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科普教育小论文竞赛系列:蜂巢的形状及其在科技中的应用

发布时间:2019年08月29日 16:13 作者: 点击:[]

蜂巢的形状及其在科技中的应用

众所周知,蜂巢的形状是正六边形.蜜蜂这种精灵真是创造了大自然的奇迹,这种神奇的结构为科学领域提供了灵感。

蜂窝--自然界最经济有效的建筑 达尔文赞叹蜜蜂的巢房是自然界最令人惊讶的神奇建筑。巢房是由一个个正六角形的中空柱撞房室,背对背对称排列组成。六角形房室之间相互平行,每一间房室的距离都相等。 每一个巢房的建筑,都是以中间为基础向两侧水平展开,从其房室底部至开口处有13°的仰角,是为了避免存蜜的流出。另一侧的房室底部与这一面的底部又相互接合,由三个全等的菱形组成。此外,巢房的每间房室的六面隔墙宽度完全相同,两墙之间所夹成的角度正好是120度,形成一个完美的几何图形。人们总是疑问,蜜蜂巢室为什麽不呈三角形、正方形或其他形状呢?隔墙为什麽呈平面,而不是呈曲面呢? 其实,早在西元前180年,古希腊数学家Zenodorus证明出: 1.周长固定的n边形,以正n边形的面积最大。而且n越大,面积越大。 2.周长固定时,圆面积大於所有正多边形。 古埃及人也早就知道,唯有正三角形、正方形、正六边形,能各自铺成一平面。 1712年瑞士数学家Samuel Konig 在博物学家Reaumur的请托下,证明出:给订正六角柱,底部由三个全等菱形组成,最省材料的做法是,菱形两邻角分别是109°26' 70°34',如此在固定容积下,可有最小表面积。而蜜蜂巢室底部的菱形两邻角分别是109°28' 70°32',和Samuel Konig的理论证明结果仅差2'而已。 最近(19999月)加拿大『环球邮报』科学记者德服林撰文报导说:「经过1600年努力, 数学家终於证明蜜蜂是世界上工作效率最高的建筑者。美国数学家 黑尔 宣称,他已解决蜂窝猜想。四世纪古希腊数学家贝波司提出,蜂窝的优美形状,是自然界最有效经济的建筑代表。他猜想,人们所见到的、截面呈六边形的蜂窝,是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建造成的。他的这一猜想称为蜂窝猜想,但这一猜想直至1999年才由 黑尔 证明。 虽然蜂窝是一个立体建筑,但每一个蜂巢都是六面柱体,而蜂蜡墙的总面积仅与蜂巢的截面有关。由此引出一个数学问题,即「寻找面积最大、周长最小的平面图形」。西元1943年,匈牙利数学家陶斯巧妙地证明,在所有首尾相连的正多边形中,正多边形的周长是最小的。但如果多边形的边是曲线时,会发生什麽情况呢?陶斯认为,正六边形与其他任何形状的图形相比,它的周长最小,但他不能证明这一点。而黑尔在考虑了周边是曲线时,无论是曲线向外突,还是向内凹,都证明了由许多 正六边形组成的图形周长最小。 最杰出的建筑师——蜜蜂 蜜蜂的蜂巢造型奇特,结构巧妙,可谓巧夺天工,很早就引起了科学家们的浓厚兴趣。 蜜蜂为自己造「房子」,它们是世上最杰出的建筑师。 蜂巢结构 蜂巢的基本结构,是由一个个正六角形单房、房口全朝下或朝向一边、背对背对称排列组合而成的建筑物。每一房室大小统一、上下左右距离相等;蜂房直径约0.5公分,房房紧密相连,整齐有序,彷佛经过精心设计。 当气候炎热、蜂巢内温度高升时,工蜂会在蜂巢入口的地方,鼓动翅膀搧风,使巢内的空气流通,因而变为凉爽。 由於蜂蜡色白、质地柔软;因此,建造成的蜂巢,是呈半透明乳白色;经风乾后,逐渐变黄变硬。 据估计,工蜂分泌1公斤的蜂蜡,需要消耗16公斤的花蜜;而采集1公斤的花蜜,蜜蜂们必须飞行32万公里才得以完成;相当於绕行地球8圈的距离。因此,蜂蜡对蜜蜂而言,是宝贝珍贵的。 科学家们研究发现,正六角形的建筑结构,密合度最高、所需材料最简、可使用空间最大。因此,可容纳数量高达上万只的蜜蜂居住。 这种正六角形的蜂巢结构,展现出惊人的数学才华,令许多建筑师们自叹不如、佩服有加!

正六角形的建筑结构,密合度最高、所需材料最简、可使用空间最大,其致密的结构,各方受力大小均等,且容易将受力分散,所能承受的冲击也比其他结构大。  由于这种结构非常坚固,故被应用于飞机的羽翼以及人造卫星的机壁.

在工程建筑中,为确定工程结构在静载荷作用下的强度、刚度或稳定性而进行的力学实验。在研制、鉴定或改进工程结构时,除须对结构的承力零件如杆、轴、壁板、梁、接头、支座等作加载实验外,有时还要对结构作整体或局部的承力性能实验。结构静力实验同理论分析和计算一般是互相验证、互为补充的,但有时由于结构的复杂性和受力的特殊性而无法进行准确的理论分析或计算,结构静力实验就成为确定结构强度、刚度或稳定性的唯一的方法。近年来,结构静力实验有时还和结构断裂实验结合起来。目前,结构静力实验日趋完善,并向大型化方向发展。例如,在飞行器结构(破坏方式的或非破坏方式的)静力实验中,将整架飞机悬挂在分布的多区协调加载系统上,模拟飞机在各种飞行状态下和起飞着陆时的受力情况。这种整机的结构静力实验是鉴别飞机结构设计和制造是否合理的最终鉴定手段。对于建筑结构、船舶结构、机械结构等,也都有了完善的现代化的结构静力实验设备和方法。

另外,蜂窝结构具有一定隔热降噪性能,它的原理是什么呢?蜂窝结构可以让光通过的时候散射,不知道是不是这样隔热的,还是说蜂巢表面把空气分割成若干小格子,减少空气流动从而隔热。隔热的道理就是因为中间是导热性能很差的空气。类似于北方比较常见的双层中空玻璃。空气不流动,导热能力很差,恰好就可以利用空气的这个不良导热能力,起到隔热的作用。

 为大自然的建造师蜜蜂点赞!为科学一线的伟大科学家点赞!

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