V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Геометрия окружающего мира
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Геометрия в качестве науки развиваласьс древнейших времен. Необходимость измерения площади возделываемых земель, необходимость строительства зданий и сооружений – все это послужило толчком к изучению закономерностей различных фигур. Наряду с сугубо практическими задачами древние геометры решали всевозможные геометрические головоломки, от которых не было ощутимой пользы в быту, однако именно эти изыскания позволили подвести под известные геометрические соотношения строгий базис в виде аксиом геометрии. Так были изучены свойства окружности, конических сечений (парабола, гипербола), спиралей, правильных многоугольников и т.д. Все эти фигуры, должно быть, были подсказаны древним ученым самой природой. Так окружность каждый день встречается в виде солнечного или лунного дисков, парабола и гипербола – вполне наглядный пример кривых, образующихся на срезе конуса, многоугольники встречаются в образе морских звезд, кристаллов, в виде цветков различных растений, спираль можно увидеть в форме ракушек. Таким образом природа сама подсказывала человеку объекты для изучения.
Гипотеза, выдвигаемая мной в данном научном исследовании, состоит в том, что окружающий мир можно считать геометрически правильным. Основывается это предположение именно на том факте, что развитие геометрии началось с изучения объектов, подсказанных человеку самой природой, а значит, природа уже содержит в себе геометрически правильные с человеческой точки зрения элементы, и следовательно, нет оснований не считать, что мир является в большинстве своем геометрически правильным.
Целью исследовательской работы станет выработка неких оценочных характеристик, позволяющих оценить объекты окружающего мира с точки зрения принадлежности некому "правильному" виду, а следом за этим и непосредственная оценка различных видов природных объектов.
Результатом станет вывод о подтверждении или опровержении выдвинутой мной гипотезы.
1. Выработка оценочных характеристик
1.1. Определение понятия идеала
Само определение "геометрически правильный" уже дает ответ на вопрос: "Что является геометрически правильным объектом". Таким объектом является объект, который образован по некоторому правилу, закону, то есть имеет под собой некоторое основание, которое будет отличать его от произвольно составленного объекта. Таких правил для каждого объекта, по всей видимости, может быть несколько.
Является ли объект (Рисунок 1) геометрически правильным? Скорее всего, нет. Это подсказывает нам здравый смысл, которому есть с чем сравнить. В данной фигуре нет общей плавности, множество острых углов, присутствует некоторая несоразмерность составных частей.
Рисунок 1. Произвольная фигура Рисунок 2. Малый звездчатый додекаэдр
Однако следующий объект, вероятно, имеет право называться геометрически правильным (рисунок 2). Хотя у этого объекта острых углов в несколько раз больше, чем у предыдущего, и нет плавных линий, мы тем не менее можем уверенно заявить, что данный объект в своем классе действительно является идеальным[1].
Итак, идеал геометрической фигуры несомненно существует. Человеческий ум на основании опыта и многочисленных наблюдений выработал понятие идеала. Человек практически всегда может уверенно указать на то, принадлежит ли данный объект к идеальному типу или нет, является ли он наивысшей точкой упорядочивания своих составных частей.
1.2. Идеальные геометрические объекты и их свойства
Рассмотрим основные геометрические объекты: окружность, квадрат, ромб, прямоугольник, равносторонний треугольник, равнобедренный треугольник, правильный многоугольник, эллипс, паркет (Рисунок 3).
1 – круг, 2 – квадрат, 3 – ромб, 4 – прямоугольник, 5 – равносторонний ("правильный") треугольник, 6 – равнобедренный треугольник, 7 – правильный многоугольник, 8 – эллипс, 9 – паркет
Рисунок 3. Различные геометрические объекты[2]
Правила, по которым образованы данные фигуры, определить не сложно. Квадрат отличается равенством своих сторон и четырьмя линиями симметрии (линии, проходящие через центр квадрата параллельно его сторонам или по диагоналям). Ромб отличается равенством всех сторон и двумя линиями симметрии. У правильного треугольника все стороны равны и имеются три линии симметрии. У любого правильного многоугольника все стороны равны, а также большое количество линий симметрии. Окружность – максимально симметричная фигура, количество линий симметрии в ней бесконечно. Если рассмотреть паркет, то его основное свойство – повторяющееся соединение одинаковых фигур, например паркет, составленный из прямоугольных "досочек", расположенных"ёлочкой" или в виде "кирпичной" кладки.
Подобные правильные фигуры можно найти и среди объемных фигур. Это шар, тор (бублик), всевозможные правильные многогранники (тетраэдр, октаэдр, гексаэдр или куб, икосаэдр, додекаэдр), параллелограмм, связанные шестигранные призмы (пчелиные соты). Основными свойствами, характеризующими подобные фигуры, являются – опять же симметрия, но уже не только относительно какой-либо оси, но и относительно плоскости; повторение отдельных соединенных между собой элементов, как в примере с пчелиными сотами; образование фигуры ввиду вращения относительно какой-либо оси.
