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科普時(shí)光 | 自然螺旋之美

媒體:原創(chuàng)  作者:官山保護(hù)區(qū)
專業(yè)號(hào):官山保護(hù)區(qū) 2022/1/18 16:48:59

螺旋線給人感覺(jué)是彎曲、柔和、含蓄和富于變化,在我們?nèi)粘I钪性缫咽撬究找?jiàn)慣,例如:彈簧、紅酒開(kāi)瓶器、螺絲釘、千斤頂、鐘表的發(fā)條、旋梯等等。

然而,螺旋結(jié)構(gòu)似乎是大自然十分偏愛(ài)的形態(tài)結(jié)構(gòu),龍卷風(fēng)、流水渦旋、蝸牛殼、錐螺、花瓣和葉片的排列、藤的牽絲、海馬的尾等。

走進(jìn)官山保護(hù)區(qū)森林,你可以看到很大高大的樹(shù)木都被藤像螺旋一樣纏繞,直至樹(shù)的頂端。若是在熱天,可要格外小心盤起來(lái)像螺旋的動(dòng)物,它們往往還披著與周邊環(huán)境一樣的偽裝色斑,你猜對(duì)了,這種動(dòng)物是蛇,其中還有毒蛇。螺旋與蛇類,從人類角度來(lái)看,不是美麗而是恐怖,但是,從蛇類自身角度來(lái)看,螺旋賦予它們高效的生存能力。蛇是爬行動(dòng)物,頭不能繞頸部脊椎軸旋轉(zhuǎn),蛇盤成螺旋狀,頭部枕在中央,可以依靠頭頸部轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)觀察四周,遇到危險(xiǎn)時(shí),它可以向任何一個(gè)方向逃走,就不用再掉轉(zhuǎn)身體了,而且,面對(duì)敵害,盤旋的身體就像個(gè)彈簧一樣蹦起來(lái),直接進(jìn)行攻擊對(duì)方。

一些無(wú)毒蛇捕食時(shí),由于沒(méi)有毒液的這種武器,遇到像青蛙一樣掙扎力弱的動(dòng)物,可以直接活吞。但是,如果遇到像山鼠一樣掙扎力強(qiáng)的動(dòng)物,螺旋功夫來(lái)了,繩索一樣的身體緊緊纏繞獵物,隨著獵物每次呼氣時(shí)胸膛收縮,它的身體也縮緊,直至獵物窒息而亡,最后慢慢吞食。
“螺旋”這個(gè)詞,本意來(lái)源于螺螄這類動(dòng)物。在官山保護(hù)區(qū)河溝里有多種螺類,其中有一種學(xué)名叫放逸短溝蜷的螺螄,它的外形細(xì)長(zhǎng)稍尖,通常生活在溪澗中的石頭上,當(dāng)流水順著尖端螺溝流出末端螺溝時(shí),水的流速變緩了,螺體獲得了一個(gè)與水流方向相反的推力,可以減緩水流沖擊,有助螺體在流水中保持身體平衡穩(wěn)定。
鯊魚回腸結(jié)構(gòu)
深入生命體內(nèi)部,人們通過(guò)解剖發(fā)現(xiàn),在動(dòng)物體內(nèi)存在很多螺旋結(jié)構(gòu),例如:聽(tīng)覺(jué)器官內(nèi)部的耳蝸,是傳導(dǎo)并感受聲波的組織器官,像蝸牛殼一樣的螺旋形骨管,里面充滿著淋巴液。鯊魚、肺魚、鱘類等魚類回腸的粘膜層排列成螺旋瓣,就像一個(gè)旋梯,它不僅可以延緩食物的移動(dòng)速度,還能增加腸道內(nèi)的消化面積,更充分地從食物中汲取營(yíng)養(yǎng)。青蛙心臟不像哺乳動(dòng)物具有獨(dú)立四個(gè)房室,心臟不完全雙循環(huán),但是它心臟腹面的動(dòng)脈圓錐內(nèi)生長(zhǎng)出了一個(gè)縱向的螺旋形活瓣,可使心室泵出的富氧血流入頸動(dòng)脈,貧氧血流入肺動(dòng)脈,減少兩種血液的混合,有利于新陳代謝。 

而在生命體的微觀世界,人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)生命體遺傳物質(zhì)DNA就是雙螺旋結(jié)構(gòu),生物在成長(zhǎng)過(guò)程中,在狹小的細(xì)胞核空間內(nèi),用極小量的物質(zhì),承載著生命的全部遺傳信息,并通過(guò)復(fù)制和轉(zhuǎn)錄,最終把生物個(gè)性乃至生物多樣性表現(xiàn)得淋漓盡致。
仰望恬靜夜空,深邃而神秘,浩翰無(wú)邊的宇宙激發(fā)人類無(wú)窮無(wú)際的遐想。天文望遠(yuǎn)鏡拍攝到了令人激動(dòng)的一團(tuán)團(tuán)星云照片,當(dāng)中就有很多螺旋形渦旋,它們攜帶著無(wú)數(shù)閃爍的繁星在飛舞,勾引起人類永無(wú)止境的探索欲望。
我們把一枚官山保護(hù)區(qū)常見(jiàn)的蝸牛殼的螺旋線提取出來(lái),就會(huì)發(fā)現(xiàn)螺旋線本質(zhì)是一種繞中心旋轉(zhuǎn)、半徑逐漸增大的曲線。半徑增加的速率決定了螺旋線的類型,如果在平面上半徑不變的話,就成了圓圈。如果再加上一個(gè)豎軸,螺線沿著豎軸盤旋,空間形狀就變成了彈簧狀或者錐螺狀。數(shù)學(xué)家們對(duì)螺線還進(jìn)行更加深入的理論研究,這些成果已經(jīng)廣泛運(yùn)用到生產(chǎn)技術(shù)與科學(xué)研究之中。

