Atom ma kształt wstęgi Mobiusa. Geometria i matematyka


Zauważyliśmy, że na naszym blogu wystarczająca liczba pytań poświęcona jest tematyce oznakowania opakowań pod kątem wskazania informacji o możliwości recyklingu. W przepisy techniczne Unia Celna W tym celu wykorzystywana jest pętla Mobiusa w artykule „O bezpieczeństwie opakowań”. Jednak sam dokument nie zawiera szczegółowych instrukcji na temat tego, co reprezentuje taki symbol. Dlatego postanowiliśmy przyjrzeć się bliżej pętli Mobiusa.

Aby zrozumieć istotę pętli Mobiusa, zwróćmy się do światowej praktyki w celu interpretacji.

Według standardy międzynarodowe, symbol pętli (paska) Moebiusa stosowany jest wyłącznie w przypadku potwierdzenia zgodności wymagania środowiskowe. Ten znak odnosi się do etykiety ekologicznej. Znak może być używany wyłącznie w celu poinformowania, że ​​materiał (lub jego część) produktu podlega recyklingowi lub odwrotnie, że użyte materiały po utylizacji mogą zostać ponownie wykorzystane. Rysowanie pętli Mobiusa bez odpowiednich dowodów jest niedopuszczalne w świetle międzynarodowych standardów.

Dla odniesienia: Pętla Möbiusa jest symbolem oznakowania ekologicznego typu II. Ten typ nie wymaga uzyskania poszczególne dokumenty w przypadku zgodności z określonymi normami bezpieczeństwa odpowiedzialność za spełnienie wymagań spada na samego producenta.

Ogólnie przyjęty obraz pętli Mobiusa to „szeroka” wersja symbolu, którą reguluje forma znaku nr 1135 ISO 7000. To właśnie ten wzór służy do informowania o przetwarzaniu produktów.

Powszechny stał się także symboliczny obraz pętli Mobiusa, który służy do wskazania rodzaju polimeru. W tym przypadku cyfrowe i oznaczenie literowe plastik, którego istnieje sześć głównych odmian:

Być może w przyszłości wąskie strzałki w formie pętli Mobiusa podczas zaznaczania materiały polimerowe można zastąpić trójkątem równobocznym. Inicjatywę tę podjął Międzynarodowy Komitet ds. Polimerów Amerykańskiego Towarzystwa Badań i Materiałów (ASTM). Propozycja opiera się na fakcie, że użycie strzałek w postaci wstęgi Mobiusa stosowane jest przede wszystkim w kontekście recykling, a na drugim planie stawia główny cel tego systemu etykietowania – pokazanie składu produktu.

Przyjrzyjmy się bliżej wymaganiom dotyczącym oznaczania pętli Mobiusa: spójrzmy na tekst Norma rosyjska GOST R ISO 14021-2000 „Etykiety i deklaracje środowiskowe. Deklarowane przez siebie twierdzenia dotyczące ochrony środowiska ( Oznakowanie ekologiczne według typu II)”.

W podpunkcie 5.10.1 o znaki specjalne Podano główne postanowienia dotyczące pętli Mobiusa. Z tekstu normy wynika, że ​​takiego symbolu należy używać wyłącznie w przypadku twierdzeń dotyczących zawartości pochodzącej z recyklingu lub nadającej się do recyklingu.

Dla odniesienia: w przypadku materiałów pochodzących z recyklingu o czym mówimy o udziale materiału już przetworzonego w produktach; Zawartość nadająca się do recyklingu wskazuje na możliwość dalszego przetwarzania. W pierwszym przypadku należy wskazać ułamek masowy materiał, który został poddany recyklingowi. W przypadku materiałów nadających się do recyklingu stosuje się pętlę Möbiusa bez dodatkowych obrazów cyfrowych.

Podsumowując, chciałbym zauważyć praktyczne doświadczenie rysowanie pętli Mobiusa: in System rosyjski producenci/sprzedawcy nie mają wspólne podejście oznakowanie znakiem recyklingu. Do obiegu wchodzą produkty z różnymi interpretacjami pętli Möbiusa. Ta różnorodność wynika z faktu, że nasze prawodawstwo tego nie robi pojedynczy dokument, co jasno określałoby zasady korzystania z pętli Mobiusa.

Aleksander Posławski

Artemy Baby

To krótki esej o mało znanych niespodziankach, które zdarzają się podczas studiowania geometrii wstęgi Möbiusa.

W literaturze istnieje kilka nazw: płaszczyzna rzutowa, powierzchnia jednostronna, wstążka Möbiusa, pętla Möbiusa, pierścień Möbiusa. Zgodnie z moim zakorzenionym przyzwyczajeniem, w przyszłości będę nazywał przedmiot naszych badań Pierścień Möbiusa.

Krótko o znanych niespodziankach Pierścienie Mobiusa . Jest to konieczne, aby zrozumieć, co zostanie omówione poniżej.

  • Jeśli tniesz Pierścień Mobiusa wzdłuż środkowej linii otrzymasz pierścień z podwójnym półobrótem. Taki pierścień nazywa się *Wstążka afgańska* i jest to już dwustronna powierzchnia z dwoma krawędziami (krawędźmi).
  • Jeśli tniesz Pierścień Mobiusa wzdłuż krawędzi, cofając się o 1/3 szerokości, otrzymasz dwa pierścienie różne rozmiary: mniej - Pierścień Möbiusa ( jednostronna powierzchnia ) i więcej - * Wstążka afgańska * (powierzchnia dwustronna). Pierścienie te są ze sobą powiązane.