1.3. Выработка списка оценочных характеристик
При анализе свойств идеальных фигур было выявлено, что все виды этих фигур несомненно обладают двумя основными свойствами:
- симметрия;
- равенство или подобие составных частей.
Равенство частей наблюдается у квадрата, ромба или равностороннего треугольника – как равенство сторон. Также у них присутствуют одна или несколько линий симметрии.
У шара присутствуют бесконечное количество осей симметрии и плоскостей симметрии, но отсутствует равенство или подобие составных частей.
Симметрия тора, или в просторечье – бублика, является следствием образования его путем вращения круга относительно удаленной от него оси.
Все типы правильных многогранников обладают симметрией, при этом составлены из некоторого количества одинаковых фигур (треугольников, квадратов, пятиугольников).
Всевозможные виды паркетов, составленные из прямоугольников, треугольников и других составных частей – в совокупности имеют "правильную" геометрическую форму, объясняемую равенством повторяющихся частей.
Из всего этого можно сделать вывод, что отличить "правильную" геометрическую фигуру от произвольной совсем не сложно, достаточно выяснить, имеет ли данная фигура оси или плоскости симметрии, а также – составлена ли она из повторяющихся одинаковых или подобных частей (как например спираль Архимеда – несомненно идеальная фигура, но без оси симметрии, однако, каждый ее виток подобен предыдущему)[3].
Таким образом, именно по наличию/отсутствию симметрии и равенства или подобия составных частей мы будем оценивать различные объекты окружающего мира на соответствие "правильному" геометрическому виду.
2. Оценка объектов окружающего мира
2.1. Классификация геометрических объектов окружающего мира
Весь видимый человеку мир можно разделить на две части. Одна часть – это мир, объекты которого созданы самим человеком. И другая – окружающий мир природных объектов. Само собою, те объекты – архитектурные постройки, средства передвижения, – которые человек создал своими руками, будут являться геометрически правильными. Поэтому их рассматривать нет необходимости. Обратим внимание на объекты природы.
Объекты окружающего мира можно разбить на следующие категории:микроскопические объекты (молекулы, клетки, бактерии, вирусы, мелкие насекомые, песок, пыль и др.); макроскопические объекты (планеты, звезды, галактики, чуть менее – горы, моря, океаны, вообще – ландшафт);объекты флоры (деревья, растения, цветы, грибы);объекты фауны (животные, рыбы, птицы, человек).
Слева направо: спиралевидная галактика, горный хребет в Перу, планета Земля, листья папоротника, цветок брокколи, лист плюща, Драконово дерево, квазар, окаменелость Наутилуса, вирус, апатит, спираль ДНК, подсолнух
Рисунок 4. Объекты окружающего мира
2.2. Применение к каждому классу объектов оценочных характеристик
Рассмотрим объекты из каждой категории на соответствие приведенным выше критериям.
У молекул в высокой степени развито свойство равенства или подобия составных частей. Это легко объясняется способом образования молекул, которые состоят из повторяющихся химических соединений. Соединения молекул между собой нередко образуют правильные фигуры, примером может служить графит, в котором молекулы углерода образуют шестиугольники.Формы некоторых вирусов (смотри Рисунок 4) похожи на правильные многогранники.
Однако, ни к мелкой пыли, ни к песку, ни к клеткам живых организмов нельзя применить свойства симметрии или равенства составных частей. Это объясняется тем, что каждая песчинка, пылинка или клетка – это обособленный объект, который не имеет сильной взаимосвязи с себе подобными объектами, поэтому их соединения не обладают этими свойствами. Но в каждой песчинке или клетке по отдельности можно эти свойства обнаружить. Например, кварцевый песок состоит из мельчайших частиц кристаллов кварца. Кристаллы же при этом обладают ярко выраженной симметричной структурой (Рисунок 4).
Для космических объектов также в большой степени присущи свойства симметрии. Это касается планет солнечной системы, которые имеют шарообразные формы; звезд, которые в большинствеимеют формы шара; спиралевидных галактик, которые за счет вращения приобретают формы спиралей, где каждая ветвь из звезд подобна другой; квазаров – сверхмощных объектов, излучающих потоки энергии и имеющих быстрое вращение (Рисунок 4). Вообще свойства вращения и симметрии характерны для космических объектов, благодаря этим свойствам они и существуют, образуя сгустки массы, которая при отсутствии вращения рассеялась бы в пространстве.
Среди объектов флоры и фауны также немало таких, которые имеют ярко выраженные свойства симметрии или подобия. Пчелиные соты – пример правильного шестиугольника.
