吹出六邊形的泡泡

蘇朋博+冉浩

你在洗澡的時(shí)候玩過泡沫沒有？你在喝可樂的時(shí)候，有沒有通過吸管向里面吹過泡泡？你注意過那些小泡泡嗎？它們是什么形狀的？如果只有一個(gè)泡泡，那肯定是圓形的，但如果有一群泡泡呢？它們還都是圓形的嗎？

圓形？六邊形！

如果仔細(xì)觀察的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)那些泡泡聚到一起時(shí)，真的不是圓形的，它們有固定的形狀——六邊形或五邊形。

沒錯(cuò)，泡泡在空曠的空間里是呈圓形的。因?yàn)檫@樣可以用最少的材料圍成最大的面積，這樣會(huì)顯得它們的體形比較大。在這個(gè)過程中，水膜形成張力，使泡泡變得非常穩(wěn)定。但是，當(dāng)一群泡泡擠在一起時(shí)，它們相互受力擠壓，但又互不相讓，張力發(fā)生了變化，迫使它們在堅(jiān)固和用料上做出平衡，獲得了既省材料又堅(jiān)固的六邊形結(jié)構(gòu)。

對于六邊形這個(gè)自然形成的形狀，科學(xué)家進(jìn)行了很深入的探究，還總結(jié)出了定律。最著名的就是“普拉托定律”，它的內(nèi)容很高深，但通俗地講，就是緊挨著的球形物體互相擠在一起，如果可以變形，都傾向于變成六邊形，這樣最穩(wěn)定。

至于五邊形，則是因?yàn)榕菖莸氖芰Σ煌耆鶆颍孕纬傻牧呅尾皇钦呅危舜酥g會(huì)留出一些空隙，由五邊形來填補(bǔ)。結(jié)果，你看到的就是滿眼密密麻麻的大六邊形和小五邊形了。

生物早就學(xué)會(huì)啦

在我們獲得六邊形結(jié)構(gòu)既省材料又堅(jiān)固的知識(shí)之前，大自然的生物們早就通過上百萬年的演化掌握了這一技巧。其中最出名的，當(dāng)然就是蜜蜂了。

蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)是大自然最奇妙的設(shè)計(jì)之一。凡是筒狀的物體，當(dāng)受到壓力時(shí)，它的截面都是六邊形。同時(shí)，六邊形像三角形一樣具有穩(wěn)定性。因而蜜蜂在建窩時(shí)，巧妙地建成了六邊形，避免了互相擠壓，這樣大家都可以舒適地在自己的小房間里玩耍了。

不過，六邊形也很多哦！正六邊形、不規(guī)則的六邊形……蜜蜂會(huì)如何選擇？如果從蜂巢的正面看，似乎每一個(gè)巢室都是正六邊形。既然如此，巢室的每一個(gè)角應(yīng)該都是120°。

然而，事實(shí)并非如此。蜂巢并不是規(guī)則的六棱柱形，它的底面實(shí)際上是由三個(gè)菱形拼起來的，而不是純粹的正六邊形。簡而言之，就是所有的鈍角都是109°28′，銳角都是70°32′。這些數(shù)字成就了蜂巢的神奇：經(jīng)過科學(xué)家的推算發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用這個(gè)角度建成的六邊形，消耗的材料最少，也最堅(jiān)固！

從學(xué)習(xí)到應(yīng)用

其實(shí)，這種六邊形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)幾乎無處不在。劍橋大學(xué)的教授們也觀察過泡泡，不過知識(shí)淵博的他們看待泡泡的角度又不一樣啦。他們覺得這些泡泡好眼熟啊，似乎有點(diǎn)像金屬晶體。

我們平時(shí)常見的金屬其實(shí)都是一種晶體狀態(tài)，如果把它們放大到原子的尺度，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些金屬原子之間的排列是非常有規(guī)律的——它們會(huì)堆積成固定的形狀。其中，一種被叫作“六方堆積晶體”的樣子幾乎和泡泡一樣，組成了一個(gè)又一個(gè)的六邊形，達(dá)成了像泡泡一樣的穩(wěn)定狀態(tài)。于是，他們就管這種晶體叫“泡泡晶體”。

那你還能想到哪些地方還有類似的六邊形結(jié)構(gòu)嗎？

其實(shí)，我們的工程師已經(jīng)到處在使用這個(gè)原理啦。我們通過對大自然的探索，獲得了真知，當(dāng)然也應(yīng)該讓它為我們服務(wù)。例如“蜂窩式夾層結(jié)構(gòu)”的飛機(jī)，這樣制作的機(jī)體不僅能保證機(jī)身的強(qiáng)度，也能節(jié)省材料，減輕飛機(jī)的重量。還有，盛況空前的北京奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場之一——水立方的靈感據(jù)說也來源于此呢！