蜂巢為什麼是正六邊形?居然暗含如此有趣的數學原理,太神奇了

2021-01-10 科學角度觀世界

自然界存在著各種非常具有規律性現象,比如點對稱、相對稱、面對稱等等,這些現象經常令我們感到疑惑,為什麼會如此的巧合?其規律的表面下暗含著什麼樣的科學道理?當我們了解了其中的道理後,會發現自然界竟是如此的神奇!

神奇的自然界現象

自然界中並沒有人為的幹預,但很多現象卻似乎與數學有著密不可分的關係,動物不會數學,那麼大自然卻為何是一個數學家?那我們簡單列舉自然界中一些常見的規律現象。

例如烏龜殼的表面具有規則的多邊形圖案

蒼蠅的眼睛由多個 多邊形小顆粒構成

規則的多邊形雪花

等等,就不一一列舉,今天,我們就從蜂巢出發,分析蜂巢為何是這樣的幾何結構。

從蜂巢訴說科學規律

今天就來解密蜜蜂建築的蜂巢為何具有如此整齊的結構,它們為什麼會一致的建成這種規則正六面體結構?當你知道其中的原因一定會讓你驚嘆不已!

要解釋這個現象,首先我們先來思考這樣一個數學問題:

有四座城市剛好分布在正方形的四個角,每條邊距離100KM,城市分布如下圖

圖一

由於城市的發展,需要在A、B、C、D四個城市之間修建馬路,馬路需要聯結四個城市,並且,為了節省經費,需要設計一個修建總路程最短的方案。

那麼,你的第一反應是不是就建造一條上圖形狀的公路呢?如果按照正方形進行修建,也就是需要修4×100=400KM,因此,上面那種方案需要修建400KM公路。

那麼是否還有更優的解決方案呢?於是還有人提出了如下方案:

方案二

那麼上圖方案二長度:100+100+100√2≈341.1KM,似乎比方案一400KM短了五十多公裡,但是和下面的方案三相比還是有差距。

方案三

上圖方案三長度:100×3=300KM,比方案二短了四十多公裡。優勢非常明顯,然而卻依舊敗給第四個方案

方案四

上圖方案四長度:2×100√2=200√2≈282.8KM,比三個方案又少了二十多公裡。這個方案似乎是最優的方案。然而,事實卻並非如此,有人給出了一個一個令人眼前一亮的方案:

最佳方案

上圖中需要修建的公路路程:AE+EC+BF+FD+EF≈57.735×4+42.265=273.205KM該方案比方案四又減少近10KM,因此,這個方案才是最經濟實用的。

看到這裡,或許你已經明白了其中的道理,蜜蜂修建巢穴也是一樣,同樣條件下,蜜蜂肯定會優先選擇需要的建築材料最少的方案,這就是最具典型和代表性的蜂巢結構。因此,我們也不得不感嘆自然界生物竟是如此的聰明。

早在公元前3世紀,古希臘數學家就知道蜂房的正六稜柱的巢是最經濟的形狀,在相同條件下,這種容積是最大的。

後來,人們從蜂巢的結構中受到啟發,建立了形似蜂窩的無線電覆蓋區域。這種覆蓋區域的有效面積最大,覆蓋同樣範圍區域所建的信號塔個數最少,有效的減少了建設投資,

蜂窩式信號基站

從上面這個問題,讓我們認識到,人類需要向大自然學習,自然界中包含的科學哲理更需要我們去用心探索,自然界中物種進化,優勝劣汰,存在的往往就是最優的,存在即合理,其中的道理需要人們深入發掘。並且,我們人類也需要敬畏自然,人類的力量是渺小的,與大自然和諧共處才是人類的使命。

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