植物王国的奥秘

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  著名数学家笛卡尔通过对茉莉花瓣和叶片轮廓曲线的研究,列出了X3=Y3-3axy=0的方程式,这就是现代数学中有名的“笛卡尔叶线”。睡莲叶子的形状,就是一个较为复杂的高次方程。读了这篇文章,你还会知道很多很多。
  
  说来有趣,在人类居住的地球上,从热带到寒带,从岛屿到高山,从海洋到沙漠,到处都有植物的踪迹。在这浩瀚深邃的绿色世界里,蕴藏着许多数理奥秘。
  科学家经过研究发现,千姿百态的叶片和万紫千红的花朵,其外形轮廓和空间排列都有一定的数学规律。
  著名数学家笛卡尔通过对茉莉花瓣和叶片轮廓曲线的研究,列出了X3=Y3-3axy=0的方程式,这就是现代数学中有名的“笛卡尔叶线”,也称“茉莉花瓣曲线”。其他一些植物的叶片的形状也可以用一定的书写公式来描述,例如睡莲叶子的形状,就是一个较为复杂的高次方程。
  向日葵花盘上的瘦果排列,松树球果上的果鳞分布,都是按照对数螺旋线的弧形排列,这样可以使果实排列得最紧密,容纳的数量最多,从而也就保证后代的繁殖率最高。
  车前草的叶片排列十分巧妙,呈螺旋排列,既不相互重叠,又能最大限度地获得阳光,结果就大大提高了光合作用效率,合成出更多的有机物。建筑师们根据这一原理,设计建造了现代化的螺旋式高楼,每个房间都能达到最佳采光效果。
  植物的外部形态也非常符合几何原理。比如,树干大都是基部粗、上部细、呈圆锥形,尤其是高山上的云杉,整个树形都是圆锥形。这是一种抗倒伏的理想几何形状,可以抵御狂风暴雨的袭击。古代的塔和现代的电视塔,都是模仿云杉的形态建造的,即使遇到12级台风,也可岿然不动。由于日本是个多地震的国家,日本建筑师仿照云杉形态,设计建造了一幢43层的高楼。该楼有极好的抗震能力,强地震时即使楼顶的摆动幅度达到70厘米,仍可安然无恙。
  大自然赋予植物茎叶的巧妙结构,则是力学家的好“老师”。植物的茎大多为圆柱状,其原因是以圆柱形作支撑物最为坚固。因此,古今中外的大型建筑物、大多数也都采用圆柱作顶梁柱,这是建筑师们向植物茎秆学习的结果。
  小麦茎秆的坚固程度更是令人吃惊。它虽然细而中空,却能牢固地支撑着沉甸甸的麦穗。根据力学原理,中空的茎与同样粗度的实心茎相比,两者的持撑能力是相等的。小麦茎秆的这种中空结构,以耗费最少的材料面获得了最大的坚固性。现在人们使用的中空电线杆,正是仿照小麦茎秆制作的。
  至于植物叶片的巧妙结构,首先要说的是玉莲的叶片,它又圆又大,直径可达2米左右,浮在水面上好像两个大碧玉盘,可以负载六七十千克的重物,即使上面坐一位五六岁的儿童也不会破裂或下沉。玉莲的叶片如此牢固,主要是因为其结构非常符合力学原理。在叶片的背面有粗大的叶脉,呈多次二歧分叉,构成了坚固的“骨架”,叶脉之间又布满了纵横交错的镰刀形小叶脉,这样就使叶片非常牢固。英国建筑师约瑟在玉莲叶片结构的启示下,设计建造了一座结构轻巧、顶棚跨度极大的展览大厅,整个建筑明亮而雄伟。
  再说说椰树、蒲葵、油棕等植物叶片的“之”字折扇状结构,由于这种结构具有较大的张应力,可以承受外界给予的较大压力,所以不易被狂风暴雨撕裂和折断。工程师们受到这种叶片结构的启迪,设计制造出了波形板、瓦楞纸板等新颖坚固的建筑材料。
  还有多数禾本科植物的叶片都较长,它往往卷成了筒状,以增加其坚固性来抵御暴风雨的袭击。桥梁工程师们受到这种叶片的启迪,设计建造了轻便、牢固的“筒形叶桥”。
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