莫比烏斯帶(莫比烏斯帶原理)
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2023-04-05
莫比烏斯帶,又譯梅比斯環(huán)、莫比烏斯環(huán)或麥比烏斯帶,是一種只有一個面和一條邊界的曲面,也是一種重要的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)。它是由德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家莫比烏斯和約翰·李斯丁在1858年獨立發(fā)現(xiàn)的。這個結(jié)構(gòu)可以用一個紙帶旋轉(zhuǎn)半圈再把兩端粘上之后輕而易舉地制作出來。
普通紙帶具有兩個面(即雙側(cè)曲面),一個正面,一個反面,兩個面可以涂成不同的顏色;而這樣的紙帶只有一個面(即單側(cè)曲面),一只小蟲可以爬遍整個曲面而不必跨過它的邊緣。這種紙帶被稱為“莫比烏斯帶”(也就是說,它的曲面從兩個減少到只有一個)。
公元1858年,兩名德國數(shù)學(xué)家莫比烏斯和Johann Benedict Listing分別發(fā)現(xiàn),一個扭轉(zhuǎn)180度后再兩頭粘接起來的紙條,具有魔術(shù)般的性質(zhì)。與普通紙帶具有兩個面(雙側(cè)曲面)不同,這樣的紙帶只有一個面(單側(cè)曲面),一只小蟲可以爬遍整個曲面而不必跨過它的邊緣!這一神奇的單面紙帶被稱為“莫比烏斯帶”(M?bius strip)。
作為一種典型的拓?fù)鋱D形,莫比烏斯帶引起了許多科學(xué)家的研究興趣,并在生活和生產(chǎn)中有了一些應(yīng)用。例如,動力機械的皮帶就可以做成“莫比烏斯帶”狀,這樣皮帶就不會只磨損一面了。此外,莫比烏斯帶也是藝術(shù)家眼中的經(jīng)典造型。
科學(xué)家認(rèn)為,當(dāng)具有可展表面(developable surface)的莫比烏斯帶被折成之后,它要盡力達(dá)到具有最小彈性能量的狀態(tài)。從20世紀(jì)30年代開始,一個關(guān)于莫比烏斯帶的力學(xué)問題就始終困擾著科學(xué)家,即如何預(yù)測它的三維空間結(jié)構(gòu)。在新的研究中,來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院的非線性動力學(xué)家Gert van der Heijden和Eugene Starostin利用一組20年未發(fā)表的數(shù)學(xué)方程,解開了這一長達(dá)75年的難題。
奧古斯特·費迪南德·莫比烏斯(Mobius,August Ferdinand)
【介紹】德國數(shù)學(xué)家,天文學(xué)家 。1790 年11月17日生于瑙姆堡附近的舒爾普福塔,1868年9月26日卒于萊比錫。1809 年入萊比錫大學(xué)學(xué)習(xí)法律,后轉(zhuǎn)攻數(shù)學(xué)、物理和天文。1814 年獲博士學(xué)位,1816年任副教授,1829年當(dāng)選為柏林科學(xué)院通訊院士,1844年任萊比錫大學(xué)天文與高等力學(xué)教授。
麥比烏斯的科學(xué)貢獻(xiàn)涉及天文和數(shù)學(xué)兩大領(lǐng)域。他領(lǐng)導(dǎo)建立了萊比錫大學(xué)天文臺并任臺長。因發(fā)表《關(guān)于行星掩星的計算》而獲得天文學(xué)家的贊譽,此外還著有《天文學(xué)原理》和《天體力學(xué)基礎(chǔ)》等天文學(xué)著作。在數(shù)學(xué)方面,麥比烏斯發(fā)展了射影幾何學(xué)的代數(shù)方法。他在其主要著作《重心計算》中 ,獨立于 J. 普呂克等人而創(chuàng)立了代數(shù)射影幾何的基本概念——齊次坐標(biāo)。在同一著作中他還揭示了對偶原理與配極之間的關(guān)系,并對交比概念給出了完善的處理。麥比烏斯最為人知的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)是后來以他的名字命名的單側(cè)曲面——麥比烏斯帶。此外,麥比烏斯對拓?fù)鋵W(xué)球面三角等其他數(shù)學(xué)分支也有重要貢獻(xiàn)。
