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科普著作告诉你这个圆圈有多圆(图)
中国网 china.com.cn  时间: 2008-10-23  发表评论>>

在美国旧金山,有一些市政检修井井盖的形状就是鲁洛三角形

在美国旧金山,有一些市政检修井井盖的形状就是鲁洛三角形

抽象的圆大家都知道。古代科学家墨子对圆的定义简洁而高明:“圆,一中同长也。”但是,你能在实际生活中做出一个很圆的实物吗?那就是另一回事了。普林斯顿大学出版社2008年推出、John Bryant和Chris Sangwin撰写的科普著作《你的圆有多圆?工程学与数学相遇之处》就回答了这个问题和其他许多应用性的几何问题。

要回答一个圆有多圆,还真不容易。有一类曲线叫常宽曲线(curves of constant width,鲁洛三角形就是典型的常宽曲线),圆是常宽曲线的一个特例。对于这种曲线,即使在几个不同位置测量径长都符合质量要求(测出的径长是一样的),都不能保证整个曲线是符合质量要求的,因为你未测到的某处的径长可能稍长或稍短。本书作者讨论了测量“圆度”的多种方法,但这些方法都有缺点,要想高水平地测量圆度,需要用很精密的仪器,要将被测物体围绕其轴转起来,才能得到令人满意的结论。

本书在论述完圆度问题后,就专门讨论了常宽曲线,举了一些典型的应用实例。比如,英国50便士硬币的外缘是一个七边形,这是一条常宽曲线。用于驱动某些汽车的汪克尔引擎也应用了常宽曲线。在美国旧金山,有一些市政检修井井盖的形状就是鲁洛三角形,其最大优点是这种形状的井盖绝不会掉到井里去。两位作者还介绍了一种基于鲁洛三角形的变体的设备,它能钻出方孔来,其“方度”非常之好。

另一章介绍了平衡术。比如,怎样堆垒一块又一块的木砖,使得悬空部分(下不兜底的那些木砖)尽可能地大,而整摞木砖又不倒?最难的平衡是这样实现的:最上面一块砖伸出第二层砖的1/2以外,第二层砖伸出第三层砖的1/4以外,再往下是1/6、1/8,依此类推,这样,整摞砖达到了坍塌点的90%,但依旧立着。使最顶层的砖完全悬置于底层砖之外,只需要5层砖即可。而要使顶层砖悬置于底层砖的两倍长、三倍长之外,所需层数呈指数增长。还有一种堆法,在顶层受到使之倾覆的外力时有自复原(自扶正)能力,更加令人称奇!

又有一章讨论了悬链线。比如,两根柱子之间松松地系一根绳,绳子悬垂下来产生的形状就是悬链线。读者也许想不到的是,将抛物线(中学生都学过)沿平面滚动,其焦点的移动轨迹便是一条悬链线。

另外几章讨论了一些古典的问题,这些问题也许没有多大现实的应用意义了,但还是很有意思的。比如,怎样自己制作直尺和半圆规(量角器)?怎样制作各式各样的计算尺?本书作者之一Chris Sangwin的祖父就发明过一种计算尺。书中还介绍了求积仪,你手持求积仪的针尖沿着地图上一个国家或省份的边界线移动一圈,求积仪就能算出该国家或省区的面积,多巧妙!作者对求积仪的数学原理和历史都作了趣味横生的介绍。

本书作者可不是光会侃大山的,书中介绍的大多数形状,他们都制作过木质或金属的教具模型。作者John Bryant是已退休的化学工程师,曾长期在英国埃克赛特大学讲授工程学课程。另一位作者Chris Sangwin目前在英国伯明翰大学任教,讲授数学课程,他有过撰写数学科普书的经历。

我们生活的世界越来越虚拟化,这既有好处,又有坏处。坏处之一是:下一代的动手能力、直观能力越来越差。比如,只会敲键盘,不会写字;会用计算机软件绘图,却不会用笔画画;会操作各种复杂的电器,却不会使用锤子和钳子,等等。难道今后的世界就不再需要这样的能力了吗?绝不是的,它们依然是人类的基本能力。因此,在数字时代,这类图书是弥足珍贵的。

文章来源: 科学时报 责任编辑: 小溪
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