Доклад можно ли считать мир геометрически правильным

Обновлено: 30.06.2024

Золотое сечение – это такое пропорциональное деление отрезка на неравные части, при котором весь отрезок так относится к большей части, как сама большая часть относится к меньшей; или другими словами, меньший отрезок так относится к большему, как больший ко всему
a : b= b : c или с : b= b : а.

Леонардо да Винчи производил сечения стереометрического тела, образованного правильными пятиугольниками, и каждый раз получал прямоугольники с отношениями сторон в золотом делении. Поэтому он дал этому делению название золотое сечение. Так оно и держится до сих пор как самое популярное.

В то же время на севере Европы, в Германии, над теми же проблемами трудился Альбрехт Дюрер. Он делает наброски введения к первому варианту трактата о пропорциях. Дюрер пишет. “Необходимо, чтобы тот, кто что-либо умеет, обучил этому других, которые в этом нуждаются. Это я и вознамерился сделать”.

Судя по одному из писем Дюрера, он встречался с Лукой Пачоли во время пребывания в Италии. Альбрехт Дюрер подробно разрабатывает теорию пропорций человеческого тела. Важное место в своей системе соотношений Дюрер отводил золотому сечению. Рост человека делится в золотых пропорциях линией пояса, а также линией, проведенной через кончики средних пальцев опущенных рук, нижняя часть лица – ртом и т.д. Известен пропорциональный циркуль Дюрера.

Великий астроном XVI в. Иоган Кеплер назвал золотое сечение одним из сокровищ геометрии. Он первый обращает внимание на значение золотой пропорции для ботаники (рост растений и их строение).

Кеплер называл золотую пропорцию продолжающей саму себя “Устроена она так, – писал он, – что два младших члена этой нескончаемой пропорции в сумме дают третий член, а любые два последних члена, если их сложить, дают следующий член, причем та же пропорция сохраняется до бесконечности”.

Построение ряда отрезков золотой пропорции можно производить как в сторону увеличения (возрастающий ряд), так и в сторону уменьшения (нисходящий ряд).

Если на прямой произвольной длины, отложить отрезок m, рядом откладываем отрезок M.

В последующие века правило золотой пропорции превратилось в академический канон и, когда со временем в искусстве началась борьба с академической рутиной, в пылу борьбы “вместе с водой выплеснули и ребенка”. Вновь “открыто” золотое сечение было в середине XIX в. В 1855 г. немецкий исследователь золотого сечения профессор Цейзинг опубликовал свой труд “Эстетические исследования”. С Цейзингом произошло именно то, что и должно было неминуемо произойти с исследователем, который рассматривает явление как таковое, без связи с другими явлениями. Он абсолютизировал пропорцию золотого сечения, объявив ее универсальной для всех явлений природы и искусства. У Цейзинга были многочисленные последователи, но были и противники, которые объявили его учение о пропорциях “математической эстетикой”.

Справедливость своей теории Цейзинг проверял на греческих статуях. Наиболее подробно он разработал пропорции Аполлона Бельведерского. Подверглись исследованию греческие вазы, архитектурные сооружения различных эпох, растения, животные, птичьи яйца, музыкальные тона, стихотворные размеры. Цейзинг дал определение золотому сечению, показал, как оно выражается в отрезках прямой и в цифрах. Когда цифры, выражающие длины отрезков, были получены, Цейзинг увидел, что они составляют ряд Фибоначчи, который можно продолжать до бесконечности в одну и в другую сторону. Следующая его книга имела название “Золотое деление как основной морфологический закон в природе и искусстве”. В 1876 г. в России была издана небольшая книжка, почти брошюра, с изложением этого труда Цейзинга. Автор укрылся под инициалами Ю.Ф.В. В этом издании не упомянуто ни одно произведение живописи.
В конце XIX – начале XX вв. появилось немало чисто формалистических теории о применении золотого сечения в произведениях искусства и архитектуры. С развитием дизайна и технической эстетики действие закона золотого сечения распространилось на конструирование машин, мебели и т. д.

10. Золотое сечение в архитектуре

В книгах о “золотом сечении” можно найти замечание о том, что в архитектуре, как и в живописи, все зависит от положения наблюдателя, и что, если некоторые пропорции в здании с одной стороны кажутся образующими “золотое сечение”, то с других точек зрения они будут выглядеть иначе. “Золотое сечение” дает наиболее спокойное соотношение размеров тех или иных длин.

Одним из красивейших произведений древнегреческой архитектуры является Парфенон (V в. до н. э.).

Парфенон имеет 8 колонн по коротким сторонам и 17 по длинным. выступы сделаны целиком из квадратов пентилейского мрамора. Благородство материала, из которого построен храм, позволило ограничить применение обычной в греческой архитектуре раскраски, она только подчеркивает детали и образует цветной фон (синий и красный) для скульптуры. Отношение высоты здания к его длине равно 0,618. Если произвести деление Парфенона по “золотому сечению”, то получим те или иные выступы фасада.

