如何算一隻雞的表面積?看完中外神人奇葩解法,下輩子不做理科生

2019-12-30   超級數學建模

馬上就2020年了

請你放開那隻雞


今晚,超模君和你們討論一個嚴肅的問題:



秀雞操作


這個沙雕界的數學難題,要是放在前幾個世紀,估計都能把歐拉等一眾數學神仙直接整懵B。

所以,為了讓大家不要成為愣頭青,超模君找到了各系的精英童鞋。希望通過彙集他們的智慧,完成測量雞表面積的工作。

No.1:物理系



他說他有一個絕妙的方法,不過只適用於真空環境下的球形雞

「如果你運氣好得到了這隻球形雞,那你只需要測量密度和質量,代入下面的公式即可求出表面積!」


No.2:體育系


熱愛籃球的他並不認同物理系的辦法:「真空球形雞就是扯蛋」。


他認為以其球之道還治其雞之身,對雞進行暴力調整,才真正可能將雞變成球體。據知情人透漏,該名愛好者在搓成球體雞前當場去shi......

No.3:化工系



專業成績雖然沒有鶴立雞群,但想法天馬行空的他,想到了將雞浸泡在NaOH試劑中,利用試劑與雞皮發生反應的速率,再推算出雞的表面積。

不過,他說實驗十分危險,因為雞隨時會反應劇烈......

No.4:美術系


他認為,只需要那一支大刷子,在雞的表面上非常均勻地刷上一層薄薄的漆,並測出漆的厚度d,再記錄一下用了多少體積的漆(記為V),最後再用V/d即可求解。

No.5:數學系


和定義負數平方根一樣,他希望可以直接定義這隻雞的表面積為1平方雞......

真·雞論文

雖然這些方法看起來好像十分的有道理,但只要你實際操作一番,你便會知道到底有多坑。



那按照這樣說,難道雞的表面積就只有雞自己知道嗎?


其實不然,關於用科學方法測量雞的表面積的問題,國外磚家早已經給出了權威的論文解答。(這次真不是抖機靈了)

來自巴西米納斯吉拉伊大學的Eberson Silva


為了在不滅絕雞性的情況下進行快速測量,作為雞的愛好者的他選擇了非破壞性的方法:數碼光學方法。(Moiré Technique,簡稱MT)

moir技術(MT):可以實現表面積測定的自動化,除了維護物體的完整性之外,還可以提高精度和速度。

在光學技術中,莫爾技術(MT)以其低廉的成本脫穎而出。Assundi&Yung(1991)將MT定義為基於moir現象的通用技術。這些技術用於測量平面、地形等高線、坡度、曲率和物體形狀的變形。


Eberson Silva.《Determination of Surface Area of Broiler Chickens Using Moiré Technique》


在論文中,鑒於對實驗材料的極高要求,Eberson Silva精心挑選了84隻上乘的雞兒界戰鬥機——羅斯肉雞(Ross breed broiler chickens)

Ross breed broiler chickens


不僅如此,Eberson Silva還準備了一個150w的光源、由Autocad2006生成的網格、一個黑色的垂直板、一個數位相機,與雞兒共同組成一個近乎完美的圖像採集實驗裝置。



萬事俱備,就差投影。

緊接著,Eberson Silva將雞兒置於網格線前並擺好造型,用光源對其進行照射。通過條紋投影,捕獲目標雞的形狀



再將採集到的數據進行加工處理,生成三維雞的圖像



最後,將三維圖結合xyz坐標軸導出雞兒的長寬高數據,進行表面積測定,並進行數值校正即可得出結果。


值得注意的是,數碼光學方法實現對雞進行更快的無痛測量。也就是說在Eberson Silva實驗室里待過的雞,都可以活著走出來。


然而美中不足的是,與傳統去雞毛方法相比,快速無痛的數碼光學方法卻增加了5.18%的誤差。


這意味著,這個方法並不是最優解。


氣體吸附法


為消除誤差,同樣作為雞兒問題愛好者的知乎網友@好大的風想起了可愛的BET吸附現象


可愛的BET

由於分子之間的作用力,物體表面會吸附周圍空氣中的氣體分子。氣體吸附量的多少隨著物體表面積的增大而增大。

吸附分為物理吸附和化學吸附。

物理吸附:分子間的吸力(范德華力)所引起的吸附,無選擇性,可以發生在任何固體表面上。

化學吸附:當氣體分子碰撞到固體表面上時便與表面原子間發生電子的交換、轉移或共有,形成吸附化學鍵的吸附作用,不是所有的材料都可發生。


圖片參考來源知乎


於是,他針對雞表面積測量工作提出了驚人的想法:氣體吸附法。

實際上,氣體吸附法在比表面積分析測試的眾多方法中,因其測試原理的科學性,測試過程的可靠性,測試是結果的一致性,成為公認的最權威測試方法。

許多國際標準組織都已將氣體吸附法列為比表面積測試標準,如美國ASTM的D3037,國際ISO標準組織的ISO-9277等等。


總之一句話,氣體吸附法就是牛皮,你用就完事了。



首先,他將雞放在真空下進行高溫加熱處理,目的是要去除雞原本已吸附的各種騷氣體。

圖片參考來源知乎


再把剛加熱完的雞連同真空容器放進液氮中,直接讓雞體驗一下冰火兩重天的爽感。

液氮的低溫可以避免化學吸附的發生,提高測量的準確性。


圖片參考來源知乎


接著,給容器通入關鍵的吸附氣體。而考慮到已獲得性和良好的可逆吸附特性,氮氣成為了最好的選擇。


在這個通入氮氣的過程,容器中的氣壓也會隨之變化。在容器沒有雞的時候,容器氣壓與加入的氮氣量是正比例關係。


而在雞存在的情況下,雞表層會有不同程度的吸附,一般來說,有單層吸附,二層吸附。其中關鍵的是,在第一層和多層吸附的轉變過程中,會出現明顯的氣壓變化。



你會發現,在雞表面單層吸附的斜率逐漸變小,當單層吸附已完成的時候就到達了曲線的拐點,開始進入多層吸附。

到這裡,工作就變得很簡單了。

因為接下來,只需要把實際測定的氮氣分子在樣品表面平衡飽和吸附量(V),通過不同理論模型計算出單層飽和吸附量(Vm),進而得出分子個數,採用表面密排六方模型計算出氮氣分子等效最大橫截面積(Am),再經過若干個計算後,即可輕鬆算出雞的表面積。



關於上面設計的相關計算公式,超模君也不跟你們多BB,直接上圖,免得你們找來找去。



相信聰明的你也已經看懂了,去計算吧

這一個個花里胡哨的硬核方法,向我們完美詮釋了什麼是,講解最沙雕的問題,傳授最高深的理論。


面對這些大神的操作,超模君除了啪啪啪,還能說什麼?



雖然整天沒事喜歡喊牛皮的超模君沒什麼文化,想不到這些奇妙的辦法。但正所謂,Whether it's a black cat or a white cat, it's a good cat that can catch a mouse。

說人話就是,不管是黑貓還是白貓,能抓住老鼠的,就是好貓。

所以,超模君也給大家安利一個好方法:給雞兒講一個冷笑話,然後數掉下來的雞皮疙瘩,再乘以每個疙瘩的占地面積。

最好能冷到雞兒都縮起來