隱藏在老鼠鬍鬚中的著名數學方程式-歐拉螺線

2020-12-03 電子通信和數學

老鼠的臉上最多有70根鬍鬚,且大小和形狀差異很大。幾乎每一個哺乳動物都具有鬍鬚,但這些齧齒動物被我們稱為「鬍鬚專家」,這意味著它們具有超敏感,可移動的毛髮,可用於探索和感知周圍環境。我們在文中稱老鼠的鬍鬚為"晶須"。

老鼠的晶須差異很大。在科學家最近的研究中,在分析了15隻大老鼠中的523個晶須,發現每種晶須的長度和形狀都不同。他們想進一步研究這些毛髮的形狀,以此作為了解大鼠通過鬍鬚感覺的第一步。

發現,老鼠晶須可以通過稱為Euler螺旋的簡單數學方程式準確描述。這是在整個自然世界中如何發現特殊螺旋形圖案的一個示例。發現它們不僅可以幫助我們更好地了解自然,還可以改善我們自己的工程技術。

歐拉螺旋線(也稱為羊角螺旋線,Spiros或Clothoid)是一種曲率隨長度線性變化的形狀。它看起來很像S形,其中「 S」形的尖端繼續彎曲成螺旋形,螺旋形變得越來越緊。結果,曲線的各方面可以適合多種形狀,包括直的或S形的形狀,曲率增加的或曲率減小的。

這就是為什麼歐拉螺線管可以用來描述所有類型的老鼠晶須的原因,即使它們有許多不同的形狀。有些呈S形,有些朝尖端捲曲更多,有些朝尖端減少捲曲。

老鼠鬍鬚的歐拉螺線

在自然界中,遍布著優美的螺線,許多螺旋沿著它們的長度變得越來越彎曲。例如貝殼,綿羊和羚羊角,海馬和蜥蜴的尾巴,甚至我們自己耳中的耳蝸都被證明沿其長度具有線性曲率半徑,從而使其成為對數螺旋形。

儘管是以瑞士數學家萊昂哈德·歐拉(Leonhard Euler)的名字命名,但歐拉螺旋實際上是由他的同胞詹姆斯·伯努利(James Bernoulli)於1694年首次描述的,他試圖解決與彈性有關的數學問題。但是,伯努利沒有繪製出螺旋線,沒有在他的方程式中添加任何信息,也沒有提供任何工作來證明它為什麼是真的存在。

歐拉發現了伯努利方程,並開始分析1744年所描述的曲線的各個方面。1818年,法國物理學家奧古斯丁·菲涅爾(Augustin Fresnel)獨立地描述了通過狹縫衍射的光的形狀,得出了歐拉螺旋的各個方面。美國土木工程師亞瑟·塔爾伯特(Arthur Talbot)在1890年設計鐵路軌道時,又發現了它,從而使我們的旅途更加順暢

歐拉螺線方程式

特別地,由於歐拉螺線具有從平坦到彎曲的過渡,因此已被用於設計實現該過渡的鐵路軌道或道路的部分。它甚至被用來尋找賽車應該通過彎道的最佳路線。歐拉螺旋線還可以用於設計如何將地圖投影到地球儀上以及改善微波的操作

老鼠的必需品-歐拉螺線但是它如何幫助我們研究老鼠呢?使用簡單的數學方程式描述自然結構的形狀和圖案可以幫助我們理解其功能。

晶須實際上由死毛細胞組成,但它們位於特殊的敏感卵泡中。毛囊是在晶須接觸物體時提取有關晶須的力和方向的信息,並將該信息傳遞到大腦的。該信息是老鼠用來感知物體並判斷其形狀,大小和質地的信息

每根晶須的大小和自然形狀將極大地影響其晶須變形的方式以及到達卵泡的觸覺信號。這意味著能夠用數學方程式描述晶須的形狀將有助於我們理解卵泡收到的信號。我們還可以從等式中看出,老鼠鬍鬚每天可能以相同的量從基部生長(儘管這也可能受季節和大鼠食用的食物的影響)。

大自然充滿了數學模式。考慮到老鼠鬍鬚如何遵循歐拉螺旋,並且這種螺旋在自然界如此普遍,我們認為其他哺乳動物的鬍鬚很有可能遵循相似的規則,並且也可能由歐拉螺旋來描述。這樣,數學可以使我們對生物結構和系統如何工作有特殊的認識。

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