11. Геометрия на практике

Как проверить правильность линейки?

Для проверки правильности линейки применяют такой способ. Через две точки с помощью линейки проводят линию. Затем линейку переворачивают и через те же точки проводят линию. Если линии совпадают, то линейка правильная , а если нет, то неправильная . Этот способ основан на свойстве параллельности прямых.

Как проверить правильность угольника?

Для проверки правильности угольника применяют такой способ. Берут простую правильную линейку и прикладывают к ней угольник одной из сторон, которая является катетом в прямоугольном треугольнике . Затем прикладывают другой катет к боку линейки . Если стороны вплотную стыкуются с линейкой, то угольник правильный.

Как проверить правильность прямоугольной плиты?

Бетонная плита с прямолинейными краями должна иметь форму прямоугольника. Это можно проверить с помощью бечёвки и восьми колов. Для этого на небольшое расстояние от угла плит ставим колья и натягиваем бечёвку. Если расстояние между бечёвкой и плитой не меняется, то плита прямоугольная, а если меняется, то нет. Этот способ часто используют рабочие и он не точен.

Так как диагонали в прямоугольнике равны, то можно сделать так:

Если куска бечёвки хватает, то плита правильная.

Расстояние между двумя недоступными точками

Чтобы измерить на местности расстояние между двумя точками A и B, между которыми нельзя пройти по прямой, выбирают такую точку C, из которой можно пройти и к точке A, и к точке B и из которой видны обе эти точки. Измеряют расстояние AC и BC, продолжают отрезки на такое же расстояние за точку C и отмеряют CD = AC и EC= CB. Тогда отрезок ED будет равен отрезку AB, которого мы искали. Это основано на признаках равенства треугольников.

Чтобы измерить на местности расстояние между двумя точками A и B, из которых одна недоступна, провешивают направление отрезка AB и на его продолжение отмеряют произвольный отрезок BE. Выбирают на местности точку D, из которой видна точка A и можно пройти к точкам B и E. Провешивают прямые BDG и EDF и отмеряют FD = DE и DG = BD. Затем идут по прямой FG, глядя на точку A, пока не найдут точку H, которая лежит на прямой AD. Тогда HQ равно искомому расстоянию AB.

Как определить длину и ширину участка по данному масштабу?

Длина и ширина усадьбы на плане равны 5,3 см и 3,6 см. Так как план выполнен в масштабе 1/1000, то размеры усадьбы равны => 3,6 см * 1000 см = 36 м, 5,3 * 1000 см = 53 м.

Ответ: длина = 36 м, ширина 53 м.

Как найти длину желоба?

Между двумя фабричными зданиями установлен покатый желоб для передачи материалов. Расстояние между зданиями равно 6 м, а концы желоба расположены на высоте 8 м и 4 м над землёй.

1) Проводим высоту CZ и получаем прямоугольный треугольник ZBC.

2) По теореме Пифагора (квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов)

BC 2 = ZB 2 + BC 2

Ответ: длина желоба равна 10 м.

В ходе выполнения своей работы я увидела геометрию с новой точки зрения.

Целью моей работы было изучение геометрии вне школьной программы. Я попыталась раскрыть применение геометрия в практической деятельности человека, в построении всемирно известных зданий. Своей цели я достигла.

Я не полностью исследовала эту тему, она может быть исследована другими учащимися.

Люди на протяжении всего своего существования задумывались не только о своем происхождении, но и происхождении Земли, мира. Какой он? каким был первоначально? Данный вопрос остается актуальным и сейчас. Благодаря ученым, некоторые моменты все-таки прояснились. К примеру, если ранее насчитывалось около 5-10 мифов о том, какой формы Земля, то на данный момент известно совершенно точно, что она имеет форму шара, который немного вытянут со стороны полюсов.

Актуальность работы заключается в поиске ответа на вопрос: является ли мир геометрически правильным. Для того, чтобы разобраться в этом вопросе более детально, нужно изучить геометрию нынешнего и прошлого времен. Со временем взгляды на геометрию, как науку заметно изменились и это объясняется новыми открытиями и доказательствами новых теорем и выдвижением новых гипотез.

В течение многих лет считалось, что человек является высшей ступенью эволюции и состоит он из совершенной симметрии, но годы исследований показали, что это далеко не так и наше тело асимметрично. Орган, который максимально приближен к симметрии – не мозг и даже не сердце, а легочное древо, однако его разветвления не являются закономерными.

Если говорить об отличиях геометрии во времени, несомненно, в процессе прогресса менялись понимания, увеличивалось количество формул, но некоторые формулировки, теоремы остаются неизменными, а что-то и вовсе превращается в аксиому.

Целью работы является изучение и поиск ответа на вопрос о геометрической правильности мира.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- изучить первоначальное представление о мире и его форме;

- рассмотреть геометрию в древности;

- произвести анализ геометрии тел и предметов;

- выяснить значение геометрии в современности.

