一杆打爆丁俊晖,有了这个台球桌你也可以

作者: 方弦

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-11-10

本文介绍了一种特殊的台球桌设计,利用椭圆的几何性质,使得打球无需瞄准即可进洞。文章还扩展了关于圆锥曲线在光学和声学中的应用,包括古希腊阿基米德的传说、现代光学设备如手电筒、太阳灶、望远镜和射电望远镜的设计原理。

你打过台球吗?你是否也曾幻想过自己能成为下一个指哪打哪的丁俊晖?下面的这个台球桌就可以让你梦想成真。

如果把台球桌做成椭圆,把球洞放在椭圆的焦点,把要打进的球放在另一个焦点的话,那么根本不需要瞄准,随便打过去都能一杆进洞。这就是椭圆的特殊性质:如果从一个焦点出发画一条线,碰到椭圆的边上,按照入射角等于出射角的法则反射的话,就一定会碰到另一个焦点。要是球洞在一个焦点,目标球在另一个焦点,只要你打中,力度比较合适,再加一点下旋让白球不要乱动的话,理论上无论如何都能进。

当然,现实比较骨感,因为桌球台边沿是软的,出射角往往大于入射角,会有偏离。要正好进洞,需要加一些旋转,带动目标球也旋转,才能完美弥补这一点。要是技术不够的话,还是把球洞挖大些吧……

这种“无论什么方向反射后都回到焦点”的性质,不是椭圆的专利,其实所有的圆锥曲线都有这样的性质。椭圆可以将一个焦点发出的光线全部反射到另一个焦点,就是在另一个焦点成实像;而双曲线的话,则是一个焦点发出的光线的反向延长线都经过另一个焦点,换句话说就是在另一个焦点成虚像。至于抛物线,因为它可以看作焦点在无穷远处的椭圆,所有平行于对称轴的光线,最后都会汇集到焦点上。这也是“焦点”这个名词的来历。

圆锥曲线的这些性质,古希腊的阿基米德早就知道了。相传当罗马攻打叙拉古的时候,阿基米德号召居民都拿上镜子,把太阳光反射到罗马战船的一点上引发火灾,最后成功拖延攻势。当然这种传说真不真实就很不好说了,但把大致平行的太阳光都反射到一点上的话,居民们镜子排成的形状必须是所谓的“抛物体”,也就是抛物线沿着对称轴旋转得到的立体。

抛物体可以把平行的光线聚集到焦点,或者把焦点处的光线变成平行光,这种性质在光学上非常好用。比如说在手电筒或者探照灯(也就是放大版的手电筒)里就必须有抛物体的镜面,用来将灯泡向四周发射的强光反射到同一个方向,这才能做到指哪儿哪儿亮的效果。反过来用的话,太阳灶就是一个例子,在阳光充足但运输困难的地区,比如说西部,一个太阳灶简直是家庭主妇的好帮手。

把近似抛物体的灶面指着太阳一架起来,把锅放到焦点上,过一段时间就能吃到热腾腾的食物了。奥运圣火也是通过一个小型太阳灶升起来的,美其名曰盗取天火,还是多亏了抛物线。当然,别的椭圆曲线在光学上也有不少作用,尤其是在天文望远镜的建设上。在19和20世纪,为了研究星空,天文望远镜的口径做得越来越大,以前常用的折射式望远镜建造起来越来越困难,因为越大的透镜,要磨到能用就越困难。

所以,很多大口径的望远镜,都部分采用了反射式的结构:主镜采用抛物体反射镜,再利用不同圆锥曲线反射的性质,将远处的星光慢慢聚拢到目镜上,便于人眼观察。到了现在,几乎所有的大望远镜都利用的相似的架构,其中包括大名鼎鼎的哈勃望远镜和我们中国的LAMOST。当然,只要能反射,无论是光线、电磁波还是声音,圆锥曲线都能做到相通的聚拢发散效果。

同样是望远镜,主要收集电磁波的射电望远镜,也采用抛物体来将电磁波反射到探测器上。卫星信号接收器也可以看成小型的射电望远镜,但它们为了减小体积,往往只会用抛物体的一部分,很容易被误认为圆盘或者炒菜锅。抛物体形的声音反射器,可以将远处某个方向的声音反射到焦点上用麦克风监听,无论是想听到球场上球员之间的对话,还是想记录珍稀鸟类的鸣叫,用它都能做到。

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