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竹签双曲面:别开生面的DIY数学课!
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DIYer:George W. Hart
制作时间:4小时
制作难度:★★☆☆☆
GEEK指数:★★☆☆☆
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大家好~我们又见面了,我是George W. Hart(就是 3D打印机 一文中擅长制作“拔丝”模型的大叔~)
这次我应邀在布鲁克海文国家实验室举办了一场数学教育讲座,讲座里我试着让每个人都做出一个双曲面。下面的照片中可以看到尝试很成功,每个孩子都很开心的拿着属于自己的双曲面。以下是双曲面为什么能这样做的原理,以及竹签双曲面主要的制作过程。

1   工具和材料

● 胶带
○ 竹签
○ 橡皮筋
○ 厚卡纸

2   快速回忆双曲面

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● 图中是一个双曲面(确切的说,是一个单叶双曲面截取出的一部分),这是一种平滑连续曲面,由双曲线绕其对称轴旋转生成。有趣的是,双曲面同时也是直纹面的一种,也就是说,对于其表面上的任意一点,都可以找到两条过这点并在双曲面上的直线(专业一点:直母线)。

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● 这幅图中,我们可以看到每一点的两条直母线(一条红、一条蓝)是怎么穿过这点并且还能处在双曲面上的:红色线段和蓝色线段经过点的方向不同。
● 我们准备用竹签来代表这些直母线,因为竹签并不像直线那样没有粗细,我们还得注意把两条直母线的前后位置安排妥当,比如说红的在蓝的外面。为了固定交点以及整个结构,我们用小橡皮筋来捆扎交点的位置,同时还要用到一些胶带。
● 制作过程中我发现用粗一点的竹签会比较好,细的就太软了,会弯曲然后带来各种影响。另外还需要用到一些厚卡纸。

3   开始上课啦

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● 首先我们先要决定在每个方向上要用到多少根竹签,n根代表蓝色直母线、n根代表红色的。
● 经过我试验,n取12到16就比较合适,如果你实在壮志凌云、甚至直破云霄,最多试试n取20就行了。
● 裁下两条厚卡纸,用胶带粘成一条长的,然后在纸上扎n个孔。孔与孔之间差不多像照片中那样,留1英寸的间距。
● 这条纸是用作暂时的固定,完成作品前就会去掉的。

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● 现在把2n根签子两两用皮筋扎起来呈X形状,如果只有长皮筋的话可能得多扎几圈。把扎好的X型一对竹签中的一根插在刚才准备好的纸条的n个洞里。请注意这时不要随便把眼睛变成黑洞。

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● 这时,要保持签子排列整齐不缠在一起也许会比较麻烦。像下图中的小朋友这样把签子竖起来的尝试,不久以后就会给自己的小小人生增添些被称做“烦恼”的佐料。最好还是把整个结构平放在桌子上。
● 不过敢于尝试摸索的做法还是值得称赞滴~

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● 刚才我有提醒过你“签子尖头戳到手会疼的”么?

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● 现在想一下刚才出现的红色和蓝色的图形,平放着把竹签归类后向两个方向倾斜:穿过纸(红)的一个方向、没穿过纸(蓝)的另一个方向。
● 记得某一类要全部放在另一类的上面(或下面)。另外现在还不到做圆柱的时候,千万别把它们竖起来呀。

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● 在相邻竹签相互交叉的地方扎上皮筋(顶端、底端、中间),再把三排皮筋调整整齐。

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● 确认三排皮筋都扎好后,把顶端和底端的皮筋往中间滑动,竹签之间就会呈更大的角度。这也意味着出现了更多可以扎皮筋的地方,于是我们按前面的方法再加一排皮筋。
● 当四排皮筋扎好时,把固定用的纸条撕掉也不会散架了。虽然看起来图中少年是在表示“这货真的能当手风琴拉啊”,但是其实他是在检查手中半成品的竹签是不是按照红、蓝的分类正确排列了。如果有失误的话,产生了像编筐子一样上下交错的结构,竹签在合上时是并不齐的,就需要拿掉一些橡皮筋重新排一下出错竹签的位置。

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● 把你的手风琴卷成圆柱形,然后把两边用橡皮筋连接起来。这时也要小心遵循你刚才所决定的红上蓝下或蓝上红下的体位呦~

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● 你会发现这货真的弹性不错。
● 不失为一个有创意的化妆舞会造型。

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● 它会自动弹成一个双曲面。(惊现野生小Luna - =)

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● 一定程度上,每添加一排橡皮筋,这个双曲面的曲率就会增加一些。
● 如果要继续添加皮筋,只要把已经上好的皮筋整排往中间推,给新出现的交叉点按红蓝排好位置,再扎上皮筋就可以。
● 要注意保持每排橡皮筋排列整齐。

4   潜伏的0.618

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● 我发现当皮筋数差不多是n的2/3时,会呈现出一个顺眼的曲面。(吓~!莫非是0.618/1 ?难道说这就是 1/1.618 ?)

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● 这个是n=16的竹签双曲面,用了11排橡皮筋,也就是32根竹签和176个橡皮筋。照这个算算你要用多少材料吧。

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5   DIYer签到处

大功告成就是这样啦~有没有兴趣跟这一屋子“牙套班”小朋友们一起HIGHT一下,重温一下当年枯燥到可怕的解析几何学习时期遗漏的欢乐呢~

资料来源

翻译:Camel
编辑:Luna3.0

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The End

发布于2011-03-04, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Camel

机械工程硕士生,DIYer

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