【瞎寫】熊是什麼顏色的?

李煎饼_GISer發表於2024-05-22

網上流傳著一個這樣的地理題:

一個探險家在野外紮了頂帳篷,之後他往南走了10公里,往西走了10公里,再往北走了10公里後,發現有一頭熊在撕扯他的帳篷。問這頭熊是什麼顏色的?

答案大家都能猜到,探險家的帳篷在北極,因此這頭熊是白色。這是因為,一般情況下,如果走的路徑不是一個閉合的路線,是不會返回原點的。而在北極,不存在東西方向,所有方向都是南,因此實際結果是走了一個閉合三角形,最終只需要走三個方向就可以返回原點。

如果這道題我們拋去熊不談,如果從地球上某個點,先往南走10公里,再往西走10公里,再往北走10公里後,可以回到原來的點,那除了北極點外,這個點還可能在什麼地方?

我們首先考慮一下,所謂的往東南西北走是什麼意思。我們描述地球表面上的座標時,使用經緯度作為位置參考,同樣的緯度連成的線稱為緯線,同樣的經度連成的線稱為經線。經線也稱子午線,定義為地球表面南北兩極的大圓線上的半圓弧,任意兩根經線長度相等,相交於南北兩極點,指示南北方向。緯線定義為地球某點隨地球自轉形成的軌跡,任意一根緯線都是圓形且兩兩平行,長度為赤道周長乘以緯度的餘弦,赤道最長,離赤道越遠的緯線,周長越短。緯線指示東西方向。

我們先往南走,相當於沿著某一條經線往南走,再往西走,相當於繞著緯圈所在的圓在走,然後再往北走,同樣是沿著一條經線往北走。我們最後一步的往北走實際上就是第一步往南走的一個相反的操作,那麼,如果我們中間的那個往西走10公里的操作能夠讓我們的位置不發生變動,那麼不就可以讓我們回到原點了嗎?

由於緯圈是一個閉合的圓,而且不同緯度的緯圈的長度是不同的,試想,如果在某一個緯度的緯圈長度是10/n公里,n為一個正整數,那麼向西走10公里,不就相當於我們繞著這個緯圈走了n圈之後又回到了原來的地方嗎?

那麼這個緯度是多少呢?

前面我們知道,緯線的長度等於赤道周長乘以緯度(弧度表示)的餘弦,即\(c=C*cos(\phi)\)。我們要求這個值是等於10/n。即,\(C*cos(\phi)=10/n\),則\(\phi=\arccos(\frac{10}{n\cdot C})\),換算成角度,\(\psi=\arccos(\frac{10}{n\cdot C})\cdot \frac{180}{\pi}\)。

我們得到這個位置之後,只需要再往北移動10公里,就可以得到原點的位置。這樣,首先從原點往南走10公里,走到這個緯圈長度為10/n公里的緯度,然後繞著緯圈繞n圈,回到原位置,然後往北走10公里,回到原點。

這個緯度和是南緯還是北緯無關,如果是在南緯,那原點在緯圈北邊10公里,這個沒有問題,但是如果在北緯,那麼這個緯圈距離北極很可能不足10公里,所以我們要首先確定緯圈到北極的距離。

我們先確定一下長度為10公里為北緯圈距離北極的距離,如果這個距離已經小於10公里,那麼北緯就不符合要求了。

為了方便計算,我們視赤道為40000公里,且地球是一個正球,其半徑為\(20000/\pi\)。則緯圈長度為10公里的緯度(弧度制)為\(\arccos(\frac{10}{40000})=\arccos(1/4000)\approx 1.5705463267922926 \quad rad\)

則緯圈上的點到北極點構成的弧長為\(L=\alpha\times r=(\pi-\psi)\times(20000/\pi)\approx 1.591549447496536\)

也就是說,周長為10公里的北緯圈上的點,距離北極,只有不到2公里遠,遠遠小於10公里,所以是不可能在此點再往北走10公里的。

綜上,如果從地球上某個點,先往南走10公里,再往西走10公里,再往北走10公里後,可以回到原來的點,那麼這個點在北半球只有一個北極點可以滿足條件,在南半球,只要是在緯度(角度制)符合\(\psi=\arccos(\frac{10}{n\cdot C})\cdot \frac{180}{\pi}\)上的點,再往北走10公里,其中為n正整數,C為地球半徑,這些點都可以滿足條件。

當然,這個緯度已經到了南緯89.9°了,除了少數微生物之外,幾乎沒有生物存在了,更不會有熊存在了,如果非要較真的話,能夠存在的熊只有透明的水熊(蟲)吧。

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