蜜蜂的蜂房為什麼是六邊形?而不是圓或者其他形狀?

2021-01-10 老胡說科學

之前過了一部最好的關於蜜蜂的紀錄片《採得百花成蜜後》,它被提名為第86屆奧斯卡最佳外語片。攝影非常漂亮,有些瞬間堪稱是傑作。

我寫這篇文章是為了表達我對世界上所有蜜蜂的尊敬。在紀錄片之後,我看到生活是不公平的,我們這些人在這一生中不值得擁有任何東西,尤其是蜜蜂。一隻蜜蜂一生只能採到1/12茶匙的蜂蜜,這簡直令人難以置信。因此,大約有600隻蜜蜂為了一磅蜂蜜而犧牲了自己的生命。此外,600隻蜜蜂要採大約200萬朵花,這意味著飛行9000公裡以收集一磅蜂蜜所需的花蜜。

在95分鐘內,我經歷了很多次開悟。雖然《採得百花成蜜後》是關於蜜蜂危機的,但我是從另一個角度來看待它的。幾乎所有的場景都讓我想起了幾何和數學的美,比如幾何圖案,對稱,鑲嵌,在成千上萬的選項中找到正確的路徑,等等。我也注意到,我有那麼多的幾何老師並不是最好的幾何老師,他們只對教授純數學感興趣。我希望蜜蜂是我的幾何老師,這就是為什麼我認為每個老師都應該向他們的學生展示這部可愛的紀錄片。

蜜蜂再一次告訴我,這個世界上的一切都與幾何有關。早期的數學家沒有數字或公式,他們處理的是度量、事物的數量和形狀。他們學的是幾何,不是數學。

蜜蜂是上帝創造宇宙之後的第一批幾何學家。今天,我們知道他們是天才、博學、勤奮的生物。首先,他們知道他們需要食物和庇護所來生存。因此,它們在幾千年的時間裡建造巢穴。這聽起來很正常,但如果你觀察一個蜂巢,你會注意到一些獨特而迷人的東西。蜜蜂有完美的設計能力來生產和儲存他們的蜂蜜。

我們不知道蜜蜂是怎麼知道幾何學的,但我們知道為什麼。

從12和20天大的蜜蜂有能力把糖從蜂蜜轉化成一種蠟狀物質。在很短的時間內,蜜蜂成為了蠟印表機和鑲嵌領域的教授。

鑲嵌:一個平面的鑲嵌是使用一個或多個幾何形狀的平鋪,沒有重疊和縫隙。在數學中,鑲嵌可以推廣到更高的維度和各種幾何形狀——維基百科。

他們可以在蜂巢內做出最精確有效的設計。我記得一位經濟學家在電視上談論效率,他說:「蜜蜂將蜂蜜儲存在蜂房中,這是對實際經濟最好的說明。」

但是為什麼呢?為什麼蜜蜂選擇六邊形?為什麼它不是一個圓,一個正方形,一個三角形,一個風箏,或其他什麼?

一切都與效率有關,我的意思是節省空間!

蜂房是一種昂貴的建築材料,蜂蠟的使用對蜂巢的經濟至關重要。蜜蜂需要消耗8盎司的蜂蜜才能產生1盎司的蜂蠟。

因此,蜜蜂需要一種設計,讓它們用最少的蠟來儲存儘可能多的蜂蜜。那麼,有沒有一種幾何形狀比其他形狀更經濟呢?

證明我們的問題!

開始我們的證明,我們需要一些幾何形狀,每一個都有相同的體積和高度,看看哪些形狀需要最少的蠟來建造。因此,我們需要選擇周長最短的形式。

讓我們假設蜜蜂製造圓形蜂房。對於一個圓,蜜蜂使用最少的材料。這意味著周長是最短的。然而,一個圓是不經濟的,因為當你把圓放在一起時,它們之間會留下很大的空隙。你能看到下面圓圈之間浪費的空間嗎?

為了提高效率,兩個單元需要共享「一堵牆」!

