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科普時光 | 自然螺旋之美

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

螺旋線給人感覺是彎曲、柔和、含蓄和富于變化,在我們日常生活中早已是司空見慣,例如:彈簧、紅酒開瓶器、螺絲釘、千斤頂、鐘表的發(fā)條、旋梯等等。

然而,螺旋結構似乎是大自然十分偏愛的形態(tài)結構,龍卷風、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。

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

一些無毒蛇捕食時,由于沒有毒液的這種武器,遇到像青蛙一樣掙扎力弱的動物,可以直接活吞。但是,如果遇到像山鼠一樣掙扎力強的動物,螺旋功夫來了,繩索一樣的身體緊緊纏繞獵物,隨著獵物每次呼氣時胸膛收縮,它的身體也縮緊,直至獵物窒息而亡,最后慢慢吞食。
“螺旋”這個詞,本意來源于螺螄這類動物。在官山保護區(qū)河溝里有多種螺類,其中有一種學名叫放逸短溝蜷的螺螄,它的外形細長稍尖,通常生活在溪澗中的石頭上,當流水順著尖端螺溝流出末端螺溝時,水的流速變緩了,螺體獲得了一個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。
鯊魚回腸結構
深入生命體內部,人們通過解剖發(fā)現,在動物體內存在很多螺旋結構,例如:聽覺器官內部的耳蝸,是傳導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,就像一個旋梯,它不僅可以延緩食物的移動速度,還能增加腸道內的消化面積,更充分地從食物中汲取營養(yǎng)。青蛙心臟不像哺乳動物具有獨立四個房室,心臟不完全雙循環(huán),但是它心臟腹面的動脈圓錐內生長出了一個縱向的螺旋形活瓣,可使心室泵出的富氧血流入頸動脈,貧氧血流入肺動脈,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,人類已經發(fā)現生命體遺傳物質DNA就是雙螺旋結構,生物在成長過程中,在狹小的細胞核空間內,用極小量的物質,承載著生命的全部遺傳信息,并通過復制和轉錄,最終把生物個性乃至生物多樣性表現得淋漓盡致。
仰望恬靜夜空,深邃而神秘,浩翰無邊的宇宙激發(fā)人類無窮無際的遐想。天文望遠鏡拍攝到了令人激動的一團團星云照片,當中就有很多螺旋形渦旋,它們攜帶著無數閃爍的繁星在飛舞,勾引起人類永無止境的探索欲望。
我們把一枚官山保護區(qū)常見的蝸牛殼的螺旋線提取出來,就會發(fā)現螺旋線本質是一種繞中心旋轉、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。數學家們對螺線還進行更加深入的理論研究,這些成果已經廣泛運用到生產技術與科學研究之中。

 

有一種螺旋線與數列1,2,3,5,8,13,21,34,55,89......相關,這種數列叫斐波那契數列,第二位數以后的每個數值都是前面兩個數之和。數列還隱藏著一個重要比值,就是黃金分割律(0.61803398......),隨著數字的增大,前后兩數比值越來越接近黃金分割律,黃金分割律歷來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,它不是無緣無故地產生的,實際上它是自然事物衍生的最適宜形態(tài)比例。黃金分割律具有嚴格的比例性、藝術性、和諧性,蘊藏著豐富的美學價值,在建筑、文藝、制造業(yè)和科學實驗中有著廣泛而重要的應用。

螺旋之美,在運動場上也能見到,運動員通過扭轉和旋轉身體,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。搏擊項目中的旋踢,以及足球運動的“倒掛金鉤”,腿部飛旋的軌跡實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)動機的材料要求有很高強度與韌度,用它們來加工零配件,特別是銑孔環(huán)節(jié),普通機床鉆頭就無法勝任,以柔克剛,螺旋就大顯身手了,一種叫做“螺旋銑孔”的工藝出現了,鉆頭的運動由主軸的“自轉”和主軸繞孔中心的“公轉”兩個運動復合而成,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,提高孔的質量,縮短加工周期。同時,鉆頭還具有分屑快和散熱快的優(yōu)點,磨損小使用壽命延長,經濟效益十分明顯。

在研究龍卷風、臺風等自然現象以及航空發(fā)動機、離心泵等旋轉機械流動中??蒲腥藛T以螺旋度為視角,分析湍流物理本質,并把螺旋度守恒性作為研究三維湍流時空演化的一個重要方向,期待在高超聲速飛行、熱核聚變中取得進一步發(fā)展。

對于人類的認知領域,有什么規(guī)律可循呢?哲學家已經給出了答案:是按否定之否定辯證規(guī)律發(fā)展的。換句話說,現在的認知覆蓋過去的認知,還能夠友好地衍接未來的認知。用一個生動形象圖案來表達這個概念——那就是螺旋線!上升的螺旋線。由小變大、由少變多、由低級變高級、由單維度變多維度......永遠向前發(fā)展。

螺旋既有物質結構之美,又有表現形式之美,還有思維智慧之美。它是有機的和無機的,內在的和外在的,自然的和社會的,一切都合而為一。概括地講,它是生命物質在一定時空范圍內,用最小代價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構,也是自然界乃至宇宙非生命物質的運動和變化的本質規(guī)律。大自然中,螺旋現象只不過是滄海一粟,廣袤深邃的大自然蘊藏著無窮的奧秘,人類一直以來為之孜孜求索,推動著社會不斷前進。

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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