Удивительно, что, к примеру, пирамиды были построены очень давно, но именно они являются идеалом не только в геометрическом плане, но и в географическом. Существуют предположения, что они строились по проекции звезд и имели огромное значение для Египтян.

1 ПЕРВОНАЧАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МИРЕ И ЕГО ФОРМЕ

1.1 Геометрия в Древности

Первоначально представление людей о мире состояло из следующего: вокруг земли находится вода, в воде – кит, на ките – черепаха, на черепахе 3 слона, которые держат сушу. Смотря на эту догадку о геометрии речь не идет вовсе. Сейчас это звучит неестественно и неправдоподобно, однако, мы знаем истину, но те, кто жили тогда, боролись и отстаивали свою позицию, и только спустя огромный промежуток времени пришло осознание того, что земля имеет форму шара. Но и это было опровергнуто, ровно так же, как мнение о том, что Солнце вертится вокруг Земли, а не наоборот.

Ученые и философы Древней Греции восприняли и переработали достижения культуры и науки Древнего Востока. Фалес, Пифагор, Демокрит, Евдокс и др. ездили в Египет и Вавилон для изучения музыки, математики и астрономии. Не случайно зачатки греческой геометрической науки связаны с именем Фалеса Милетского, основателя ионийской школы. Ионийцы, населявшие территорию, которая граничила с восточными странами, первыми заимствовали знания Востока и стали их развивать.

Достоверных сведений о жизни и научной деятельности Пифагора не сохранилось. Ему приписывается создание учения о подобии фигур. Он, вероятно, был среди первых ученых, рассматривавших геометрию не как практическую и прикладную дисциплину, а как абстрактную логическую науку.

В школе Пифагора было открыто существование несоизмеримых величин, т. е. таких, отношение между которыми невозможно выразить никаким целым или дробным числом. Примером может служить отношение длины диагонали квадрата к длине его стороны, равное Ц2. Число это не является рациональным (т. е. целым или отношением двух целых чисел) и называется иррациональным, т.е. нерациональным (от латинского ratio - отношение).

Пифагорейцы не знали других чисел, кроме рациональных. Построив диагональ квадрата, сторона которого равна 1, они констатировали, что она не может быть выражена никаким числом, так как для них не было других чисел, кроме целых и дробных. Этот факт привел в большое смущение пифагорейцев, так как в основе их философии лежало понятие о числе как основе всех вещей и явлений природы. Но вот эта великая основа - число - не в состоянии выразить длины простого отрезка в простой фигуре - диагонали квадрата. Вот почему открытие несоизмеримых величин явилось большим ударом по учению Пифагора и пифагорейцы долго его держали в строгой тайне.

Согласно преданию, ученик Пифагора, раскрывший публично эту тайну, был наказан богами и погиб во время кораблекрушения. Открытие несоизмеримых величин было важным поворотным пунктом в развитии античной математики. Узнав, что существуют отношения величин, не выражаемые никакими рациональными числами, древнегреческие ученые стали представлять величины не арифметически, а геометрически, не числами, а отрезками. Таким образом, возникла геометрическая алгебра, а потом и теория отношений Евдокса.

Кроме арифметического объяснения мира среди пифагорейцев существовало и геометрическое объяснение.

Предшественник Пифагора Анаксимандр признавал началом всего беспредельное: мир сложился из нескольких основных противоположностей, заключающихся в беспредельном пространстве. По учению пифагорейцев, только беспредельным нельзя объяснить определенное устройство, определенные формы вещей, существующих раздельно, из одного пространства нельзя объяснить ни физических, ни геометрических тел. Тело ограничивается плоскостями, плоскости, линиями, линии точками, образующими предел линий [1].Иными словами, мир состоит из предельного (у чего есть край и что может где-либо поместиться) и беспредельного – того, что невозможно измерить или охватить (необъятное), к примеру горизонт или Вселенная.

Таким образом, по представлениям пифагорейцев, составными частями всех вещей являются элементы числа, которые в свою очередь состоят из предела и беспредельного. На этом особенно настаивал Аристотель, полагая особенностью пифагорейцев то, что предельное и беспредельное не рассматривается ими как составная часть других сущностей таких как огонь, вода, земля, а само беспредельное и предельное является основой всего.

У пифагорейцев было несколько попыток объяснения мира, но они считали, что природа требует не человеческого, а божественного понимания, истина доступна лишь богам, а человеку остается строить предположения. Только в области математики возможно приблизиться к божественному знанию, исключающему ложь, а поэтому именно на основе чисел строятся все модели и предположения [1]. Т.е., люди того времени яро подвластные силе религии все же утверждали, что математика является познанием истины. Значит, наука набирала обороты, популяризировалась благодаря стремлению к познанию и приближению к Богу.

Древнеегипетскую и вавилонскую культуру в области математики продолжали греки. Они не только усвоили весь опыт их геометрии, но и пошли гораздо дальше. Ученые древней Греции сумели привести в систему накопленные геометрические знания и, таким образом, заложить начала геометрии как дедуктивной науки.

