在建“经济适用房”这件事上,蜜蜂可能比人更擅长

作者: 张远南 张昶

来源: 原点阅读

发布日期: 2022-04-22 10:27:56

文章探讨了蜜蜂建造蜂房的结构,揭示了其几何结构的效率和经济性,并通过历史上的数学计算验证了蜜蜂建造蜂房的智慧。

天工造物,常常使人惊叹不已!大自然揭示的真理,有时需要几个世纪才能弄清其中的奥秘。生物的进化,积数亿年的优胜劣汰,仍能繁衍至今的,往往包含着“最经济原则”的启迪。蜂窝的构造,大约是最使人心悦诚服的实例!图1是蜂窝的立体剖面图,我们可以清楚地看到:虽然蜂窝的横断面是由正六边形组成,但蜂房并非正六棱柱,房底是由3个菱形拼成。图2是一个蜂房的取样,底朝上是为了让大家看得更加清晰。

蜂房为什么是正六边形的,这一点人们似乎比较清楚,几亿年的进化成果,提示我们这种结构是最省材料的。事实上这是不难理解的:周长一定的图形中圆的面积最大,然而圆是不能铺满平面的,因此不得不让位给正多边形。那么,究竟有多少种正多边形能够铺满平面呢?你只需注意到,这样的正多边形内角必能拼成一个周角,就容易明白。这样的正多边形只能有3个,即正三角形、正方形和正六边形。

从下表可以看出,以上3种图形中正六边形是最经济的一种。

然而,关于蜂房的底部构造就不那么一目了然了!18世纪初,法国学者马拉尔琪曾实测了蜂房底部的菱形,得出一个令人惊异的有趣结论:拼成蜂房底部的每个菱形蜡板,钝角都等于109°28',锐角则等于70°32'。不久,马拉尔琪的发现传到了另一位法国人列奥缪拉的耳里。

列奥缪拉是一名物理学家,他想,蜂房的壁是由蜂蜡构造的,蜂房底部的这种结构,大约应该是最节省材料的!不过列奥缪拉并没有因此而想出个头绪来,只好把自己的想法拿去请教巴黎科学院院士、瑞士数学家克尼格。克尼格经过精心计算,得出了更加令人震惊的结果:根据理论上的计算,建造同样大小的容积,而用材料最少的蜂房,其底部菱形的两角应是109°26'和70°34'。这与实测的结果仅差2'。

人们对克尼格的计算技巧和聪明才智倍加赞赏。他们认为,大自然竟能造就出像蜜蜂这样出类拔萃的“建筑师”,本身就是一项奇迹。蜜蜂在这样细小的构筑上仅仅误差2'是不足为奇的!不料蜜蜂却不买克尼格的账,它们依然坚持着自己祖先留下的法规,我行我素地建造着自己的巢穴,并迫使大名鼎鼎的科学院院士克尼格承认错误!说来也是偶然,一艘船只应用克尼格用过的对数表确定方位,不幸遇难。

在调查事件起因时,发现船上用过的那张对数表竟然有些地方印错了!这件事引起了一位著名的苏格兰数学家科林·麦克劳林(Colin Maclaurin,1698—1746)的注意。1743年,麦克劳林重新计算了最经济的蜂房结构得出菱形钝角应为109°28',锐角为70°32',与马拉尔琪的实测结果丝毫不差!克尼格由于对数表的差误,算错了2'。

18世纪的数学家用高深数学才能计算出的东西,小小的蜜蜂却早在亿万年前,就已投入了实际应用,这是多么的不可思议啊!看到这里,你一定很想了解克尼格和麦克劳林的计算。不过我们无需重复他们的老路。250年来,人们已经找到了许多更加简便的算法。让我们把问题先作一番简化。蜂房底部的构造可以看成是把正六棱柱切去3个角,然后翻转到顶面堆砌而成。这样的图形显然没有改变原来正六棱柱的体积。

现在问题的症结是,翻转后的表面积是增加还是减少呢?

如图5(a)所示,假定正六棱柱边长为l,切去3个角的高为x。很显然,经过切割翻转后的蜂房模型,比起原正六棱柱来说,表面积少了一个面积为的顶面和6个直角边长为1和x的小直角三角形(图中阴影部分为一个小直角三角形);但却多了3个边长为,其中一条对角线为3的菱形面积。

由于菱形面积S◇不难算出为这样,表面积的增加量,便可以表示为x的函数f(x)显然,使表面积增加量f(x)达最小值的x,便是最经济蜂房所要求的。让我们介绍一种由中学生找到的、求f(x)最小值的方法:由于x必须为实数,从而上面二次方程的判别式把上述y的最小值代入求x得算出了x,也就等于算出了菱形的边长为。

利用三角函数定义可以算出菱形的钝角α和锐角β(图5(b))反查正弦函数表可得这便是蜜蜂所揭示的真理!

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