幾乎所有的正多邊形,如三角形、五邊形、梯形、正方形、長方形和六邊形等都是連在一起的。然而,其中只有三角形、正方形和六邊形在我們「貼瓷磚」的時候沒有留下任何空間。如果你選擇它們中的任何一個,每個蜂房將與其他蜂房共享這些邊。但這不是我們的目的。我們的目標是用最少的蠟來儲存最多的蜂蜜。

在這一點上,如果他們使用相同的蠟量(相同的周長),使一個三角形,一個正方形,或一個六邊形分別儲存我們的蜂蜜,他們會看到,六邊形是最有效的。

例如,假設三角形,正方形和六邊形具有相同的周長,即36。

計算得出:

正方形的面積是81

三角形的面積是62.353829。

六邊形的面積是93.530743

這證明了蜜蜂是美麗而天才的創造者。我們從未見過蜜蜂嘗試不同的形狀來儲存蜂蜜。數千年來,蜜蜂一直在使用六邊形!

相關焦點

  • 為什麼蜂巢是呈現六邊形,而不是圓形或者三角形呢?
    如果你曾經仔細觀察過一個蜂巢,那麼你就會發現,蜂巢是由一格一格的六邊形組成,非常規整有序。為什麼蜂巢是呈現六邊形,而不是圓形或者三角形呢?古希臘哲學家帕珀斯認為蜜蜂們被賦予了「某種幾何方面的先見之明」,認為蜜蜂就是數學天才,它們之所以偏愛六邊形是因為明白六邊形的幾何魅力。我們都知道,蜂巢是蜜蜂休息和儲存蜂蜜的地方。蜂巢就是蜜蜂的「家」,所以它們對於「家」的建設是非常嚴謹的,呈現的六邊形也非常具有意義的。首先,六邊形很容易並排堆放,不會影響整個結構的幾何形狀。
  • 蜜蜂為什麼要把巢穴做成正六邊形而不是圓柱形?差別可大了
    一、蜜蜂巢房不做成正六邊形做成什麼形狀?關於蜜蜂的巢房,如果不做成正六邊形應該做成什麼形狀?這個問題其實很多對蜜蜂好奇的朋友都考慮過,應該說很多朋友認為最好的形狀就是圓柱形,甚至說圓柱形的巢房好過正六邊形,而採用正六邊形的巢房僅僅是節約材料。很多朋友忽略了蜜蜂的習性,在蜂部落看來,其實做成圓柱形的缺點並不僅僅是浪費了材料。
  • 蜜蜂與數學
    正三角形、正方形和正六邊形能夠一個連一個並且有公共邊而不留下不規則的空隙……於是有三種圖形自身可以鋪滿同一點周圍的區域,正三角形、正方形和正六邊形。蜜蜂憑它們的智慧為它們的產品選擇了角數最多的圖形,它們覺察到正六邊形比其他兩種能夠儲存更多的蜂蜜。 那麼,蜜蜂只知道這個對它們有用的事實,即花費同樣的材料建造蜂巢時,正六邊形比正三角形和正方形蜂巢大,從而可以儲藏更多的蜂蜜。
  • 為什麼蜂巢是等邊六邊形?其實蜜蜂的計算能力不亞於一名數學家
    很多蜂農養蜂一輩子了,論養殖技術可以說是爐火純青,要說怎麼養好蜜蜂,他能說得頭頭是道,當問他蜜蜂為什麼把蜂巢築成等邊六邊形而不是其他幾何圖形時,很多經驗老道的蜂農也說不出個所以然,那到底蜜蜂為什麼會將蜂巢築成等邊六邊形而不是其他幾何圖形呢?
  • [ 趣文 ] 為什麼總是六邊形?
    首先,如果一個正三角形的面積為1的話,那它的周長約為4.56   如果一個正方形的面積為1的話,那它的周長為4(四邊形中,正方形最省材料,「和同近積大」)   如果一個正六邊形的面積為1的話,那它的周長約為3.72
  • 蜜蜂的蜂巢為什麼是六角形的?