A teraz o nowych niespodziankach. Są mało znani szerszej publiczności. I najbardziej ciekawy Czytelnicy mogą powtórzyć eksperymenty opisane poniżej. Autor eseju nie jest zawodowym matematykiem-topologiem, wszystko wymyślił sam, bez pomoc z zewnątrz. Dlatego też wyniki eksperymentów i pomysły wyrażone w tym eseju zostały poddane dyskusji z jego autorem.

Niespodzianka nr 1

Najpierw próbowałem skleić Pierścień Mobiusa nie z jednego, ale z dwóch pasków papieru, po uprzednim ułożeniu ich w stos (Zdjęcie 1). Okazało się, że jest to coś podobnego do prawdziwego Pierścień Mobiusa(Zdjęcie 2):

Dlaczego „coś podobnego”? Bo kiedy rozciągnąłem ten pierścionek, okazało się, że w wyniku sklejenia wyszło „ (Zdjęcie 3).

A jaka jest niespodzianka? Faktem jest, że po rozciągnięciu oryginalnego pierścienia jego integralność nie została naruszona. To oznacza, że składa się dość łatwo odwrotna kolejność do oryginalnego pierścienia (pseudopierścień) Möbiusa(Zdjęcie 4).

Nadszedł czas, aby o tym pamiętać "A Wstążka afgańska” uzyskany przez przecięcie rzeczywistego Pierścienie Mobiusa wzdłuż linii środkowej. Więc, uzyskane przez cięcie, równie łatwo składane pierścień pseudo-Möbiusa . To znaczy przez cięcie Pierścień Mobiusa (dalej - km ) wzdłuż linii środkowej i odbiorczej „Taśma afgańska”( glin .” ) , możesz już otrzymać glin. zebrać w pierścień pseudo-Möbiusa (dalej - RMB ). Możesz po prostu przykleić "glin." i złóż go RMB. Przetestowane w praktyce.

Niespodzianka nr 2

Ta niespodzianka to kontynuacja niespodzianka 1. Przykleiłem już trzy paski papieru w kształcie km , po uprzednim umieszczeniu ich w stosie (Zdjęcia 5 i 6).

Wynik był pewny "kanapka" w formie km(Zdjęcie 7). Jeśli to rozciągniesz "kanapka", następnie rozpadnie się na dwa pierścienie: ten mniejszy km i więcej jest "glin.", powiązane ze sobą (Zdjęcie 8).

Ale ten sam wynik uzyskuje się podczas cięcia km Przez 1 / 3 jego szerokość! Podobnie jak w pierwszym przypadku, te dwa pierścienie można zmontować do stanu pierwotnego "kanapka". Najpierw "glin." pasuje do RMB(Zdjęcie 9) i wtedy km umieszczony pośrodku RMB(Zdjęcie 10). Przetestowane w praktyce.

Co zaskakujące, już po cięciu "kanapka" Przez 1 / 3 szerokość, możesz złożyć nowy, bardziej złożony "kanapka". Teoretycznie taki podział “kanapki” a zbieranie ich można kontynuować… cóż, bardzo wiele razy. Rezultatem będzie wielowarstwowy "kanapka" składający się z wielu warstw „Wstążki afgańskie” i jeden Pierścienie Mobiusa A, znajdujący się pośrodku "kanapka".

Dla bardziej graficznego przedstawienia struktury wielowarstwowej (kanapkowej). pierścienie pseudo-Möbiusa Oferuję dwa rysunki z cyklu „Matematycy żartują”:

Korzystając z przykładu „kanapka” (Zdjęcie 7.10)łatwo i wyraźnie można zrozumieć jeszcze jedną właściwość powierzchni jednostronnej (płaszczyzny rzutowej): nie da się stworzyć dwa, równoległy do siebie powierzchnie jednostronne (przynajmniej w naszej trójwymiarowej, euklidesowej przestrzeni). Któryś z nich na pewno się sprawdzi dwustronne

Tutaj zrobię małą dygresję. W Internecie natknąłem się na opis eksperymentu z Pierścień Möbiusa . Wyglądało to tak: na folii polimerowej w formie km nałożono warstwę metalu. Otrzymaną próbkę poddano testom różne działania, biorąc pod uwagę, że na nim prowadzone są eksperymenty km . Ściśle mówiąc, przeprowadzono eksperymenty na powyższym "kanapka", gdzie znajdowała się robocza warstwa metalu „Wstążka afgańska” , A Pierścień Möbiusa znajdowała się nośna folia polimerowa.

Wracając do tematu, zaznaczę, że też chciałem poeksperymentować km . Ale nie byłem zadowolony z niedoskonałej formy km , otrzymany z prostokątnych pasków. Ta „prostokątna” konstrukcja ma co najmniej trzy strefy deformacji, które wyraźnie pojawiają się po spłaszczeniu km. Dlatego tak pomyślałem km, montowane na bazie listew w kształcie litery S, bardziej zaawansowane technologicznie w działaniu (Zdjęcia 11 i 12).

Aby dostać km z S- W przypadku listwy kształtowej wystarczy połączyć końce listwy i skleić je ze sobą. Co więcej, w zależności od kierunku wygięcia listwy, otrzymasz wersję lewo- lub prawostronną km . Powyższe jest równie proste. "kanapka": stos jest wykonany z 3 -X S paski w kształcie, których końce są łączone i sklejane jeden po drugim.

Eksperymenty z cięciem Pierścienie Mobiusa i zbieranie “kanapki” dzięki tej opcji są bardziej wizualne, a montaż jest bardzo łatwy.