  

有一種螺旋線與數(shù)列1,2,3,5,8,13,21,34,55,89......相關(guān),這種數(shù)列叫斐波那契數(shù)列,第二位數(shù)以后的每個(gè)數(shù)值都是前面兩個(gè)數(shù)之和。數(shù)列還隱藏著一個(gè)重要比值,就是黃金分割律(0.61803398......),隨著數(shù)字的增大,前后兩數(shù)比值越來(lái)越接近黃金分割律,黃金分割律歷來(lái)被染上瑰麗詭秘的色彩,被人們稱為“天然合理”的最美妙的形式比例,它不是無(wú)緣無(wú)故地產(chǎn)生的,實(shí)際上它是自然事物衍生的最適宜形態(tài)比例。黃金分割律具有嚴(yán)格的比例性、藝術(shù)性、和諧性,蘊(yùn)藏著豐富的美學(xué)價(jià)值,在建筑、文藝、制造業(yè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著廣泛而重要的應(yīng)用。

螺旋之美,在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上也能見(jiàn)到,運(yùn)動(dòng)員通過(guò)扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)身體,以螺旋線的形式拋出鉛球、鏈球和鐵餅,是輸出爆發(fā)力最好方式。搏擊項(xiàng)目中的旋踢,以及足球運(yùn)動(dòng)的“倒掛金鉤”,腿部飛旋的軌跡實(shí)際上就是一條漂亮的螺旋線。
螺旋銑孔示意圖
大家都知道,航空航天和發(fā)動(dòng)機(jī)的材料要求有很高強(qiáng)度與韌度,用它們來(lái)加工零配件,特別是銑孔環(huán)節(jié),普通機(jī)床鉆頭就無(wú)法勝任,以柔克剛,螺旋就大顯身手了,一種叫做“螺旋銑孔”的工藝出現(xiàn)了,鉆頭的運(yùn)動(dòng)由主軸的“自轉(zhuǎn)”和主軸繞孔中心的“公轉(zhuǎn)”兩個(gè)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成,中心的軌跡是螺旋線而非直線,這樣就可以大幅度減少銑孔損傷,提高孔的質(zhì)量,縮短加工周期。同時(shí),鉆頭還具有分屑快和散熱快的優(yōu)點(diǎn),磨損小使用壽命延長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

在研究龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等自然現(xiàn)象以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)、離心泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)中??蒲腥藛T以螺旋度為視角,分析湍流物理本質(zhì),并把螺旋度守恒性作為研究三維湍流時(shí)空演化的一個(gè)重要方向,期待在高超聲速飛行、熱核聚變中取得進(jìn)一步發(fā)展。

對(duì)于人類的認(rèn)知領(lǐng)域,有什么規(guī)律可循呢?哲學(xué)家已經(jīng)給出了答案:是按否定之否定辯證規(guī)律發(fā)展的。換句話說(shuō),現(xiàn)在的認(rèn)知覆蓋過(guò)去的認(rèn)知,還能夠友好地衍接未來(lái)的認(rèn)知。用一個(gè)生動(dòng)形象圖案來(lái)表達(dá)這個(gè)概念——那就是螺旋線!上升的螺旋線。由小變大、由少變多、由低級(jí)變高級(jí)、由單維度變多維度......永遠(yuǎn)向前發(fā)展。

螺旋既有物質(zhì)結(jié)構(gòu)之美,又有表現(xiàn)形式之美,還有思維智慧之美。它是有機(jī)的和無(wú)機(jī)的,內(nèi)在的和外在的,自然的和社會(huì)的,一切都合而為一。概括地講,它是生命物質(zhì)在一定時(shí)空范圍內(nèi),用最小代價(jià)取得最高效率的繁衍與行為方式,組織器官形成高效能的結(jié)構(gòu),也是自然界乃至宇宙非生命物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的本質(zhì)規(guī)律。大自然中,螺旋現(xiàn)象只不過(guò)是滄海一粟,廣袤深邃的大自然蘊(yùn)藏著無(wú)窮的奧秘,人類一直以來(lái)為之孜孜求索,推動(dòng)著社會(huì)不斷前進(jìn)。

社區(qū)宣教科   左文波 供圖稿

  

主辦 | 社區(qū)宣教科

編輯 | 蔡瑞文

審核 |   

簽發(fā) | 丁永剛

  

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