    小蜜蜂白天忙忙碌碌的,晚上和你一樣也要回家休息。那麼,你有沒有近距離觀察過小蜜蜂的家——蜂巢呢?蜂巢是由一個一個小小的房間組合在一起的,每個小房間都是六邊形,裡面放著蜜蜂寶寶——蜜蜂幼蟲和蜜蜂的女王——蜂后的卵,或是儲存著蜜蜂們的糧食——花粉和蜂蜜。聰明的你一定會感到奇怪,為什麼是六邊形,不是圓形、四方形,或是別的形狀呢?人類的房間就是四四方方的啊!
  • 今日科普:大自然為何青睞六邊形?蠅眼、蜂巢背後的幾何學法則
    力量在起作用 ︰ 蜜蜂似乎已經進化出使用分泌的軟蠟去構築完美六角形巢室的能力。然而,一些研究人員認為,軟蠟表面的均勻張力促使其收縮為面積最小的形狀,就像泡筏上面裂變出的氣泡。Grafissimo / Getty那麼,為什麼又是六邊形呢,這是一個簡單的幾何問題。
  • 讓數學家為之驚嘆的蜜蜂,為何會擁有如此高超的築巢技術?
    其實,蜜蜂築巢的高超技能很早就吸引了許多的科學家。他們不明白為什麼蜜蜂的每個巢穴都是正六邊形,而且看上去如此規整,難道蜜蜂的每個巢穴都是精準無誤的正六邊形嗎?如果這樣的話,這些蜜蜂簡直可以和一個建築大師相提並論了。
  • 所有的蜜蜂都是群居生活嗎?並不是,90%的蜜蜂是獨居青年
    蜜蜂把太陽位置作為一個固定點,並保持一個與太陽有關的角度。當覓食時,蜜蜂找到食物來源,然後直線返回蜂巢,遇到同伴,它還會跳一段簡短的舞蹈,告訴其他蜜蜂在哪裡可以找到食物。 蜜蜂的導航系統也不是完美的,如果一隻蜜蜂離開其正常環境,例如被困在你的車裡到達120公裡以外的地方,又或者蜜蜂的家因為自然災害摧毀了,蜜蜂找不到家或者無家可歸的時候,它該怎麼辦?
  • 蜜蜂建造的巢穴為何如此精妙絕倫?數學家和建築大師都自愧不如
    蜜蜂這種生物,在我們的印象裡一直都是大自然勤勞樸實的一員。商人只在乎蜜蜂產蜜的質量,以便獲得更高的收益。但科學家卻發現了蜜蜂鮮為人知的高超技能,那就是它的築巢技術。我們都知道蜜蜂產的蜜都是要儲存在它精心製造的「房子」裡的。那麼,是什麼樣精巧的「房子」讓眾多科學家都為之驚嘆呢?
  • 幾十年來,科學家終於破解了土星神秘的六邊形風暴
    1980年11月,旅行者號飛船抵達土星,拍下了土星北極六邊形風暴的模糊身影。在2004年,卡西尼號飛船到達土星的軌道,但是直到2007年才拍到北極六邊形風暴的清晰照片。一時間,網上流傳了許多關於土星神秘六邊形風暴的猜測。
  • 大自然的鬼斧神工,簡單的六邊形背後深刻的數學和物理
    達爾文認為主導這一切的是進化論,而不是什麼神祗的力量,於是他進行了一系列實驗,想證實蜜蜂是否僅憑進化和遺傳得來的本能就可以建造出完美的蜂巢。下一個問題是,為什麼是六邊形?這其實是一個很簡單的幾何問題。假設我們想用相同形狀和大小的圖形密鋪一個平面(使圖形不留空隙、也不互相重疊地鋪滿整個平面),那麼只有3種正多邊形可以做到:正三角形、正方形和正六邊形。
  • 自然界為何處處是六邊形?這裡有深刻的數學和物理
    莫非蜜蜂果真像威廉·柯比(William Kirby)在1852年說的那樣,是「天生的數學家」?不管你信不信,反正達爾文不信。達爾文認為主導這一切的是進化論,而不是什麼神祗的力量,於是他進行了一系列實驗,想證實蜜蜂是否僅憑進化和遺傳得來的本能就可以建造出完美的蜂巢。下一個問題是,為什麼是六邊形?這其實是一個很簡單的幾何問題。