"Kanapka" uzyskany z trzech pasków może służyć jako model do stworzenia kondensatora w formie km . Musisz tylko zrozumieć, że najpierw musisz stworzyć km wykonany z folii metalowej (płytka wewnętrzna-elektroda), a następnie nałożyć na nią warstwy dielektryka i folii metalowej (płytka zewnętrzna-elektroda). Chociaż tutaj nie ma opcji Z km , i z RMB a to będzie wymagało nieco innego podejścia.

Nie wiem, czy taka konstrukcja kondensatora będzie miała przewagę nad tradycyjnym, ale myślę, że będzie interesująca dla osób pracujących z polami skrętnymi. Dlaczego? Jest to już temat do dyskusji z autorem eseju.

Niespodzianka nr 3

Kontynuujmy. Pomimo uzyskanego rezultatu, nadal byłem niezadowolony z niedoskonałości uzyskanej w ten sposób formy. km. Myśląc o tym problemie, przypomniałem sobie o tym km odnosi się do powierzchni torusa. Ponieważ moja wyobraźnia przestrzenna jest napięta i muszę wszystko widzieć oczami i dotykać rękami, wziąłem Pierścień Mobiusa i przykryłam papierowymi pierścieniami. Rezultatem jest ten projekt (Zdjęcie 13).

A gdzie obiecana niespodzianka? Biorąc pod uwagę otrzymane "torus", odkryłem (podkreślam dla siebie; być może wszystko, co opisano powyżej i poniżej, jest od dawna znane czytelnikom tego dzieła), że Pierścień Mobiusa nie dzieli wewnętrznej objętości torusa na dwie odizolowane od siebie wnęki. Innymi słowy: z dowolnego punktu znajdującego się wewnątrz torusa z wbudowanym km , możesz dostać się do dowolnego innego punktu w środku bez konieczności przekraczania samolotu km i powierzchnię torusa.

Dla jasności wyobraźmy sobie torus w formie gumowego koła ratunkowego, wewnątrz którego znajduje się przegroda w formie km . Ciśnienie powietrza wewnątrz okręgu z przegrodą w kształcie km zostanie równomiernie rozprowadzony w całej objętości, niezależnie od tego, gdzie znajduje się smoczek. Przy okazji, zdjęcie 13 bardzo wyraźnie modeluje kształt pole magnetyczne wokół cewki podłużnej Möbiusa.

Teoretycznie zasada konstruowania idealnego torusa Pierścienie Möbi wąsy dość proste, ale praktyczne wdrożenie modelu torusa km wiąże się z pewnymi trudnościami technicznymi.

Do praktycznej produkcji torusów km Najbardziej nadaje się do drukowania Drukarka 3D.

Zatem niespodzianki trwają

Nadszedł czas, aby porozmawiać o tak cudownym geometrycznym ciele jak SZCZYT.

Jak jest otwarte SZCZYT? Zgadza się, otwarte SZCZYT powstaje w wyniku obrotu okręgu tworzącego torus wokół osi znajdującej się poza tym okręgiem i ma tę postać (Zdjęcie 14).

Rozróżniają także szczyt SZCZYT. Dzieje się tak, gdy główna oś obrotu jest styczna do okręgu tworzącego torus. W skrócie – bajgiel bez dziurki. A także zamknięte (osiowe) SZCZYT, gdy oś obrotu przecina okrąg tworzący torus. Dobry przykład- okrągłe jabłko.

Aby otrzymać km V SZCZYT e, oznaczmy średnicę w okręgu tworzącym torus (dwa wektory promieni). Sprawmy teraz, aby okrąg tworzący torus obracał się nie tylko wokół osi zewnętrznej, ale jednocześnie wokół osi wewnętrznej SZCZYT A. Aby wykonać pełny obrót wokół osi zewnętrznej, okrąg musi jednocześnie obrócić się o pół obrotu wokół osi wewnętrznej. Wtedy średnica (dwa wektory promienia) będzie opisywać płaszczyznę w postaci km(Zdjęcie 15).

Ale to km uzyskane w wyimaginowanym doświadczeniu. Jak zdobyć go w prawdziwym życiu, nie mając go na stanie? 3-D drukarka? Możesz wymyślić swój własny sposób, inny niż mój. Zrobiłem co następuje. Na powierzchni otwartej SZCZYT i (z piramidy dziecięcej) narysowałem trajektorię wektorów promienia (Zdjęcie 16). Następnie wziął mosiężny drut i ostrożnie go owinął SZCZYT i wzdłuż tej trajektorii dostałem dwie połówki krawędzi (krawędzie) torus km(Zdjęcie 17).

Następnie połączyłem je za pomocą dwóch rurek, a przestrzeń pomiędzy odgałęzieniami powstałej pętli wypełniłem kawałkami taśmy izolacyjnej (Zdjęcia 18 i 19).

Pierścień Mobiusa V SZCZYT Można to również uzyskać za pomocą wektora o pojedynczym promieniu. W tym przypadku musi jednocześnie wykonać dwa obroty wokół osi zewnętrznej i pełny obrót wokół osi wewnętrznej. I tutaj dwie rzeczy stają się jasne: po pierwsze - km ma oś symetrii (lub linię środkową), a drugą - dlaczego, jeśli tniesz km wzdłuż środkowej linii otrzymasz pierścień z podwójnym półobrótem (*Afg ta wstążka* ). Wyobraź sobie, co narysuje wektor promienia jednostkowego podczas pierwszego obrotu wokół osi zewnętrznej, a co podczas drugiego.

Uważne klejenie czytelnika km a następnie przecinając go wzdłuż linii środkowej, zauważyłem, że nożyczki wykonały jeden obrót. Jeśli tniesz km Przez 1 / 3 szerokość, wówczas nożyczki wykonują już dwa obroty.