Листья папоротника обладают высокой степенью самоподобия, его листья соединяются на тонких ветках, ветки соединяются на ветках потолще и так далее, образуя разветвленную самоподобную структуру. Прожилки в листьях плюща абсолютно симметричны относительно центральной линии. Семена подсолнечника собираются в элегантный симметричный орнамент (Рисунок 4).
Для мира животных и человека принцип симметрии тоже имеет место быть. Однако, это не ярко выраженная симметрия, как в примерах выше, но тем не менее – каждое живое существо симметрично, имеет симметричные органы передвижения, симметричное строение тела, головы. Яркий пример – симметрия крыльев у бабочек. Гусеницы, к примеру, состоят из множества подобных сегментов.
Удивительнейшим фактом, связывающим геометрию и природу является обнаруженный еще в древности принцип золотого сечения в природе.
Золотое сечение в общем виде – это такое отношение, при котором площади следующих друг за другом геометрических фигур соотносятся как ≈1/1,618. Это соотношение наглядно демонстрируется в виде отношения между каждым из двух соседних квадратов, точки которых лежат на логарифмической спирали (Рисунок 5).
Рисунок 5. Золотое сечение в природе
Принцип золотого сечения характерен для живых организмов. Так раковины моллюсков имеют форму спирали Архимеда. Соотношение между узлами разветвления у растений и живых организмов составляет величину золотого сечения.
Таким образом, осевая симметрия и равенство или подобие составных частей присуще широкому классу естественных объектов природы.
2.3. Объекты, не поддающиеся оценке
Наряду с наличием явной симметрии в природе часто встречаются объекты, вид которых не встречает явных геометрических аналогий.
Примером могут служить горные хребты, большинство деревьев (Рисунок 5), формы морей и рек и прочие объекты. Для "построения" объектов этого класса применимы иные критерии, не включающие симметрию. Это так называемое неявное подобие.
Рассмотрим дерево. Его ствол на определенной высоте чаще всего раздваивается, образуя два ствола меньшего диаметра, которые могут быть совсем не симметричны, затем каждый из стволов в свою очередь также раздваивается. Так продолжается вплоть до листьев дерева, прожилки которых также раздваиваются на поверхности листа, все заканчивается на кромке листа, который имеет также ребристую структуру. Такие объекты, в которых присутствуют самоповторы в структуре, называют фракталами. Это обозначение ввел математик Бенуа Мандельброт в своей книге "Фрактальная геометрия природы" в 1975 году[4].
Фракталы очень распространены в природе. Классическим примером служит брокколи (Рисунок 4), форма которой повторяется в каждом составном элементе. За счет высокого сходства этот объект обладает яркой симметрией, поэтому входит в класс "правильных" геометрических объектов. Но так бывает не всегда. Разветвленные сети рек или кровеносной системы человека не имеют явной симметрии, однако обладают свойствами фрактала, неявного подобия составных частей.
В общем случае те объекты, в формах которых невозможно увидеть какие-либо признаки "правильного", не имеют большой силы взаимодействия между своими составными частями, что не дает структуре объекта принимать законченные геометрические формы.
Заключение
В процессе исследования вопроса о том, можно ли считать мир геометрически правильным, мною была выдвинута гипотеза о том, что объекты окружающего мира можно считать геометрически правильными. Эта гипотеза возникла ввиду предположения, что сама геометрия возникла из наблюдений за идеальными объектами в природе.
Далее мною были исследованы характеристики идеальных геометрических форм, и было выяснено, что эти формы обладают двумя основными характеристиками – симметрией и равенством или подобием составных частей. Эти характеристики взяты мною как оценочные для применения в качестве оценки к объектам окружающего мира.
При анализе форм различных природных объектов было выяснено, что большинство из них обладают указанными выше свойствами. Остальные объекты, не обладающие ярко выраженными свойствами, отнесены мною в класс фракталов или составных объектов без сильного взаимодействия составных частей.
На основании всего вышеперечисленного можно утверждать, что в большинстве своем мир геометрически правилен, состоит из объектов, которые изначально обладают свойствами подобия, что обусловлено наличием яркой внутренней силы взаимодействия частей, в результате чего объекты принимают формы, подобные правильным геометрическим фигурам.
Выдвинутая гипотеза подтверждается.
Перечень использованной литературы
1. Правильный многогранник. Статья, http://ru.wikipedia.org.
2. Геометрическая фигура. Статья, http://ru.wikipedia.org.
3. Иоланта Прокопенко. Сакральная геометрия. Энергетические коды гармонии. Изд.: АСТ. – Москва, 2014.
4. Бенуа Б. Мандельброт. Фрактальная геометрия природы. Пер. с англ. А. Р. Логунова. – Москва: Институт компьютерных исследований, 2002.