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足球上的趣味数学

 

【作者】 李一凡

【机构】 山东省泰安英雄山中学2018届28班

【摘要】 提到足球,相信人们脑海中第一时间出现的,是一个由正五边形与正六边形的皮革拼接而成的,黑白相间的球。那么,足球上的正五边形与正六边形有什么内在的规律?为什么传统的足球是由正五边形与正六边形的皮革制成的?生活中处处可见数学之美,而在小小的足球上,也蕴含着许多有趣的数学知识。当然,前面所提到的两个问题,也离不开数学的影子。因此,笔者借由这两个问题,介绍了一些相关的有趣的数学知识。

【关键词】 足球;欧拉公式;曲率;
【正文】1.1 欧拉公式
  传统的标准足球是由32块皮革组成的,其中每个正五边形周围相邻的五块皮革都是正六边形的;每块正六边形的周围相邻的六块皮革,由三块正五边形与三块正六边形组成。并且,在每个拼接点周围,恰有两个正六边形与一个正五边形。有趣的是,通过我们了解到的这些事实,我们可以轻易计算出组成足球的32快皮革中,正五边形与正六边形各自的个数。
  首先,设正五边形的数目是x,正六边形的数目是y,显然我们有
  x+y=32.
  其次,我们可以将足球看作一个多面体,其表面由正五边形与正六边形组成。显然多面体的面数为32,棱数为■。承前所述,容易知道这个多面体的顶点数目为■。在几何学中有一个著名的公式——欧拉公式,即多面体的面数+顶点数-棱数=2。因此,我们可以列出另一个方程:
  32+■-■=2.
  结合这两个方程,可以求得x=12,y=20。
  因此,通过欧拉公式,多面体的三个主要特征:顶点,棱长,面被有机的联系到了一起,可见欧拉公式在立体几何中是多么的美妙呀!
  1.2 曲面上的角,曲率
  对于第二个问题,不妨换一种问法:我们可不可以直接用一张皮革制作成一个足球?
  想象一下家中的地板砖。在铺地板砖时,我们必然会要求地板砖将整个地面铺满,不要留出一丁点的缝隙,这就是常见的密铺问题。而要满足密铺的条件,在每个拼接点处,所铺地板砖的角度之和必须为360°。回到传统的足球中,我们知道每个拼接点周围有一个正五边形和一个正六边形,从而拼接点处角度之和为348°。同样是密铺,但是地板与足球面在一个拼接点周围的角度之和却不相同。这种情况出现的根本原因在于地板与足球面的高斯曲率的差异。
  尝试将一张足够大的纸,裹在一个球体的外部。那么我们会发现,无论怎样去裹,球体外部的纸总会出现“褶皱”。也就是说,除非将纸切除多余的“褶皱”部分,否则我们是无法将平面上的一张纸无“褶皱”地裹在球体的外部的。这便给了我们对于平面与球面曲率之间差异的一个直观认识。
  严格来说,过曲面上一点的所有曲率中的最大曲率与最小曲率,称之为该点的主曲率。而曲面上某一点的高斯曲率指的是在这一点上两个主曲率的乘积。如果从高斯曲率来看上面“褶皱”现象的原因,便是由于平面的高斯曲率为0,而球面的高斯曲率不为0。平面与球面高斯曲率的不同,就导致我们是不可能将一个平面没有任何“褶皱”地铺在球面上的。
  再举个相关的简单的例子。我们熟知一条定理:“三角形的内角和为180度。”这个定理严谨的叙述应该是“平面上的三角形的内角之和为180度。”举个最简单的反例:一个位于球面外侧的三角形,其内角和大于180度。因此,平面与球面的曲率差异,导致了他们在某些性质上不完全相同。
  因此,如果我们想要从一张皮革出发,将其拼接成一个完美的球面,我们需要切割掉无穷多的细小“褶皱”,这样的操作是很难做到的,而传统足球选用五边形与六边形的拼接自有其道理所在。在平面上,我们所谓的周角,即绕定点一周的角度,为360°。而在传统足球中,每个拼接点周围的角度之和为348°,接近360°但小于360°。这样的差异,导致在拼接点处,拼接成的面“弯曲”了。由于在拼接处曲面并不光滑,与真正的球面有一定差距,但是相对误差已经很小了。除此之外,由于皮革有一定的柔韧度与弹性,充气之后会发生一定的弹性形变。在足球内部气体充足的情况下,拼接后的球体与完美的球体的误差就更小了。因此,传统的足球采用了正五边形与正六边形拼接的方式,尽可能的使足球接近于一个完美的球体。
  可见,数学知识对于选择足球的制作方式,也是有着不可或缺的作用的。
  • 【发布时间】2018/3/12 10:24:22
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