KM zachowuje właściwości jednostronnej powierzchni nawet po więcej pół obrotu. Głównym warunkiem jest to, że musi być liczba półobrotów dziwne.

Taki wstęga Möbiusa Lub Pierścień Mobiusa , jak ktoś lubi, nazwałem to dwuwektorem. Po co? Następnie taki pierścień budowany jest z dwóch wektorów promieni. No to co? I co...

Niespodzianka nr 4

W torusie możesz tworzyć trzy-, cztero-, ..., N-wektor Pierścienie Mobiusa. Spójrz na Zdjęcie 20. Ilustruje zasadę tworzenia trójwektorowego pierścienia Möbiusa.

W okręgu tworzącym torus pokazane są trzy wektory promienia - A, B, C. Obracając ten okrąg wokół osi zewnętrznej i jednocześnie kręcąc go wokół osi wewnętrznej tak, aby po zakończeniu obrotu wektor A zadokowany z wektorem W (odpowiednio wektor W Do Z , A Z Do A ), wektory promienia będą opisywać (tworzyć) jednostronną powierzchnię w formie trzywektorowy (trójpłatkowy) Pierścienie Mobiusa.

Jest to uniwersalna metoda otrzymywania jednostronnych powierzchni N-wektorowych, które będą miały wszystkie właściwości zwykłego CM.

Przy takim podejściu do konstruowania torus km specjalne znaczenie nabywa linię środkową (innymi słowy linię koniugacji). W tym przypadku linia koniugacji pokrywa się z wewnętrzną osią torusa. Jeśli na przykład 3-wektorowy KM zostanie wyhaftowany wzdłuż linii koniugacji, otrzymamy wersję „afgańskiej wstążki” w potrójnej pętli:

Trójwektorowy km , utworzone zgodnie z tym schematem, można oznaczyć jako ułamek 1 / 3 , gdzie mianownik wskazuje liczbę wektorów, a sam ułamek wskazuje kąt, pod jakim każdy wektor skręca się podczas pełnego obrotu.

Nazwałem ten ułamek indeks km . Na przykład, jeśli mówię o km Z indeks km = 1 / 4, to oznacza, że ​​o tym mówimy czterowektorowy km z zakrętem 1 / 4 obrót (mnożąc przez 360 0 , otrzymamy wynik w stopniach) lub w 90 0 . Indeks km, wyrażone w stopniach, wynosi kąt bazowy twist. Jednocześnie musimy o tym pamiętać indeks km nie może przyjąć wartości cały numer.

Biorąc to pod uwagę km można dokręcić za pomocą lewej lub prawej śruby, lewą śrubę zaznaczyłem znakiem ”-“ , a prawa śruba to znak “+” . Następnie pełny wpis indeks km Przykład mógłby wyglądać następująco: indeks km = + 1 / 4 . Więc porozmawiamy o czterowektorowy km z zakrętem 1 / 4 obroty (podstawowy kąt obrotu - 90 0 ) i prawą śrubę.

Indeks km staje się bardzo pouczającym wskaźnikiem, pomagającym szybko zrozumieć ogromną rodzinę wielowektorów km i ich różne kombinacje.

Nie postawiłem sobie zadania opisu i usystematyzowania całej różnorodności rodziny torusów km i ich kombinacje. Zatrzymam się tylko na kilku cechach, które trzeba wziąć pod uwagę projektując urządzenia z geometrią km .

1. Jeśli indeks km ma wspólną wielokrotność licznika i mianownika, to przy modelowaniu układu kilku przecinających się km (od 2 lub więcej). Spójrzmy na przykłady 6 - konstrukcja tivectora.

Indeks km =+ 2 / 6 , gdzie wspólna wielokrotność danego ułamka wynosi 2 . Oznacza to, że w wyniku symulacji powstanie system 2 trzywektorowy km z podstawowym kątem skrętu wynoszącym 120 0 :

Indeks km =+ 3 / 6 , gdzie jest wspólna wielokrotność 3 . Podczas modelowania uzyskuje się system z 3 dwuwektorowy km z kątem podstawowym przy 180 0 :

2. Jeśli indeks km wygląda 1 / 4 , 1 / 6 , 1 / 8 … 1 / 2 N Lub 3 / 4 , 5 / 4 , 5 / 6 , 7 / 6 … 2 N±1/2N (gdzie N jest dowolne liczba naturalna, zaczynając od numeru 2 ), to przy modelowaniu się okazuje samoprzecinający się pierścień Möbiusa - od pojedynczego samoprzecięcia do wielokrotnego. Jednocześnie jednostronność takich km w każdym razie jest zapisany. Oto kilka przykładów potwierdzających to stwierdzenie:

Wstęga Möbiusa to trójwymiarowa powierzchnia, która ma tylko jeden bok i jedną granicę i ma matematyczną właściwość braku orientowalności. Zostało odkryte niezależnie i jednocześnie przez dwóch niemieckich matematyków Augusta Ferdinanda Möbiusa i Johanna Benedicta Listinga w 1858 roku.

Model paska Möbiusa można łatwo utworzyć z paska papieru, obracając jeden koniec paska o pół obrotu i łącząc go z drugim końcem, tworząc zamknięty kształt. Jeśli zaczniesz rysować linię ołówkiem na powierzchni taśmy, linia wejdzie głęboko w figurę i przejdzie pod punktem początkowym linii, jakby przechodziła na „drugą stronę” taśmy. Jeśli będziesz kontynuować linię, powróci ona do punktu początkowego. W takim przypadku długość narysowanej linii będzie dwukrotnie większa od długości paska papieru. Ten przykład pokazuje, że wstęga Möbiusa ma tylko jedną stronę i jedną granicę.