莫比烏斯帶也叫莫比烏斯環(huán);是天文學(xué)家莫比烏斯和約翰?李斯丁在1858年獨立發(fā)現(xiàn)的。這個結(jié)構(gòu)很簡單,用一個紙帶旋轉(zhuǎn)半圈再把兩端粘上后就行了。
莫比烏斯環(huán)很奇妙,原先紙帶有兩個面,而它只有一個面。沿著原先莫比烏斯環(huán)中間剪開,將會形成一個比原先莫比烏斯環(huán)大一倍,具有正反兩面的環(huán),而不是形成兩個莫比烏斯環(huán)或其他形式的環(huán)。
此外,莫比烏斯環(huán)在數(shù)學(xué)中是一種拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu),在空間,邊界證明中有重要的作用。
莫比烏斯帶的由來是什么?莫比烏斯帶的由來:
公元1858年,德國數(shù)學(xué)家莫比烏斯(Mobius,1790~1868)和約翰·李斯丁發(fā)現(xiàn):把一根紙條扭轉(zhuǎn)180°后,兩頭再粘接起來做成的紙帶圈,具有魔術(shù)般的性質(zhì)。
普通紙帶具有兩個面(即雙側(cè)曲面),一個正面,一個反面,兩個面可以涂成不同的顏色;而這樣的紙帶只有一個面(即單側(cè)曲面),一只小蟲可以爬遍整個曲面而不必跨過它的邊緣。這種紙帶被稱為“莫比烏斯帶”(也就是說,它的曲面從兩個減少到只有一個)。
拓?fù)渥儞Q
莫比烏斯帶是一種拓展圖形,它們在圖形被彎曲、拉大、縮小或任意的變形下保持不變,只要在變形過程中不使原來不同的點重合為同一個點,又不產(chǎn)生新點。換句話說,這種變換的條件是:在原來圖形的點與變換了圖形的點之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系,并且鄰近的點還是鄰近的點。這樣的變換叫做拓?fù)渥儞Q。
拓?fù)溆幸粋€形象說法——橡皮幾何學(xué)。因為如果圖形都是用橡皮做成的,就能把許多圖形進(jìn)行拓?fù)渥儞Q。例如一個橡皮圈能變形成一個圓圈或一個方圈。但是一個橡皮圈不能由拓?fù)渥儞Q成為一個阿拉伯?dāng)?shù)字8。因為不把圈上的兩個點重合在一起,圈就不會變成8,“莫比烏斯帶”正好滿足了上述要求。
莫比烏斯帶之謎說起世界上最奇妙的圖形,那么莫比烏斯帶定能名列前茅。
“成功就是99%的汗水與1%的靈感。”而莫比烏斯帶的發(fā)現(xiàn)就是一個奇跡。在19世紀(jì)的一天,一位名叫莫比烏斯的人正在屋子中苦思冥想,他在想世界上有沒有只有一個面的環(huán)。他百思不得其解,為了放松心情,他準(zhǔn)備出去轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。漫步在玉米地中,莫比烏斯的身體得到了放松,大腦卻還在飛速旋轉(zhuǎn)。他隨手拿起一片寬大的玉米葉子,隨手將一端旋轉(zhuǎn)180度,將兩頭對接起來。這時,奇跡發(fā)生了———這個環(huán)只有一個面了!莫比烏斯欣喜若狂。一個偉大的發(fā)現(xiàn),就此產(chǎn)生了。
莫比烏斯帶有很多神奇的地方:他只有一個面;將它沿著二等分線才開,會變成一個更大的莫比烏斯帶;將它沿著三等分線裁開,會得到一個大圓套小圓……
? 無獨有偶。莫比烏斯帶是一個二維的圖形。而在我們所生活的三維空間世界,也有類似的存在,那就是克萊因瓶,是一個通過計算機模擬出來的虛擬架構(gòu)。他只有一個面,內(nèi)即使外,外即使內(nèi)。
關(guān)于莫比烏斯帶,還有許多神奇的地方。而我們熟悉的黑洞就與這個莫比烏斯帶有些聯(lián)系。在黑洞內(nèi),時間就成為了一個死結(jié),一個莫比烏斯環(huán),在不斷的輪回。
莫比烏斯帶太奇妙了!
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