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科普时光 | 自然螺旋之美

媒体:原创  作者:官山保护区
专业号:官山保护区 2022/1/18 16:48:59

螺旋线给人感觉是弯曲、柔和、含蓄和富于变化,在我们日常生活中早已是司空见惯,例如:弹簧、红酒开瓶器、螺丝钉、千斤顶、钟表的发条、旋梯等等。

然而,螺旋结构似乎是大自然十分偏爱的形态结构,龙卷风、流水涡旋、蜗牛壳、锥螺、花瓣和叶片的排列、藤的牵丝、海马的尾等。

走进官山保护区森林,你可以看到很大高大的树木都被藤像螺旋一样缠绕,直至树的顶端。若是在热天,可要格外小心盘起来像螺旋的动物,它们往往还披着与周边环境一样的伪装色斑,你猜对了,这种动物是蛇,其中还有毒蛇。螺旋与蛇类,从人类角度来看,不是美丽而是恐怖,但是,从蛇类自身角度来看,螺旋赋予它们高效的生存能力。蛇是爬行动物,头不能绕颈部脊椎轴旋转,蛇盘成螺旋状,头部枕在中央,可以依靠头颈部转动来观察四周,遇到危险时,它可以向任何一个方向逃走,就不用再掉转身体了,而且,面对敌害,盘旋的身体就像个弹簧一样蹦起来,直接进行攻击对方。

一些无毒蛇捕食时,由于没有毒液的这种武器,遇到像青蛙一样挣扎力弱的动物,可以直接活吞。但是,如果遇到像山鼠一样挣扎力强的动物,螺旋功夫来了,绳索一样的身体紧紧缠绕猎物,随着猎物每次呼气时胸膛收缩,它的身体也缩紧,直至猎物窒息而亡,最后慢慢吞食。
“螺旋”这个词,本意来源于螺蛳这类动物。在官山保护区河沟里有多种螺类,其中有一种学名叫放逸短沟蜷的螺蛳,它的外形细长稍尖,通常生活在溪涧中的石头上,当流水顺着尖端螺沟流出末端螺沟时,水的流速变缓了,螺体获得了一个与水流方向相反的推力,可以减缓水流冲击,有助螺体在流水中保持身体平衡稳定。
鲨鱼回肠结构
深入生命体内部,人们通过解剖发现,在动物体内存在很多螺旋结构,例如:听觉器官内部的耳蜗,是传导并感受声波的组织器官,像蜗牛壳一样的螺旋形骨管,里面充满着淋巴液。鲨鱼、肺鱼、鲟类等鱼类回肠的粘膜层排列成螺旋瓣,就像一个旋梯,它不仅可以延缓食物的移动速度,还能增加肠道内的消化面积,更充分地从食物中汲取营养。青蛙心脏不像哺乳动物具有独立四个房室,心脏不完全双循环,但是它心脏腹面的动脉圆锥内生长出了一个纵向的螺旋形活瓣,可使心室泵出的富氧血流入颈动脉,贫氧血流入肺动脉,减少两种血液的混合,有利于新陈代谢。 

而在生命体的微观世界,人类已经发现生命体遗传物质DNA就是双螺旋结构,生物在成长过程中,在狭小的细胞核空间内,用极小量的物质,承载着生命的全部遗传信息,并通过复制和转录,最终把生物个性乃至生物多样性表现得淋漓尽致。
仰望恬静夜空,深邃而神秘,浩翰无边的宇宙激发人类无穷无际的遐想。天文望远镜拍摄到了令人激动的一团团星云照片,当中就有很多螺旋形涡旋,它们携带着无数闪烁的繁星在飞舞,勾引起人类永无止境的探索欲望。
我们把一枚官山保护区常见的蜗牛壳的螺旋线提取出来,就会发现螺旋线本质是一种绕中心旋转、半径逐渐增大的曲线。半径增加的速率决定了螺旋线的类型,如果在平面上半径不变的话,就成了圆圈。如果再加上一个竖轴,螺线沿着竖轴盘旋,空间形状就变成了弹簧状或者锥螺状。数学家们对螺线还进行更加深入的理论研究,这些成果已经广泛运用到生产技术与科学研究之中。

 

有一种螺旋线与数列1,2,3,5,8,13,21,34,55,89......相关,这种数列叫斐波那契数列,第二位数以后的每个数值都是前面两个数之和。数列还隐藏着一个重要比值,就是黄金分割律(0.61803398......),随着数字的增大,前后两数比值越来越接近黄金分割律,黄金分割律历来被染上瑰丽诡秘的色彩,被人们称为“天然合理”的最美妙的形式比例,它不是无缘无故地产生的,实际上它是自然事物衍生的最适宜形态比例。黄金分割律具有严格的比例性、艺术性、和谐性,蕴藏着丰富的美学价值,在建筑、文艺、制造业和科学实验中有着广泛而重要的应用。

螺旋之美,在运动场上也能见到,运动员通过扭转和旋转身体,以螺旋线的形式抛出铅球、链球和铁饼,是输出爆发力最好方式。搏击项目中的旋踢,以及足球运动的“倒挂金钩”,腿部飞旋的轨迹实际上就是一条漂亮的螺旋线。
螺旋铣孔示意图
大家都知道,航空航天和发动机的材料要求有很高强度与韧度,用它们来加工零配件,特别是铣孔环节,普通机床钻头就无法胜任,以柔克刚,螺旋就大显身手了,一种叫做“螺旋铣孔”的工艺出现了,钻头的运动由主轴的“自转”和主轴绕孔中心的“公转”两个运动复合而成,中心的轨迹是螺旋线而非直线,这样就可以大幅度减少铣孔损伤,提高孔的质量,缩短加工周期。同时,钻头还具有分屑快和散热快的优点,磨损小使用寿命延长,经济效益十分明显。

在研究龙卷风、台风等自然现象以及航空发动机、离心泵等旋转机械流动中。科研人员以螺旋度为视角,分析湍流物理本质,并把螺旋度守恒性作为研究三维湍流时空演化的一个重要方向,期待在高超声速飞行、热核聚变中取得进一步发展。

对于人类的认知领域,有什么规律可循呢?哲学家已经给出了答案:是按否定之否定辩证规律发展的。换句话说,现在的认知覆盖过去的认知,还能够友好地衍接未来的认知。用一个生动形象图案来表达这个概念——那就是螺旋线!上升的螺旋线。由小变大、由少变多、由低级变高级、由单维度变多维度......永远向前发展。

螺旋既有物质结构之美,又有表现形式之美,还有思维智慧之美。它是有机的和无机的,内在的和外在的,自然的和社会的,一切都合而为一。概括地讲,它是生命物质在一定时空范围内,用最小代价取得最高效率的繁衍与行为方式,组织器官形成高效能的结构,也是自然界乃至宇宙非生命物质的运动和变化的本质规律。大自然中,螺旋现象只不过是沧海一粟,广袤深邃的大自然蕴藏着无穷的奥秘,人类一直以来为之孜孜求索,推动着社会不断前进。

社区宣教科   左文波 供图稿

 

主办 | 社区宣教科

编辑 | 蔡瑞文

审核 |   

签发 | 丁永刚

 

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