W rzeczywistości w przestrzeni euklidesowej istnieją dwa rodzaje półobróconych pasków Mobiusa: jeden obrócony zgodnie z ruchem wskazówek zegara, drugi przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Geometria i matematyka

Wstęgę Möbiusa można przedstawić za pomocą parametrycznego układu równań:

gdzie i . Równania te opisują wstęgę Möbiusa o szerokości 1 leżącą w płaszczyźnie X-y; wewnętrzny promień okręgu jest równy 1, środek wewnętrznego okręgu znajduje się w początku (0,0,0). Parametr ty przesuwa się wzdłuż taśmy i parametru w- od jednej granicy do drugiej.

W inny sposób taśmę można przedstawić za pomocą wyrażenia we współrzędnych biegunowych:

Topologicznie wstęgę Möbiusa można zdefiniować jako kwadrat x, którego góra jest połączona z dołem w stosunku ( X,0) ~ (1-X,1) dla 0 ≤ X≤ 1, jak pokazano na rysunku po prawej stronie.

Pobliskie obiekty

Z wstęgą Möbiusa ściśle związany jest tajemniczy przedmiot – butelka Kleina. Butelkę Kleina można stworzyć, sklejając ze sobą dwa paski Möbiusa wzdłuż ich granic. Operacji tej nie można wykonać w przestrzeni trójwymiarowej bez tworzenia przecięć w obrębie figury.

Jedna z podstawowych figur niemożliwych niemożliwy trójkąt można przedstawić jako wstęgę Möbiusa, jeśli niektóre jej krawędzie zostaną wygładzone. Spowoduje to powstanie wstęgi Mobiusa opisującej trzy zwoje.

Sztuka


Logo Power Architecture

Ponadto pasek Mobius jest często używany w obrazach różnych logo i znaków towarowych. Bardzo świecący przykład- międzynarodowy symbol ponownego wykorzystania.

Aplikacja. Obrazy z paskami Möbiusa

Poniższy obraz Pawła Bielaczyca nosi tytuł Jak twierdzi autor, obraz ten jest splotem różnych aspektów jego życia. W jego twórczości otaczają go węzły celtyckie, obrazy M.K. Prace Eschera zawsze są źródłem inspiracji, a wstęga Möbiusa jest adekwatna do tematyki artysty.

Listwa Mobiusa i jej niespodzianki

Niemiecki matematyk i astronom teoretyczny Augusta Ferdynanda Mobiusa (1790-1868) - uczeń wielkiego Gaussa, słynnego geometry, profesora na Uniwersytecie w Lipsku, dyrektor obserwatorium. Długie lata nauczania, długie lata pracy – zwyczajne życie profesora.

I wow, to się wydarzyło pod koniec mojego życia! Wpadł na niesamowity pomysł... to było najważniejsze wydarzenie w jego życiu! Niestety, nigdy nie miał czasu docenić znaczenia swojego wynalazku. Pośmiertnie ukazał się artykuł o słynnej wstędze Möbiusa.

Istnieją dwie legendy dotyczące odkrycia jednostronnej powierzchni.

Według pierwszej legendy słynna wstęga Möbiusa została wynaleziona nie przez samego Augusta Ferdynanda Möbiusa, niemieckiego astronoma i matematyka, ale przez jego służącą, która na skutek pecha błędnie wszyła kołnierzyk koszuli naukowca, w ten sposób zapadając się w dół. historia.Według drugiej legendy Mobiusowi pomogła otworzyć „liść” służąca, która kiedyś nieprawidłowo uszyła końce wstążki. Cóż, może, może! W końcu Izaak Newton również opóźnił odkrycie prawo światowe grawitację, aż jabłko spadło mu na głowę.

Jak nazywają się wstęga Mobiusa (znana również jako wstęga Mobiusa lub pętla Mobiusa) przez matematyków?

W języku matematyki tak jest obiekt topologiczny, najprostsza powierzchnia jednostronna z krawędzią w zwykłej trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej, gdzie można przejść z jednego punktu tej powierzchni do dowolnego innego bez przekraczania krawędzi.

Dość złożona definicja!

Dlatego wygodniej jest po prostu przyjrzeć się bliżej wstędze Mobiusa. Weź pasek papieru, przekręć go o pół obrotu (180 stopni) i sklej końce ze sobą.

Innym razem „Mama by mnie nie poklepała po głowie za taką pracę”! Ale tym razem masz rację! Powinien to być skręcony pierścień.

Umieść kropkę gdzieś na pasku za pomocą pisaka. Teraz rysujemy linię wzdłuż całej naszej taśmy, aż ponownie osiągniesz swój punkt widzenia. Nie trzeba było nigdzie wychodzić poza krawędź - nazywa się to powierzchnią jednostronną.

Zobacz, jak interesująca jest narysowana linia: albo znajduje się wewnątrz pierścienia, albo na zewnątrz! Teraz zmierz długość tej linii - od punktu do punktu.
Czy jesteś zaskoczony?
Okazuje się, że jest dwa razy dłuższy niż oryginalny pasek papieru!

Powinno tak być, bo masz w ręku wstęgę Mobiusa! Ale wstęga Möbiusa ma tylko jedną stronę i powtórzymy - jest to jednostronna powierzchnia z krawędzią.