Греческие купцы познакомились с восточной математикой, прокладывая торговые пути. Но люди Востока почти не занимались теорией, и греки быстро это обнаружили. Они задавались вопросами: почему в равнобедренном треугольнике два угла при основании равны; почему площадь треугольника равна половине площади прямоугольника при одинаковых основаниях и высотах?

Необыкновенный расцвет науки и культуры был тесно связан с общим подъемом греческого производства 6 - 4 в.в. до н.э., жизненными потребностями людей. Проблемы механики, астрономии, строительства, архитектуры, мореплавания требовали совершенствования математических методов, начиная от вычислительной геометрии и до учения об отношениях, способах определения площадей, объемов, центров тяжести [2]. Отсюда появилась потребность в освоении и развитии геометрии.

1.2 Правильные фигуры

Правильные многогранники известны с древнейших времён. Их орнаментные модели можно найти на резных каменных шарах, созданных в период позднего неолита, в Шотландии, как минимум за 1000 лет до Платона. В костях, которыми люди играли на заре цивилизации, уже угадываются формы правильных многогранников.

В значительной мере правильные многогранники были изучены древними греками. Некоторые источники (такие как Прокл Диадох) приписывают честь их открытия Пифагору. Другие утверждают, что ему были знакомы только тетраэдр, куб и додекаэдр, а честь открытия октаэдра и икосаэдра принадлежит Теэтету Афинскому, современнику Платона. В любом случае, Теэтет дал математическое описание всем пяти правильным многогранникам и первое известное доказательство того, что их ровно пять.

Наиболее простым таким правильным многогранником является треугольная пирамида, грани которой правильные треугольники. В каждой ее вершине сходится по три грани. Имея всего четыре грани, этот многогранник называется также тетраэдром, что в переводе с греческого языка означает четырехгранник. Иногда тетраэдром называют также произвольную треугольную пирамиду.

Многогранник, гранями которого являются правильные треугольники и в каждой вершине сходится четыре грани - называется октаэдром.

Многогранник, в каждой вершине которого сходится пять правильных треугольников, поверхность из двадцати правильных треугольников- называется икосаэдром.

Кроме куба других правильных многогранников, гранями которых являются квадраты, не существует. Куб имеет шесть граней, и поэтому называется также гексаэдром.

Многогранник, гранями которого являются правильные пятиугольники и в каждой вершине сходится три грани, поверхность из двенадцати правильных пятиугольников, - называется додекаэдром.

Таким образом, имеется только пять правильных многогранников: правильный тетраэдр (ПРИЛОЖЕНИЕ А), гексаэдр (куб) (ПРИЛОЖЕНИЕ Б), октаэдр (ПРИЛОЖЕНИЕ В), додекаэдр (ПРИЛОЖЕНИЕ Г) и икосаэдр (ПРИЛОЖЕНИЕ Д).

2 ГЕОМЕТРИЯ ТЕЛ И ПРЕДМЕТОВ

2.1 Геометрия в жизни человека

Если рассматривать более детально, то все в мире представлено в форме геометрических фигур. Даже жидкости по сути состоят из молекул, которые в свою очередь, имеют форму.

Предметы, которые на первый взгляд уже имеют геометрическую форму, к примеру, воздушный шар, наполненность которого тоже имеет молекулы, представляет собой геометрическую фигуру, включающую в себя другие геометрические фигуры.

Знания в области геометрии применимы практически в любой деятельности человека: искусство, архитектура, строительство и т.д.

Но можно ли назвать мир геометрически правильным?Где бы мы не находились и чем бы мы не занимались, нас окружают предметы, имеющие форму геометрических фигур. Причем то, что имеет углы, отрезки и плоскости является объектом искусственного происхождения и изготовлено человеком. А предметы природного происхождения имеют округлые формы, такие как шар, окружность, дуга. Т.е., деятельность человека имеет более выраженное геометрическое совершенство, нежели то, что создала природа.

В строительстве всевозможных зданий человек преимущественно использует прямоугольные формы, но и в этом бывают исключения, на то есть причины. Круглые помещения — это редкость и строятся из-за каких-либо функциональных особенностей таких зданий. В форме круга возводятся цирки, церкви, также стадионы могут быть округлой формы. Археологи выяснили, что на самом деле первые жилища имели овальные формы. В некоторых регионах они сохранились и по сей день. И таких примеров было много. Вигвамы — у индейцев. Юрты — у тюркских и монгольских кочевников. Шатры — у восточных кочевых народов. Некоторые народности и сейчас строят круглое жилье. Эскимосы свои иглу строят из снега и льда в форме полусферы. Чукчи ставят чумы и яранги[3, c . 16].

