箱,需要一个6英寸直径的孔。
因此,钻头的大小、喷涌的液体流和这个现实世界示范的可行性之间显然存在不匹配。液体的粘度和密度也是一个未知因素;为了便于计算,微积分问题通常假设液体是普通水(根据定义,其密度为1.00*(1公斤/升(8.35磅/加仑))和粘度为1.001微帕斯卡)或主要由水组成的混合物(具体取决于它还包含什么,如溶解固体或其他物质)。

一个解释是,她能够在短时间内钻出几十个约1英寸的孔,而有毒液体正在喷涌而出,但钻头似乎并没有滴水。
但最可能的解释是,兰德尔没有考虑钻孔和钻头大小与明显的孔大小之间的关系,只有漫画解释网站的挑剔编辑才会注意到并关心这个问题。
或者,水箱在老师钻孔的时候根本没有满。

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