A jeśli zmusisz mrówkę do pełzania wzdłuż tej linii bez przewracania się, otrzymasz kopię obrazu artysty Maurice'a Eschera.
Biedna mrówka na niekończącej się drodze!

Można też wykonać dwa nieco różne paski Möbiusa: w jednym przed sklejeniem przekręcić pasek zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a w drugim przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Tak właśnie jest i lewa taśma Moebiusa.

A teraz ciekawe niespodzianki z wstęgą Moebiusa:

1. Wytnij pasek Moebiusa po okręgu wzdłuż linii środkowej. Nie bój się, nie rozpadnie się na pół! Wstążka rozwinie się w długą, zamkniętą wstążkę, skręconą dwukrotnie bardziej niż oryginał. Dlaczego wstęga Möbiusa nie rozpada się na oddzielne części przy cięciu w ten sposób?
Cięcie nie dotykało krawędzi taśmy, więc po przecięciu krawędź (a co za tym idzie cały pasek papieru) pozostanie całością.

2. Otrzymany po pierwszym eksperymencie wstęgę Moebiusa (skręconą dwukrotnie bardziej niż oryginał, czyli o 360 stopni) przetnij wzdłuż jej linii środkowej.

Co się stanie?

Będziesz teraz miał w swoich rękach dwa identyczne, ale splecione paski Möbiusa.

3. Zrób nowy pasek Mobiusa, ale przed przyklejeniem obróć go nie raz, a trzy razy (nie o 180 stopni, a 540). Następnie wytnij go wzdłuż linii środkowej.

Co się stało?
Powinieneś otrzymać zamkniętą, zwiniętą wstążkę węzeł trójlistny , tj. w prosty węzeł z trzema samoprzecięciami.

4. Jeśli zrobisz pasek Mobiusa z większą ilością duża liczba pół obrotu przed sklejeniem, otrzymasz nieoczekiwane i niesamowite kształty tzw pierścienie paradromiczne.

5. Jeśli przetniesz wstęgę Möbiusa nie na środku, ale odsuwając się od krawędzi o około jedną trzecią jej szerokości, otrzymasz dwa zazębiające się paski, jeden krótszy wstęga Möbiusa, a drugi długi wstęga Möbiusa z dwiema połówkami obraca się.

Zobacz jak można to zrobić w praktyce:

Jednostronna powierzchnia zbliżona do wstęgi Möbiusa to Butelka Kleina.
Co ciekawe, butelkę Kleina można wykonać sklejając ze sobą dwa paski Moebiusa na krawędziach. Jednak w zwykłej trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej nie da się tego zrobić bez stworzenia samoprzecięcia.

Z wstęgą Mobiusa związany jest jeszcze jeden ciekawy obiekt. TenRezystor Moebiusa.

W historii często zdarzają się przypadki, gdy jeden pomysł przychodzi do głowy kilku wynalazcom jednocześnie. Stało się tak z paskiem Mobius. W tym samym 1858 roku pomysł taśmy przyszedł do głowy innemu naukowcowi - Lista Johanna . Nadał nazwę nauce badającej ciągłość - topologia . A mistrzostwo w odkryciu obiektu topologicznego - paska - przypadło Augustowi Moebiusowi.

Po cichu natrafiamy na wstęgę Mobiusa różne urządzenia: są to między innymi taśmy barwiące w drukarkach igłowych, napędach pasowych, urządzeniach szlifierskich, przenośnikach taśmowych i wielu innych. W takim przypadku żywotność produktu wzrasta, ponieważ zużycie jest zmniejszone. Natomiast w systemach zapisu ciągłego zastosowanie listwy Mobius pozwala na podwojenie czasu nagrywania na jednej taśmie.

Tajemnicza wstęga Mobiusa od zawsze fascynowała umysły pisarzy, artystów i rzeźbiarzy.
W grafice stosowany jest wzór pasków Mobiusa. Przypomnijmy sobie np. godło słynnej serii książek popularnonaukowych „Biblioteka Kwantowa” czy międzynarodowy symbol recyklingu.

Wyobraźmy sobie powierzchnię i siedzącą na niej mrówkę. Czy mrówka będzie mogła się doczołgać odwrotna strona powierzchnię – mówiąc w przenośni – do jej spodu – bez przekraczania krawędzi? Oczywiście, że nie!

Sierpień Ferdynand Mobius (1790-1868)

Pierwszy przykład jednostronnej powierzchni, do której mrówka może się wczołgać bez wspinania się po jej krawędzi, podał Mobius w 1858 roku.

Wstęga Möbiusa, zwana także pętlą, powierzchnią lub arkuszem, jest przedmiotem badań w dyscyplinie matematycznej topologii, która bada właściwości ogólne figury, które zachowują się podczas ciągłych przekształceń, takich jak skręcanie, rozciąganie, ściskanie, zginanie i inne, nie związane z naruszeniem integralności. Niesamowitą i unikalną cechą takiej taśmy jest to, że ma ona tylko jedną stronę i krawędź i nie jest w żaden sposób powiązana z jej położeniem w przestrzeni. Wstęga Mobiusa jest topologiczna, czyli obiekt ciągły o najprostszej jednostronnej powierzchni z granicą w zwykłej przestrzeni euklidesowej (trójwymiarowej), gdzie z jednego punktu takiej powierzchni można dostać się do dowolnego innego bez przechodzenia krawędzie.
August Ferdinand Möbius (1790-1868) – uczeń „króla” matematyków Gaussa. Möbius był pierwotnie astronomem, podobnie jak Gauss i wielu innych, którym matematyka zawdzięcza swój rozwój. W tamtych czasach matematyka nie była wspierana, a astronomia zapewniała wystarczająco dużo pieniędzy, aby o nich nie myśleć i pozostawiać czas na własne przemyślenia. A Möbius stał się jednym z największych geometrycznych XIX wieku.