У всех этих жилищ есть две общие черты. Во-первых, почти все их можно легко разобрать, перевезти и собрать на новом месте. Во-вторых, такие жилища строятся в пустынной местности. Это важно, чтобы аэродинамика шарообразных домов позволяла ветрам огибать их. Трудно сказать, когда люди начали строить прямоугольные дома. Но в одном археологи и историки сходятся — это произошло, когда человек перешел к оседлому образу жизни. Ведь дома начали строить надолго. И, как оказалось, именно прямоугольная форма позволяет экономнее использовать пространство. Такие дома проще надстраивать и делить на комнаты. А значит, они дают максимальную площадь и экономическую выгоду. Но сегодня строители и архитекторы строительство домов прямоугольной формы считают небезопасным. Параллелепипеды (прямоугольники в объеме) относятся к плохо обтекаемым объектам. Когда ветер опоясывают здание, могут создаваться области, в которых воздушный поток закручивается. Высотные дома, которые стоят близко друг от друга, образуют впадины, в которых скорость ветра увеличивается вдвое [4].

Стоит отметить, что геометрия не просто используется в строительстве домов, но и помогает определить человека как личность. В свете таких событий, появилась даже целая наука – психогеометрия.

Психогеометрия позволяет прогнозировать и оценивать черты характера, модель поведения и стиль жизни человека с помощью простейших геометрических фигур. Молодая наука основывается на том, что разные геометрические формы вызывают у человека определённые эмоции. Так, овал и квадрат, быстрее всего регистрируется глазом и воспринимаются мозгом, а значит и лучше запоминаются, чем сложные и неправильные фигуры. Разработчик психогеометрии доктор психологии Сьюзен Деллингер из США. Она много лет проработала с персоналом и обобщила свой опыт. Созданный ей тест был назван в честь нее. Этот тест сейчас часто используется при приеме специалиста на работу. Претенденту на определенное место предлагается выбрать один из пяти фигур — квадрат, треугольник, прямоугольник, круг или зигзаг. Затем значение этих геометрических фигур соотносится с характером человека. И работодатель сразу определяет — подходит кандидат на данную вакансию или нет. Этот же прием стали использовать при создании логотипов всевозможных компаний. При обозначении марок автомобилей конструкторы применяют круги, овалы, треугольники и зигзаги. Доказано, что формы линий влияют на скорость и качество восприятия информации: горизонтальные и вертикальные линии воспроизводят спокойствие и ясность, а изогнутые — изящество и непринуждённость. В нашей жизни геометрия играет важную роль. Она нужна не только для того, чтобы назвать части строений или формы окружающего нас мира. С помощью геометрии мы можем решить многие задачи и ответить на разные вопросы. Геометрия дает не только представление о фигурах, их свойствах, взаимном расположении, но и учит рассуждать, ставить вопросы, анализировать, делать выводы, мыслить логически [3, с. 18].

Таким образом, можно сделать вывод, что геометрия не является наукой, которая сводится к элементарным расчетам, а играет в жизни человека огромную роль, сопровождая каждое наше действие. Но является ли наш мир геометрически правильным? Ответ на этот вопрос скорее философский: если мы будем рассматривать 5 фигур, представленных в первой главе, то скорее всего, нет. Но если мы будем смотреть с точки зрения самой науки, то во всем можем проследить отпечаток геометрических фигур, только с поправкой о том, что не во всем, что нас окружает это проявляется четко.

В представленной работе была поставлена цель: изучение и поиск ответа на вопрос о геометрической правильности мира.

В результате достижения поставленной цели был выполнен анализ литературы и сделан вывод о том, что по мнению ученых прошлого, существовало всего 5 правильных фигур. Да, они встречаются в нашей жизни, однако, мир состоит не из пяти фигур, а включает весь спектр фигур, существующих и известных геометрии.

Также для достижения цели были поставлены задачи, такие как:

- изучение первоначального представления о мире и его форме;

- рассмотрение геометрии в древности;

- проведение анализа геометрии тел и предметов;

- выяснение значения геометрии в современности.

Значение геометрии в жизни современного человека имеет огромное значение, так как затрагивает совершенно все сферы деятельности от искусства до строительства. Также нужно отметить, что правильные расчеты при построении, к примеру, небоскребов могут прослужить десятилетия, а неверные – унести сотни жизней.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Геометрия в Древней Греции. — URL: isgeom . narod . ru (дата обращения 12.04.2021).

2. Геометрия и искусство. Правильные фигуры. — URL: geometry - and - art . ru (дата обращения 12.04.2021).

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Тема проекта:

Автор проекта: Кирилл Лобанов, обучающийся 7 класса

Наставник проекта: Ирина Алексеевна Потапушкина,

Для чего мы изучаем геометрию, где можно применить полученные знания, как часто приходится сталкиваться с геометрическими фигурами? Встречается ли, где-нибудь, информация, связанная с геометрией, кроме уроков математики?

