最美的形状——圆和球

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  公元前6世纪,古希腊数学家毕达哥拉斯就曾说过:“一切立体图形中最美的是球形。”比他稍晚的古希腊哲学家柏拉图也有同样看法。其实,除了外形的美,球体和它的平面图形圆还有着许多其他形状不具备的独特优势,不信,一起来看看。
   主持人:雨田
  对现代绘画颇有影响的法国画家塞尚说过,画家要用圆柱体、球体和圆锥体来表示自然。绘画大师毕加索的画正是这些几何球形的奇妙运用。
  圆是最常见的平面曲线之一,圆沿着它的直径旋转一周就形成了一个球。球是最常见的立体形状之一。
  早先,人们就曾想像组成万物的原子是圆的。随着科学技术的发展,现代人可以用电子显微镜看到各种不同元素的原子,它们的确是圆的。
  我国的“红绸舞”非常好看,其实,演员的一招一式,手和脚所画出来的曲线大多是圆弧线。
  人类很早就知道圆,就会画圆、制作圆形的器皿。从考古发掘中发现,出土的公元前2000年的陶器大多是圆形的,有的上面还有圆形的图案。
  那么,在三四千年以前,古人是怎样画圆的呢?难道古代人也有圆规吗?其实,找一枝树杈或一根藤条就可以画圆,这恐怕是世界上最原始的圆规了。
  圆是最对称的平面图形,每一条直径都是它的对称轴,因此它有无数根对称轴。圆周上的每一点到圆心的距离都相等。自古以来,人类就把车轮做成圆形的,就是利用了圆的这个特性。车身是固定在轴上的,而车轴则位于车轮的圆心处。这样,车轮在不停地转动,车身却始终沿着水平方向前进,车辆行驶起来不但又快又平稳,而且省力。
  把各种各样的盖子做成圆形的,也是利用了圆的对称特性。如果把饼干桶的盖做成正方形的,假设正方形的边长等于1,由勾股定理可以算出,正方形的对角线必然大于1,如果一不留神,盖子就会顺着对角线的方向掉进饼干桶里,由于口比较小,盖子掉进去还不好往外拿。圆形的盖子由于盖子边缘每一点到盖子中心的距离都相等,永远不会掉进桶里。
  球还在美学和建筑学中占有重要地位。
  近几十年来,球形的穹窿建筑在世界各地被广泛采用。这种建筑建设时间短、用料省、坚固美观。
  1957年,美国夏威夷交响乐队要在火奴鲁鲁演出。票早已售完,第二天就要演出了,可是剧场连个影子还没有,场地上只堆放着许多金属杆件。观众都猜测,演出一定是在露天进行。但是,奇迹出现了。仅用了22个小时,一座直径44米的巨大的球形音乐厅便矗立在人们的面前。两个小时后,音乐会按时开始了。
  穹窿建筑的“穹窿”是指圆球形的顶,它是用短而细的杆件构成的。严格地说,穹窿并不是一个的球体,而是由许多个多边形平面组合而成,杆件的点都在球面上,实际上是一个球的内接多面体。
  穹窿建筑是由美国建筑师富勒于1948年首先建成的。穹窿建筑也叫做网格球顶。富勒最重要的贡献在于他看到了多面体、球与建筑之间的联系,并把它应用在网格球顶。由于网格球顶的结构更接近于球,它的性质也更接近球的性质,具有同体积下表面积最小的特点,因此,网格球顶建筑比其他形式的建筑要节省建筑材料。又由于网格球顶在拼接时用了很多三角形,而三角形具有稳定性,所以,网格球顶建筑又有结实可靠的特点。
  在所有形状的容器当中,制作球形容器是用料最节省的。也就是说,用同样多的材料,做成球形容器装的东西最多。我们日常用的锅、碗、瓢、盆,都是球形的一部分,我们习惯把它们叫做圆形。为什么要做成圆形呢?一个重要原因就是为了节省原材料。另外,做成圆形的容器还有运输方便、便于存放、不易损坏等优点。
  小时候玩过吹泡泡吗?用一根塑料管蘸一点肥皂水,用嘴轻轻一吹,一个球形的肥皂泡就飞起来了。
  为什么吹出来的肥皂泡都是球形的呢?这是因为肥皂水有表面张力,这种张力总是把肥皂泡的表面收缩成最小。肥皂泡呈球形表明,在体积一定的各种形状的物体中,球形的表面积最小。
  把粮仓建成球形,不仅节省修建粮仓的材料、粮食装得多,而且进出粮食方便、通气好、容易清底。出于相同的原因,煤气储气罐也做成巨大的球形。
   纪塔娜女神的智慧
  在非洲,流传着这样一个古老的神话传说:一位非洲酋长想考验一下纪塔娜女神的智慧,主动提出要赠给女神一块土地。
  纪塔娜女神问:“酋长要给我多少土地?”
  酋长笑了笑,拿出一张小小的灰鼠皮,说:“我要赠给您的土地,是可以用这张灰鼠皮围起来的,您自己去随便围吧!”酋长心想,一张小小的小灰鼠皮,你能围出多大一块土地?
  纪塔娜女神接过灰鼠皮,先用剪刀把灰鼠皮剪成很细很细的小皮条,再把这些小皮条连接起来,成为一条很长的皮绳。纪塔娜女神的这一招把酋长惊得目瞪口呆:用这么长的绳子可以围出一块很大的土地呀!
  纪塔娜女神并不着急去围土地,而是先去找一段合适的海岸线。她以海岸线为基础围出一个很大的半圆,得到了一块很大的土地。
  纪塔娜女神为什么要围成半圆呢?
  原来,用一定长度的绳子来围出一块土地,数围成圆形的面积最大。纪塔娜女神又巧妙地利用了海岸线,围出一个很大的半圆,使得围出的土地面积最大。酋长非常佩服纪塔娜女神的智慧。
   (选自《探索形状奥秘》)
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