W wieku 68 lat Möbius dokonał odkrycia niesamowitego piękna. Jest to odkrycie powierzchni jednostronnych, z których jedną jest wstęga (lub wstęga) Möbiusa. Na pomysł wstążki wpadł Möbius, gdy zauważył pokojówkę, która nieprawidłowo założyła szalik na szyję.
W rzeczywistości w przestrzeni euklidesowej istnieją dwa rodzaje półobróconych pasków Mobiusa: jeden obrócony zgodnie z ruchem wskazówek zegara, drugi przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Wstęga Möbiusa ma następujące właściwości, które nie zmieniają się pod wpływem ściskania, cięcia wzdłużnego lub zgniatania:

1. Obecność jednej strony. A. Moebius w swojej pracy „O objętości wielościanów” opisał powierzchnię geometryczną, nazwaną później na jego cześć, mającą tylko jedną stronę. Łatwo to sprawdzić: weź pasek lub pasek Mobiusa i spróbuj pomalować wnętrze jednym kolorem, a zewnętrzną stronę innym. Nie ma znaczenia, w którym miejscu i kierunku rozpoczęto kolorowanie, cała figura zostanie pomalowana tym samym kolorem.
2. Ciągłość wyraża się w tym, że dowolny punkt tego figura geometryczna można podłączyć do dowolnego innego punktu bez przekraczania granic powierzchni Mobiusa.
3. Łączność, czyli dwuwymiarowość, polega na tym, że podczas cięcia taśmy wzdłuż nie wyjdzie z niej kilka różnych kształtów i pozostaje solidna.

4. Brakuje mu tak ważnej właściwości jak orientacja. Oznacza to, że osoba podążająca za tą postacią powróci na początek swojej ścieżki, ale tylko w swoim lustrzanym odbiciu. Zatem, niekończąca się taśma Mobius może prowadzić do wiecznych podróży.
5. Specjalna liczba chromatyczna pokazująca maksymalną możliwą liczbę obszarów na powierzchni Mobiusa, jakie można utworzyć tak, aby każdy z nich miał wspólna granica ze wszystkimi innymi. Pasek Möbiusa ma liczbę chromatyczną 6, ale papierowy pierścień ma liczbę chromatyczną 5.

Dziś wstęga Mobiusa i jej właściwości znajdują szerokie zastosowanie w nauce, stanowiąc podstawę do konstruowania nowych hipotez i teorii, prowadzenia badań i eksperymentów oraz tworzenia nowych mechanizmów i urządzeń. Istnieje zatem hipoteza, zgodnie z którą Wszechświat jest ogromną pętlą Mobiusa. Pośrednio potwierdza to teoria względności Einsteina, według której nawet statek lecący prosto może powrócić do tego samego punktu w czasie i przestrzeni, z którego wystartował.

Inna teoria postrzega DNA jako część powierzchni Mobiusa, co wyjaśnia trudności w czytaniu i rozszyfrowaniu kodu genetycznego. Taka konstrukcja daje m.in. logiczne wyjaśnienie śmierci biologicznej – zamknięta w sobie spirala prowadzi do samozagłady obiektu. Według fizyków wiele praw optycznych opiera się na właściwościach paska Mobiusa. Na przykład odbicie lustrzane jest specjalnym przeniesieniem w czasie i osoba widzi przed sobą swoje lustro podwójnie.

Jeśli interesuje Cię listwa Mobiusa, jak zrobić jej model, mała instrukcja powie Ci:
1. Do wykonania modelu potrzebne będą: - kartka zwykłego papieru;
- nożyczki;
- władca.
2. Wytnij pasek z kartki papieru tak, aby jego szerokość była 5-6 razy mniejsza niż długość.
3. Rozłóż powstały pasek papieru na płaskiej powierzchni. Trzymamy jeden koniec dłonią, a drugi obracamy o 180* tak, aby pasek skręcił się i zła strona stała się przednia strona.
4. Sklej ze sobą końce skręconego paska, jak pokazano na rysunku.

Pasek Mobiusa jest gotowy.
5. Weź długopis lub marker i zacznij rysować ścieżkę na środku taśmy. Jeśli wszystko zrobiłeś poprawnie, powrócisz do tego samego punktu, w którym zacząłeś rysować linię.

Aby uzyskać wizualne potwierdzenie, że wstęga Möbiusa jest obiektem jednostronnym, spróbuj zamalować jeden z jej boków ołówkiem lub długopisem. Po chwili zobaczysz, że pomalowałeś go całkowicie.

Rozwiązania architektoniczne wykorzystujące ideę listew Moebiusa:

Biżuteria w formie wstęgi Mobiusa:




Tam są zastosowania techniczne wstęgi Möbiusa. Taśma przenośnika wykonana jest w formie wstęgi Möbiusa, co pozwala na dłuższą pracę, gdyż cała powierzchnia taśmy zużywa się równomiernie. Systemy ciągłego zapisu filmów wykorzystują również paski Möbiusa (w celu podwojenia czasu nagrywania). W wielu drukarkach igłowych taśma barwiąca ma również postać paska Mobiusa, aby zwiększyć jej zasoby.

Urządzenie zwane rezystorem Möbiusa to niedawno wynaleziony element elektroniczny, który nie ma własnej indukcyjności.
Paski Möbiusa stosowane są także w systemach ciągłego zapisu klisz (w celu podwojenia czasu zapisu) w drukarkach igłowych taśma barwiąca miała także formę paska Möbiusa w celu zwiększenia trwałości.