  • 天體為啥都是球形,不是方形或者其他形狀呢?
    我們在天文照片中看到天體都是球形的,不過不是一個標準的球形,而是兩頭微扁的扁球形,近似一個橢圓形,但是我們有想過麼?宇宙浩瀚無際,但是卻找不出一個其他形狀的天體,比如長方形、菱形、三角形或者是其他呢?而且像太陽系等星系都呈盤狀,也沒有其他不規則形狀的星系,這直接有什麼必然聯繫嗎?
  • 六邊形瓷磚:用形狀改變行業
    噴墨列印技術的成熟,促使更多的陶瓷企業開始在瓷磚表面效果、凹凸紋理以及形狀上下功夫。《陶城報》記者調查了解到,目前終端市場對於六邊形瓷磚普遍看好,但產品生產方面仍存在不少難點。  華南理工大學教授、行業知名學者尹虹認為,六邊形瓷磚將是流行趨勢的補充,並不能成為主流趨勢。行業和中國消費者習慣上喜歡長方形和正方形磚,六邊形瓷磚只是在規格上進行改變,各種品類的瓷磚產品,如拋光磚、全拋釉、仿古磚等均可通過水刀切割或者模具等工藝製作出六邊形瓷磚,在工藝及技術條件方面,六邊形瓷磚並沒有特殊要求。
  • 實用養蜂技術問答,蜜蜂的生物特性如何?
    實用養蜂技術問答,蜜蜂的生物特性如何?什麼是蜂群?蜜蜂是群體性昆蟲,單只的蜜蜂脫離群體之後就不能夠生存下去,這是為什麼?三型蜂其實就是組成蜂群的三種蜜蜂類型,它們分別為:工蜂:蜜蜂最底層的勞動者,為受精卵發育成生殖器官不完全的雌性蜜蜂,是負責蜂群所以勞動的工作者,例如說採蜜、採粉、哺育幼蟲、清潔保衛、造脾採蠟等等工作。
  • 雪花並非單調六邊形:共39種一般形狀
    這些一般形狀包括柱狀晶體、不規則雪花粒子和平面晶體(傳統意義上六邊形雪花的組成成分),具體產生何種形狀則依賴於溫度和溼度。這個信息圖表展示了39種形狀的基本分類,而這39種形狀又能夠被分成121種子類,這是由日本北海道的北見理工研究所提出的。低溼度下更容易形成冰晶這類的簡單雪花,而高溼度下,則更容易形成平面晶體這類的雪花。俄羅斯視頻製造人Vyacheslav Ivanov 拍攝了2分鐘的「微延時」短片來揭示六邊形冰晶的形成過程。
  • 大家都知道足球是圓的,可足球為什麼是圓的?
    世間萬物都各有其原因,可我們常常接受了「常識」的定義,卻很少去問幾個為什麼。那麼,足球到底為什麼是圓的?踢圓東西,你不會疼其實,這個問題不是特別嚴謹。足球既然叫球,它其實是一個類似球體的東西,不能簡單稱為「圓的」,這是平面和幾何的區別。所以,這個問題如果嚴謹地問,應該是:為什麼足球是一個球體?
  • 蜜蜂巢脾封蓋後為什麼會出現一個孔
    蜜蜂巢脾封蓋後為什麼會出現一個孔,這是一位新手問我的問題。正常的工蜂巢房,在進入兩天的封蓋時期是會出現孔洞,但那是巢房封蓋未全的情況,而他說是一個小小的孔。他怕是什麼病蟲害,問我要不要用藥。其實我想告訴大家的是別亂用藥,特別是養中蜂的人,中蜂一般是不用藥物的。
  • 到底有沒有其他形狀的星球呢?
    但是這些星體的形狀,為什麼都是球形而不是方形的?主要是圍繞著一個主題:我們所處的星球的形狀是什麼?那時有說正方形的、圓形的、六邊形的等等。其中最有說服力的就是天圓地方!由於當時的科學技術水平沒有現在這麼發達。所以這個觀點,影響了幾個世紀人們的觀念。直到1519年,麥哲倫帶領船隊實現了一次世界之旅,才證明了地球是圓的。