Чтобы ответить на эти вопросы я начал изучать теорию вопроса, просмотрел специальную литературу по теме исследования. Много интересного узнал, используя возможности Интернета. Выяснил, что в природе мы очень часто сталкивается с красивыми, геометрически правильными фигурами. Я выдвинул гипотезу, что мир является геометрически правильным. После этого начал исследовательскую работу.

Поставил цель исследовательской работы: найти в природе, в повседневной жизни примеры, доказывающие факты геометрической правильности мира.

Актуальность темы является бесспорной, так как данная работа даёт возможность посмотреть на наш мир по иному, увидеть красоту геометрия в жизни человека, в окружающей нас природе. Учитывая актуальность данной темы, мною проведена данная исследовательская работа.

Цель, предмет и гипотеза исследования обусловили выдвижение и решение следующих задач исследования:

1. Изучить специальную литературу по теме исследования;

2. Увидеть красоту геометрии в архитектуре;

3. Рассмотреть красоту геометрии в природе;

4. Обобщить результат работы.

Геометрия - раздел математики, изучающий плоские и пространственные фигуры и их свойства. Она возникла давно, это одна из самых древних наук. Геометрия (от греч. geо — земля и metrein — измерять)— наука о пространстве, точнее — наука о формах, размерах и границах тех частей пространства, которые в нем занимают вещественные тела. Однако современная геометрия во многих своих дисциплинах выходит далеко за пределы этого определения. Важную роль играли и эстетические потребности людей: желание построить красивое жилище, украсить его картинами из окружающего мира.

Человек не может по-настоящему развиться культурно и духовно, если он не изучал в школе геометрию; геометрия возникла не только из практических, но и из духовных потребностей человека

Итак, что же такое многогранник? Многогранник - часть пространства, ограниченная совокупностью конечного числа плоских многоугольников. Многогранники встречаются во многих науках: в химии (строения молекулярных решёток атомов), в геологии (формы минералов, пород), в спорте (форма мяча), в географии (Бермудский Треугольник). Многие игрушки сделаны в форме многогранников - знаменитый Кубик Рубика, игральные кости, пирамиды и различные головоломки.

Исследованием свойств многогранников занимались великие учёные и философы – Платон, Евклид, Архимед, Кеплер.

Название - правильные идёт от античных времен, когда стремились найти гармонию, правильность, совершенство в природе и человеке.

Названия правильных многогранников пришли из Греции. В дословном переводе с греческого "тетраэдр", "октаэдр", "гексаэдр", "додекаэдр", "икосаэдр" означают: "четырехгранник", "восьмигранник", "шестигранник", "двенадцатигранник", "двадцатигранник". Этим красивым телам посвящена 13-я книга "Начал" Евклида. Каково же это вызывающе малое количество и почему их именно столько. А сколько? Оказывается, ровно пять - ни больше, ни меньше. Подтвердить это можно с помощью развертки выпуклого многогранного угла.

В самом деле, для того чтобы получить какой-нибудь правильный многогранник согласно его определению, в каждой вершине должно сходиться одинаковое количество граней, каждая из которых является правильным многоугольником. Сумма плоских углов многогранного угла должна быть меньше 360 о , иначе никакой многогранной поверхности не получится. Перебирая возможные целые решения неравенств: 60к (см. приложение). По-видимому, тем, что из всех многогранников с тем же числом граней именно икосаэдр имеет наибольший объём при наименьшей площади поверхности. Это свойство помогает морскому организму преодолевать давление водной толщи.

Подтверждением тому служит форма некоторых кристаллов. Взять хотя бы поваренную соль, без которой мы не можем обойтись. А кристаллы поваренной соли имеют форму куба (см. приложение). При производстве алюминия пользуются алюминиево-калиевыми кварцами, монокристалл которых имеет форму правильного октаэдра. Получение серной кислоты, железа. Особых сортов цемента не обходится без сернистого колчедана. Кристаллы этого химического вещества имеют форму додекаэдра. В разных химических реакциях применяется сурьменистый сернокислый натрий – вещество, синтезированное учёными. Его кристалл имеет форму тетраэдра. Последний правильный многогранник – икосаэдр передаёт форму кристаллов бора. В своё время бор использовался для создания полупроводников первого поколения.

Тетраэдр олицетворял огонь, поскольку его вершина устремлена вверх, как у разгоревшегося пламени; икосаэдр – как самый обтекаемый – воду; куб – самая устойчивая из фигур – землю, а октаэдр – воздух. Форму правильного додекаэдра имела вся Вселенная.

А вот еще один пример многоугольников, но уже созданный не природой, а человеком. Это здание Пентагона. Он имеет форму пятиугольника. Но почему здание Пентагона имеет такую форму? Пятиугольную форму здания подсказал план местности, когда создавались эскизы проекта. В том месте проходило несколько дорог, которые пересекались под углом 108 градусов, а это и есть угол построения пятиугольника. Поэтому такая форма органично вписывалась в транспортную инфраструктуру, и проект был утвержден.

