有趣的数学——螺旋线
一个偶然的机会看了西奥妮·帕帕斯(TheoniPappas)的《发现数学——原来数学这么有趣》【何竖芬译】一书,自己对数学有了新的认识。在自己从教二十多年的经历中,没多少同学感觉数学是有趣的,因此感觉自己有义务告诉同学们数学在我们的生活中无处不在,数学本就是人们生活体验的结晶。正如西奥妮·帕帕斯在序言中说道:
想要体验数学的乐趣,你需要认识到数学不是孤立的学科,它就存在于我们周围的事物中,因此,不要让自己埋头于烦琐的运算,劳心费神,没完没了。而且,很少有人抓住数学的真谛——它与我们的生活和周围环境是那样紧密地联系在一起,数学概念甚至与生俱来就存在于生命细胞的结构里。
本书通过描述数学在生活中的具体体现,旨在帮助你认识到数学与 世界是密不可分的。
数学的乐趣与你第一次发现其他新鲜事物是相似的,它几乎是小孩 子才有的一种好奇,而一旦体验到了,你就再也忘记不了——就如同你第一次透过显微镜观察到你以前所看不到的周围的事物一样,是那么地兴奋和快乐。
西奥妮·帕帕斯(TheoniPappas)是一位数学教师和顾问,1966年获伯克利加州大学学士学位,1967年获斯坦福大学硕士学位。她致力于消除数学中的神秘感以及与此有关的优越感和恐惧感。
螺旋线是一个了不起的数学问题,它渗透到我们生活的各个方面,如基因结构、生长模型、运动方式、自然界和人造世界。
要想理解螺旋线,很重要的一点就是査看其形成。当一组全等矩形纵向地连接起来,那么一个长条的矩形柱就形成了。两个矩形块的连接处呈一定角度倾斜,再一块接一块地一直继续下去。结果,柱状结构弯曲,呈圆形趋势。但是,如果把矩形块的连接面切成倾斜的,那么柱状结构就会围绕自身弯曲,形成三维的螺旋线。脱氧核糖核酸,DNA——遗传染色体,就是由两条这样的三维螺旋线构成的,DNA有两条柱状的磷酸糖分子环环相扣,如上图所示。
螺旋线有很多种,实际上,直立的矩形柱和环形的矩形柱可以被认为是特殊的螺旋线。螺旋线可以是顺时针方向,也可以是逆时针方向。顺时针方向的螺旋线,如开瓶塞的螺丝锥,当放到镜子前面看,就像逆时针方向的螺旋线。
我们的生活中有各种螺旋线的实例。
有些螺旋线无论是顺时针还是逆时针均 很常见,如台阶、线缆、螺丝、螺钉、弹簧、坚果、绳子和糖果棒。环绕圆锥的螺旋线叫做锥形螺旋线,常见的有螺丝、床的弹簧,以及弗兰克•劳埃德•赖特(Frank Lloyd Wright)为纽约葛根海姆博物馆设计的螺旋梯。
在大自然中,我们同样可以找到各种各样的螺旋线结构——玲羊角、公羊角、独角鲸和其他的哺乳动物;病原体、蜗牛和一些软体动物的壳;植物茎和枝蔓(如豌豆)、植物花、植物叶、松果或其他。人类的脐带是一个三重螺旋线结构,由一个静脉和两个动脉向左盘绕而成。
顺时针和逆时针螺旋线缠绕在一起也是常见的。金银花系和常春藤系(包括牵牛花)是共生植物,前者是逆时针方向,而后者是顺时针方向。由于莎士比亚在《仲夏夜之梦》中惟妙惟肖的描写,使它们在人们心中成为了不朽。提泰妮桠王后对波顿说:“睡吧,我要把你抱在我的臂中……菟丝(常春藤的俗名〉也正是这样温柔地缠附着芬芳的金银花。”
运动是螺旋线结构存在的另一个领域。你可以找到螺旋线轨迹的实例——龙卷风、旋涡、下水口、小松鼠在树上爬上爬下,以及美国新墨西哥州卡尔斯巴德的洞穴里生活着的墨西哥无尾蝙蝠,其飞行轨迹也是 螺旋线结构的。
螺旋线结构与DNA分子相关,伴随着这一发现,人们还会在很多领域找到螺旋线结构的存在,这毫不奇怪。螺旋线的不同结构及它们的衍生模式,本身就是由基因密码控制的,因此也可以说是被大自然创造的。