神奇的蜂巢结构

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  古人这样赞美蜜蜂的勤劳:“纷纷穿飞万花间,终生未得半日闲. 世人都夸蜜味好,釜底添薪有谁怜. ”直到现在,蜜蜂都是勤劳的象征. 除此之外,蜜蜂还被称赞为“天才的数学家和设计师”. 这又是怎么回事呢?
  早在公元前3世纪,古希腊数学家就研究过:“蜂房(如图1)是最经济的形状,在相同的条件下,这种形状容积最大. ”经研究发现,蜜蜂蜂房是严格的正六棱柱体(如图2),它的一端是平整的正六边形开口,另一端是由三个相同的菱形组成的封闭底盘,壁厚均匀,误差极小. 其中,组成底盘的菱形的钝角为109°28′,所有的锐角为70°32′.
  蜂房为什么筑成正六棱柱体呢?通过计算发现,对于同一种图形而言,在正多边形中只有正三角形、正方形、正六边形可以把平面铺满. 而这三种图形中正六边形最接近于圆形,即同样的面积,正六边形的周长最小,而且又可以把平面无重叠无缝隙地铺满. 所以,蜜蜂选择正六棱柱体,既能保证用料最省,又能保证结构稳定坚固.
  底盘菱形的钝角均为109°28′、锐角均为70°32′,又是为什么?法国数学家克尼格和苏格兰数学家马克洛林通过理论计算发现,如果要消耗最少的材料制成最大的菱形容器正是要用这个角度.
  此外,我们还发现蜂房正六棱柱的侧壁的倾斜度数都是13°,这样可以防止蜂蜜在被蜡帽封盖之前流出.
  从这个意思上说,蜂房真是令人惊叹的神奇天然建筑物,蜜蜂是当之无愧的“天才的数学家和设计师”.
  在现实生活中,神奇的蜂巢设计也给了人类很多的有益启示. 我们不妨来看几个例子.
  在工程建筑和材料工艺中,为了充分节省材料、增强强度、减轻重量,经常采用蜂窝式的结构. 如图3,展示的是一座大跨度的建筑采用了蜂窝状网架屋顶;如图4,展示的是一种“蜂窝式夹层”结构的铝板.
  还有一种应用叫蜂窝网络(如图5),它是指蜂窝式的无线电覆盖方式. 无线电波通过天线向四周发射信号,覆盖的区域是一个圆形. 由于各个区域彼此相连,用圆形小区进行排列,必然会产生较大的空隙和重叠. 当手机进入空隙地区(又叫盲区)时,手机将收不到信号;当手机进入重叠地区,信号又会相互干扰,手机无法使用. 后来,人们从蜂巢得到启发,建立了蜂窝式的无线电覆盖区域. 这种覆盖方式不仅有效面积最大,还能避免干扰,获得了最理想的效果.
  (作者单位:江苏省常州市武进区湖塘实验中学)
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