Олимпийский стадион в Пхенчхане имеет форму правильного пятиугольника. Каждый угол символизирует ключевую цель олимпийских игр : культурные Игры, экологичные Игры, экономичные Игры, Игры для мира и Игры информационных технологий (см. приложение).

Благодаря правильным многогранникам открываются не только удивительные свойства геометрических фигур, но и пути познания природной гармонии. Геометрия - удивительная наука. Ее история насчитывает ни одно тысячелетие, но каждая встреча с ней способна одарить и обогатить (как ученика, так и учителя) волнующей новизной маленького открытия, изумляющей радостью творчества. Проведённая мною исследовательская работа показала, что, хотя в окружающем нас мире много примеров геометрической правильности мира, но всё же не всё в нашем мире имеет правильную геометрическую форму. Что было бы, если всё вокруг было круглым или квадратным? Представленный материал может быть использован как на основных уроках, так и на факультативных занятиях.

Берже М. Геометрия в двух томах – М: Мир, 1984.

Киселёв А. П. Элементарная геометрия. – М.: Просвещение, 1980.

Коксетер Г.С., Грейтцер С.Л. Новые встречи с геометрией. – М.: Наука, 1978.

Геометрия окружающего мира

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Геометрия в качестве науки развиваласьс древнейших времен. Необходимость измерения площади возделываемых земель, необходимость строительства зданий и сооружений – все это послужило толчком к изучению закономерностей различных фигур. Наряду с сугубо практическими задачами древние геометры решали всевозможные геометрические головоломки, от которых не было ощутимой пользы в быту, однако именно эти изыскания позволили подвести под известные геометрические соотношения строгий базис в виде аксиом геометрии. Так были изучены свойства окружности, конических сечений (парабола, гипербола), спиралей, правильных многоугольников и т.д. Все эти фигуры, должно быть, были подсказаны древним ученым самой природой. Так окружность каждый день встречается в виде солнечного или лунного дисков, парабола и гипербола – вполне наглядный пример кривых, образующихся на срезе конуса, многоугольники встречаются в образе морских звезд, кристаллов, в виде цветков различных растений, спираль можно увидеть в форме ракушек. Таким образом природа сама подсказывала человеку объекты для изучения.

Гипотеза, выдвигаемая мной в данном научном исследовании, состоит в том, что окружающий мир можно считать геометрически правильным. Основывается это предположение именно на том факте, что развитие геометрии началось с изучения объектов, подсказанных человеку самой природой, а значит, природа уже содержит в себе геометрически правильные с человеческой точки зрения элементы, и следовательно, нет оснований не считать, что мир является в большинстве своем геометрически правильным.

Целью исследовательской работы станет выработка неких оценочных характеристик, позволяющих оценить объекты окружающего мира с точки зрения принадлежности некому "правильному" виду, а следом за этим и непосредственная оценка различных видов природных объектов.

Результатом станет вывод о подтверждении или опровержении выдвинутой мной гипотезы.

1. Выработка оценочных характеристик

1.1. Определение понятия идеала

Само определение "геометрически правильный" уже дает ответ на вопрос: "Что является геометрически правильным объектом". Таким объектом является объект, который образован по некоторому правилу, закону, то есть имеет под собой некоторое основание, которое будет отличать его от произвольно составленного объекта. Таких правил для каждого объекта, по всей видимости, может быть несколько.

Является ли объект (Рисунок 1) геометрически правильным? Скорее всего, нет. Это подсказывает нам здравый смысл, которому есть с чем сравнить. В данной фигуре нет общей плавности, множество острых углов, присутствует некоторая несоразмерность составных частей.

Рисунок 1. Произвольная фигура Рисунок 2. Малый звездчатый додекаэдр

Однако следующий объект, вероятно, имеет право называться геометрически правильным (рисунок 2). Хотя у этого объекта острых углов в несколько раз больше, чем у предыдущего, и нет плавных линий, мы тем не менее можем уверенно заявить, что данный объект в своем классе действительно является идеальным[1].

Итак, идеал геометрической фигуры несомненно существует. Человеческий ум на основании опыта и многочисленных наблюдений выработал понятие идеала. Человек практически всегда может уверенно указать на то, принадлежит ли данный объект к идеальному типу или нет, является ли он наивысшей точкой упорядочивания своих составных частей.

1.2. Идеальные геометрические объекты и их свойства

Рассмотрим основные геометрические объекты: окружность, квадрат, ромб, прямоугольник, равносторонний треугольник, равнобедренный треугольник, правильный многоугольник, эллипс, паркет (Рисунок 3).

