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蛛網(wǎng)是一種簡單而優(yōu)美的自然造物.那結(jié)滿露珠的網(wǎng)在晨曦的照射下散射著光輝,沁人心脾,令人陶醉!然而,當(dāng)人們?cè)噲D用數(shù)學(xué)去描述那美麗的結(jié)構(gòu)時(shí),其所需要的公式之復(fù)雜是令人驚異的. 有許許多多蛛網(wǎng)的圖案,它們由各種不同的蜘蛛織成,有片狀的,三角形狀的,漏斗狀的或圓頂狀的.讓我們看一看球蜘蛛的網(wǎng)所揭示的數(shù)學(xué)概念吧!人們很難猜到它聯(lián)系著怎樣一種建筑工作. 在蛛網(wǎng)中人們首先注意到的數(shù)學(xué)對(duì)象大概是兩條類似于螺線的蛛網(wǎng)曲線.我們把從蛛網(wǎng)中心放射出去的那幾股線稱為“半徑”.類似螺線的曲線則由連接兩相鄰半徑的弦形成.位于兩條相鄰半徑間的弦互相平行,沿半徑的所有同位角也全都相等.假如蜘蛛網(wǎng)的半徑有無窮多條,那么整段蛛網(wǎng)將具有單一的形式,這時(shí)替代鋸齒般螺形線的是一條平滑的曲線.這種曲線就是對(duì)數(shù)螺線.
對(duì)數(shù)螺線的性質(zhì). ●在螺線與半徑的交點(diǎn)處畫切線,則切線與半徑所形成的角全都相等.這就是為什么對(duì)數(shù)螺線也稱等角螺線的原因.
●螺線截半徑所得的各線段長,依次成等比數(shù)列.螺線按幾何比率增大,其對(duì)數(shù)螺線的名稱即由此而來. ●當(dāng)蛛網(wǎng)纏繞將近完結(jié)時(shí),它的尺寸會(huì)發(fā)生變化,但這不是對(duì)數(shù)螺線的形狀. ●如果一條螺線形式的線,從它位于中心處的端點(diǎn)逐漸解開,同時(shí)永遠(yuǎn)使線保持一種繃緊的狀態(tài),那線的端頭在解開時(shí)將形成一條對(duì)數(shù)螺線. ●類似于螺線的蛛網(wǎng),既經(jīng)濟(jì)又規(guī)則地充滿了空間,它不僅強(qiáng)韌而且花用的材料最少.
蜘蛛怎樣構(gòu)造它的網(wǎng): 蜘蛛最初為它的網(wǎng)設(shè)置一個(gè)三角形的框架.這對(duì)于產(chǎn)生最大的強(qiáng)度和韌性極為必要,而且所用的絲也可以減少到最低限度.第二條螺線是蜘蛛結(jié)網(wǎng)時(shí)作為陷阱的主要部分,它是用很粘的絲從外部向中心部分兜轉(zhuǎn)而成的.蜘蛛所織的兩種網(wǎng)都是對(duì)數(shù)螺線.(① 原注:蜘蛛開始織網(wǎng)時(shí)利用不同的腺體來產(chǎn)生絲,一些腺體產(chǎn)出很粘的絲,而另一些腺體產(chǎn)生不粘的絲.框架、半徑和第一條螺線(臨時(shí)性的)是用不粘的絲,這樣蜘蛛不至于自己抓住自己,蜘蛛則記住了網(wǎng)的各種情況.這樣,當(dāng)一個(gè)獵物被網(wǎng)粘住時(shí),便能立即判斷該獵物的大小和所在的位置(根據(jù)獵物掙扎時(shí)拖曳半徑引起振動(dòng)的感覺),然后很快地經(jīng)由不粘的絲爬到獵物的旁邊,并最終抓住它的獵物. ) 當(dāng)早晨的露凝布在蜘蛛網(wǎng)上時(shí),互相靠攏的水結(jié)成小小的水滴(特別對(duì)于較粘的絲).蛛網(wǎng)的弦由于水滴的負(fù)荷而彎曲,使得每條弦都變成為懸鏈線! 懸鏈線是由一條自由懸掛著的柔軟的繩子或鏈條所形成的曲線.它的一般性方程為:
這里a是Y軸上的截距. 出現(xiàn)在懸鏈線方程中的e為: 它是一個(gè)無理數(shù)和超越數(shù),也算是一件被蜘蛛網(wǎng)“捕捉”的“獵物”.還有許多其他的數(shù)學(xué)概念,如半徑、弦、平行線段、三角形、相等的同位角、對(duì)數(shù)螺線、懸鏈線等,也和e一樣都“落入”了蜘蛛所編織的陷阱. |
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