Wstęga Möbiusa była inspiracją dla rzeźby i grafiki. Escher był jednym z artystów, który szczególnie go pokochał i poświęcił temu matematycznemu obiektowi kilka swoich litografii. Jednym ze znanych jest Mobius Strip II, który przedstawia mrówki pełzające po powierzchni wstęgi Mobiusa.

Wstęga Möbiusa jest emblematem serii książek popularnonaukowych z serii Biblioteka Kwantowa. Pojawia się także regularnie w science fiction, np. w opowiadaniu Arthura C. Clarke’a „Ściana ciemności”. Czasami historie science fiction (za fizykami teoretykami) sugerują, że nasz Wszechświat może być rodzajem uogólnionej wstęgi Möbiusa. Ponadto pierścień Mobiusa jest stale wspominany w dziełach pisarza uralskiego Władysława Krapivina, cyklu „W głębinach wielkiego kryształu” (na przykład „Placówka na polu kotwicy. Opowieść”). W opowiadaniu „Wstęga Mobiusa” A. J. Deitcha pt. metro w Bostonie buduje nowa linia, którego trasa staje się na tyle zagmatwana, że ​​zamienia się w wstęgę Mobiusa, po czym pociągi na tej linii zaczynają znikać. Na podstawie tej historii nakręcono film science fiction „Mobius” w reżyserii Gustavo Mosquery. Pomysł wstęgi Möbiusa wykorzystany został także w opowiadaniu M. Cliftona „Na wstędze Möbiusa”.

Wstęga Mobiusa służy Harry'emu Keefe, bohaterowi powieści Briana Lumleya Nekroskop, do podróży w czasie i przestrzeni.

Gra w paski Möbiusa ważną rolę w powieści science fiction „Drzwi w piasku” R. Zelaznego.

W książce E. Naumova „Half-Life” (1989) intelektualista alkoholik podróżuje po kraju, stojąc na wstędze Mobiusa.

Fabuła powieści „Echo” współczesnego rosyjskiego pisarza Aleksieja Szeleweva porównana jest do wstęgi Möbiusa. Z adnotacji do książki: „Echo” to literacka analogia pierścienia Mobiusa: dwie historie – „chłopcy” i „dziewczyny” – przeplatają się, przenikają, ale nie przecinają.

Wstęga Möbiusa pojawia się także w eseju Harukiego Murakamiego „Obladi Possessed” ze zbioru Radia Murakami z 2010 roku, gdzie wstęga Möbiusa jest w przenośni porównana do nieskończoności.

W powieści wizualnej CHARON „Makoto Mobius” główny bohater Wataro próbuje uratować swojego kolegę z klasy za pomocą magicznego artefaktu – wstęgi Mobiusa.

W 1987 roku radziecki pianista jazzowy Leonid Chizhik nagrał album „Mobius Strip”, na którym znalazła się kompozycja o tym samym tytule.

Tor wyścigowy w jednym z odcinków (sezon 7, odcinek 14, 11 minut) serialu animowanego „Futurama” to wstęga Mobiusa.

Istnieją techniczne zastosowania wstęgi Möbiusa. Taśma przenośnikowa zaprojektowana jako wstęga Möbiusa wytrzyma dłużej, ponieważ cała powierzchnia taśmy zużywa się równomiernie. Systemy ciągłego zapisu filmów wykorzystują również paski Möbiusa (w celu podwojenia czasu nagrywania). W wielu drukarkach igłowych taśma barwiąca ma również postać paska Mobiusa, aby zwiększyć jej zasoby.

Również nad wejściem do Instytutu Centralnej Ekonomii i Matematyki Rosyjskiej Akademii Nauk znajduje się mozaikowa płaskorzeźba „Wstęga Mobiusa” autorstwa architekta Leonida Pawłowa we współpracy z artystami E. A. Zharenovą i V. K. Wasilcowem (1976)

Wybór redaktora
Podatek od wartości dodanej nie jest opłatą bezwzględną. Podlega mu szereg rodzajów działalności gospodarczej, inne natomiast są zwolnione z podatku VAT....

„Myślę boleśnie: grzeszę, jest mi coraz gorzej, drżę przed karą Bożą, ale zamiast tego korzystam tylko z miłosierdzia Bożego. Mój grzech...

40 lat temu, 26 kwietnia 1976 r., zmarł minister obrony Andriej Antonowicz Greczko. Syn kowala i dzielnego kawalerzysty, Andriej Greczko...

Data bitwy pod Borodino, 7 września 1812 roku (26 sierpnia według starego stylu), na zawsze zapisze się w historii jako dzień jednego z najwspanialszych...
Pierniki z imbirem i cynamonem: piecz z dziećmi. Przepis krok po kroku ze zdjęciami Pierniki z imbirem i cynamonem: piecz z...
Oczekiwanie na Nowy Rok to nie tylko udekorowanie domu i stworzenie świątecznego menu. Z reguły w każdej rodzinie w przeddzień 31 grudnia...
Ze skórek arbuza można przygotować pyszną przekąskę, która świetnie komponuje się z mięsem lub kebabem. Ostatnio widziałam ten przepis w...
Naleśniki to najsmaczniejszy i najbardziej satysfakcjonujący przysmak, którego receptura przekazywana jest w rodzinach z pokolenia na pokolenie i ma swój niepowtarzalny...
Co, wydawałoby się, może być bardziej rosyjskie niż kluski? Jednak pierogi weszły do ​​kuchni rosyjskiej dopiero w XVI wieku. Istnieje...