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第7章 蜜蜂与牵牛花的数学

蜂巢断面为正六边形

如果切开蜂巢的话,你就会发现它是由很多呈正六边形的棱柱叠加而成。

正三角形的每个角为60°,所以在任意一顶点衔接6个这样的角就是360°,同样在一个内角为90°的正四边形上对接4个相同的角或在内角为120°的正六边形上对接3个相同的角则都是360°。

在所有边长都相同的正多边形当中,能在平面衔接最紧密的也只有正三角形、正四边和正六边形这三种。为了建巢,在这三种选择中蜜蜂选择了正六边形。那么,蜜蜂选择正六边形的理由是什么呢?

用正三角形建巢很固这是事实,不过相对使用的建巢材料而言空间显得狭小。确切地说,就是盖相同空间的蜂巢,正三角形相对正六边形需要2倍的材料。而如果用正四边形的话,两侧又不太牢固,容易遭到外部力量的破坏。

如果用正六边形的话,几个边相互对接紧密;不仅结构坚固,而且还可使用相对较少的材料获得较大的空间。可谓经济实用。

您的皮肤细胞是六边形吗?

在名叫“6-角精华素”产品的某化妆品公司广告词中也出现了(正)六边形的概念。广告中称,像婴儿一样娇嫩的肌肤呈(正)六边形,如果搽了“6-角精华素”就会拥有像(正)六边形细胞一样的健康肌肤。

在大自然中,我们会很容易找到正六边形对接拼成平面的例子。昆虫的眼睛、蜻蜓的翅膀,还有冬天飘落的雪花等等,从中都可以找到正六边形的身影。不仅大自然是这样,就连飞机机翼的材料也呈蜂窝(honeycomb)状结构,因为这种结构轻便、坚固,而且节省材料。

据说有助于科学睡眠的某枕头产品的内部也呈蜂窝状结构,目的是确保空气循环通畅和自然湿度调节。

等周问题

在相同周长条件下,比较正多边形的空间大小,结果发现的个数越多,其空间越大。举例来说,用同样长度的周长分别制作了正六边形和正八边形,结果可以看出正八边形的空间比正六边形的空间大。正多边形边的个数越多,就越接近圆。而在相同边长的平面图形当中圆的面积最大,也称“等周问题”,这是雅克·伯努利、约翰·伯努利、拉格朗日等众多数学家曾努力研究的问题。

从数学效率角度看,也许蜂巢做成圆桶状是最佳选择,不过这样很难保证其结构的稳定性,综合各方面考虑还是正六边形为最理想的选择。

牵牛花的螺旋

到了夏季,人们随处可以看到缠绕在大树上生长的牵牛花。而树为圆桶状,是为了最大限度减少从各个方向吹来的风的影响。

牵牛花采用螺旋缠绕形式,用它的藤蔓紧紧依附在大树上生长。虽然乍看起来显得不太符合“两点之间距离直线最短”的几何学原理,但如果打开螺旋式缠绕的牵牛花藤蔓,就会发现它是直线,也就是说,牵牛花藤蔓是在用最短的距离缠绕在大树上生长的。

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