第203期数字3分钟浏览 116
发布 · 杂学书库 别馆
足球上的黑色五边形为什么总是12个?
只用六边形拼不成球,是12个五边形造出了曲面
我们常想到的黑白足球,由12个黑色五边形和20个白色六边形组成,一共32块。五边形总是12个是有原因的:只把六边形拼在一起,只会平铺开来,永远合不成一个球。
只用六边形会是平的
想想蜂巢就很好懂。三个正六边形在一个顶点相遇时,角度加起来正好是360度,于是拼成一个没有缝隙的平面。不管拼多少块,这个平面都不会弯曲。
五边形的每个角是108度,所以一个五边形和两个六边形相遇时,总和比360度少一点。就是少的这一点,让表面向内折起,形成曲面。可以说,是五边形把球卷成了圆形。
12这个数是算出来的
如果每个顶点都有三块相遇,而且只用五边形和六边形,那么拼成一个封闭的球所需的五边形总是12个。六边形是20个还是30个都没关系。这个答案可以直接从18世纪数学家欧拉总结的顶点、棱、面数量关系中得出。
所以,即使加更多六边形做出更大的球,五边形也始终是12个。足球的形状是把正二十面体的12个顶点切掉后得到的,也可以看作每切一处就留下一个五边形。
黑白花纹是为了电视
这种32块的球在世界上广为人知,大约是在1970年墨西哥世界杯官方用球“电视之星”(Telstar)的时候。当时很多家庭用黑白电视看比赛,黑色五边形和白色六边形相间的球在画面上很显眼,旋转也容易看清。
不过,皮革块缝好再充气后,每一块都会向外鼓起,所以真正的足球比多面体更接近球体。
现在的球块数少多了
2006年以后,世界杯官方用球大幅减少了块数。2006年的球是14块,2014年的球是6块,还有不用缝线、而用热压粘合的做法。块数越少、接缝越短,就越容易把球做得均匀浑圆。
同样的形状也出现在科学里。1985年发现的由60个碳原子组成的分子,形状和足球一模一样,被称为“巴基球”,这项发现获得了1996年诺贝尔化学奖。
用五边形和六边形拼成封闭的球,正好需要12个五边形,能变的只有六边形的数量。
整理与参考笔记 · 欧拉多面体公式与世界杯官方用球记录. 12个五边形是由欧拉公式得出的结果。“电视之星”的黑白花纹与电视的关系是广为流传的说法,官方用球块数依据各届公开资料。
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