四足動物的軀幹(不包括頭尾)的長度和它的體重有什麽關係?這個問題有一定的實際意義.比如,生豬收購站的人員或養豬專業戶,如果能從生豬的身長估計它的重量可以給他們帶來很大方便.
1. 模型準備
四足動物的生理構造因種類不同而異,如果陷入生物學對複雜的生理結構的研究,將很難得到什麽有價值的模型.為此我們可以在較粗淺的假設的基礎上,建立動物的身長和體重的比例關係.本問題與體積和力學有關,搜集與此有關的資料得到彈性力學中兩端固定的彈性梁的一個結果:
長度為L的圓柱型彈性梁在自身重力f作用下,彈性梁的最大彎曲v與重力f和梁的長度立方成正比,與梁的截麵麵積s和梁的直徑d平方成反比,即
υ∝f·L3sd2
利用這個結果,我們采用類比的方法給出假設.
2. 模型假設
(1) 設四足動物的軀幹(不包括頭尾)的長度為L、斷麵直徑為d的圓柱體,體積為m.
(2) 四足動物的軀幹(不包括頭尾)重量與其體重相同,記為f.
(3) 四足動物可看做一根支撐在四肢上的彈性梁,其腰部的最大下垂對應彈性梁的最大彎曲,記為v.
3. 模型構成
根據彈性理論結果及重量與體積成正比關係,有:
f∝m,m∝s·L
由正比關係的傳遞性,得
υ∝s·L4sd2=L4d2υL∝L3d2
上式多一個變量v,為替代變量v,注意到VL是動物軀幹的相對下垂度,從生物進化觀點,討論相對下垂度有:
υL太大,四肢將無法支撐,此種動物必被淘汰;
υL太小,四肢的材料和尺寸超過了支撐軀體的需要,無疑是一種浪費,也不符合進化理論.
因此從生物學的角度可以確定,對於每一種生存下來的動物,經過長期進化後,相對下垂度υL已經達到其最合適的數值,應該接近一個常數(當然,不同種類的動物,常數值不同).於是可以得出d2∝L3,再由f∝sL和s∝d2得f∝L4,由此得到四足動物體重與軀幹長度的關係