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端午別只知道吃,來看看粽子裡面的幾何學!

粽子是端午節期間不可缺少的傳統美食,中國的粽子不僅餡料豐富多樣,形狀也是五花八門,有竹筒形、長方形、圓錐形、金字塔形、三角形等,但是最常見的還是「四角粽子」,也就是四面體形狀的粽子,接下來我們就從幾何學角度,來解析一下粽子中的門道。

四面體在現實生活中不太常見,僅僅聽名字也難以想像它的形狀,其實它還有個更容易被接受的名字——三稜錐。所有三稜錐都有六條棱,四個頂點、四個面,每個面都是三角形,每個三角形面都與一個角相對,底面是正三角形,其他三個面相等(一定是等腰三角形)的三稜錐,被稱為正三稜錐,如果底面和其他三個面完全相等,此時四個面一定都是正三角形,那麼這就叫做正四面體。

粽子做成正四面體有什麼好處?

以長方體、立方體為代表的平行六面體,其實切下一個角都可以構成一個四面體。但是為什麼大多數人都不將粽子做成長方體,而是做成有些奇怪的四面體呢?首先,不同於平行六面體的不穩定性(例如立方體框架可以左右搖晃),四面體的性質非常穩定,只要確定六條棱的長度,就能拼出一個唯一的四面體。因此四面體的粽子更不容易變形。

四角粽子雖然不一定是正四面體,但通常四個面也是相同的等腰三角形,將這個四面體的表面積拆開,可以得到兩個相等的菱形,這就意味著用兩片相似的細長葉子,正好可以將其包裹住,做到了物盡其用。

正四面體還有個特點,就是擁有四條三重旋轉對稱軸,六個對稱面,每兩條對邊都是相互垂直的,這就表明,不管在容器中怎樣擺盤,粽子們看上去都是整整齊齊的平躺著,不會給人橫躺側卧的感覺。

正三稜錐還有一個重心,同時也是它的外接球體和內切球體的球心,就在頂點與底面重心的連線(高)上,將這條高分為3:1,也就是距離地面四分之一處。所以說,如果用牙籤或筷子將粽子紮起來,找准這個點,就最能保證受力均勻,不容易掉下或者碎裂。

圖片來源:image.so.com

正四面體的體積—一場穿越時間空間的考證

粽子從外觀上看,不太容易看出它的體積。雖然四面體的體積和圓錐形一樣,是三分之一的底面積乘以高,但底面積和高也是不容易拿著直尺就測出來的。

阿基米德的排水法當然可以幫助快速地測出體積,但是要準備的量杯也不是太常見,而且粽子濕了之後,剝皮彷彿會更麻煩一些。這時候用到一個特殊的公式,只要知道六條棱的長度,就能知道四面體的體積。

這個公式名字叫海倫-秦九韶公式。由古希臘和古中國兩位數學家分別發現。第一位發現者是海倫二世,又譯為海龍、希倫、希羅等,是古希臘西西里島(現屬於義大利)上的錫拉庫薩(又譯為敘拉古)城邦國的國王,同時也是一位數學家、測量學家和機械工程師。他在著作《度量論》中就提到了用三角形的三條邊求其面積的公式。這本書曾經一度失傳,直到1896年,有人在君士坦丁堡發現了它的手抄本,並在1903年出版。但是五年後的1908年,就有人提出,這條公式其實是阿基米德發現的,只是假託海倫國王的名字,不過還沒有證實。

不管在古希臘是哪位發現了這個公式,在中國的南宋時期,數學家秦九韶在《數書九章》提出了「三斜求積術」,主要用來測量三角形的土地面積,和海倫公式基本相同,只是證明方法不太一樣。這個公式是S=

(p為周長的一半)。

圖片來源:image.so.com

但是,海倫-秦九韶的公式都是用來算面積的,要想算體積還需要進一步加工。但是算出了底面積之後算出高也並不難,假設六條棱分別是a、b、c、d、e、f,經過推演,最後可以得出如下公式:

小小一個四面體的粽子,竟然有這麼多幾何學知識在其中,喜歡數學的朋友們不妨多觀察一下,會有更多有趣的發現。


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