1 – круг, 2 – квадрат, 3 – ромб, 4 – прямоугольник, 5 – равносторонний ("правильный") треугольник, 6 – равнобедренный треугольник, 7 – правильный многоугольник, 8 – эллипс, 9 – паркет

Рисунок 3. Различные геометрические объекты[2]

Правила, по которым образованы данные фигуры, определить не сложно. Квадрат отличается равенством своих сторон и четырьмя линиями симметрии (линии, проходящие через центр квадрата параллельно его сторонам или по диагоналям). Ромб отличается равенством всех сторон и двумя линиями симметрии. У правильного треугольника все стороны равны и имеются три линии симметрии. У любого правильного многоугольника все стороны равны, а также большое количество линий симметрии. Окружность – максимально симметричная фигура, количество линий симметрии в ней бесконечно. Если рассмотреть паркет, то его основное свойство – повторяющееся соединение одинаковых фигур, например паркет, составленный из прямоугольных "досочек", расположенных"ёлочкой" или в виде "кирпичной" кладки.

Подобные правильные фигуры можно найти и среди объемных фигур. Это шар, тор (бублик), всевозможные правильные многогранники (тетраэдр, октаэдр, гексаэдр или куб, икосаэдр, додекаэдр), параллелограмм, связанные шестигранные призмы (пчелиные соты). Основными свойствами, характеризующими подобные фигуры, являются – опять же симметрия, но уже не только относительно какой-либо оси, но и относительно плоскости; повторение отдельных соединенных между собой элементов, как в примере с пчелиными сотами; образование фигуры ввиду вращения относительно какой-либо оси.

1.3. Выработка списка оценочных характеристик

При анализе свойств идеальных фигур было выявлено, что все виды этих фигур несомненно обладают двумя основными свойствами:

- равенство или подобие составных частей.

Равенство частей наблюдается у квадрата, ромба или равностороннего треугольника – как равенство сторон. Также у них присутствуют одна или несколько линий симметрии.

У шара присутствуют бесконечное количество осей симметрии и плоскостей симметрии, но отсутствует равенство или подобие составных частей.

Симметрия тора, или в просторечье – бублика, является следствием образования его путем вращения круга относительно удаленной от него оси.

Все типы правильных многогранников обладают симметрией, при этом составлены из некоторого количества одинаковых фигур (треугольников, квадратов, пятиугольников).

Всевозможные виды паркетов, составленные из прямоугольников, треугольников и других составных частей – в совокупности имеют "правильную" геометрическую форму, объясняемую равенством повторяющихся частей.

Из всего этого можно сделать вывод, что отличить "правильную" геометрическую фигуру от произвольной совсем не сложно, достаточно выяснить, имеет ли данная фигура оси или плоскости симметрии, а также – составлена ли она из повторяющихся одинаковых или подобных частей (как например спираль Архимеда – несомненно идеальная фигура, но без оси симметрии, однако, каждый ее виток подобен предыдущему)[3].

Таким образом, именно по наличию/отсутствию симметрии и равенства или подобия составных частей мы будем оценивать различные объекты окружающего мира на соответствие "правильному" геометрическому виду.

2. Оценка объектов окружающего мира

2.1. Классификация геометрических объектов окружающего мира

Весь видимый человеку мир можно разделить на две части. Одна часть – это мир, объекты которого созданы самим человеком. И другая – окружающий мир природных объектов. Само собою, те объекты – архитектурные постройки, средства передвижения, – которые человек создал своими руками, будут являться геометрически правильными. Поэтому их рассматривать нет необходимости. Обратим внимание на объекты природы.

Объекты окружающего мира можно разбить на следующие категории:микроскопические объекты (молекулы, клетки, бактерии, вирусы, мелкие насекомые, песок, пыль и др.); макроскопические объекты (планеты, звезды, галактики, чуть менее – горы, моря, океаны, вообще – ландшафт);объекты флоры (деревья, растения, цветы, грибы);объекты фауны (животные, рыбы, птицы, человек).

Слева направо: спиралевидная галактика, горный хребет в Перу, планета Земля, листья папоротника, цветок брокколи, лист плюща, Драконово дерево, квазар, окаменелость Наутилуса, вирус, апатит, спираль ДНК, подсолнух

Рисунок 4. Объекты окружающего мира

2.2. Применение к каждому классу объектов оценочных характеристик

Рассмотрим объекты из каждой категории на соответствие приведенным выше критериям.

У молекул в высокой степени развито свойство равенства или подобия составных частей. Это легко объясняется способом образования молекул, которые состоят из повторяющихся химических соединений. Соединения молекул между собой нередко образуют правильные фигуры, примером может служить графит, в котором молекулы углерода образуют шестиугольники.Формы некоторых вирусов (смотри Рисунок 4) похожи на правильные многогранники.

Однако, ни к мелкой пыли, ни к песку, ни к клеткам живых организмов нельзя применить свойства симметрии или равенства составных частей. Это объясняется тем, что каждая песчинка, пылинка или клетка – это обособленный объект, который не имеет сильной взаимосвязи с себе подобными объектами, поэтому их соединения не обладают этими свойствами. Но в каждой песчинке или клетке по отдельности можно эти свойства обнаружить. Например, кварцевый песок состоит из мельчайших частиц кристаллов кварца. Кристаллы же при этом обладают ярко выраженной симметричной структурой (Рисунок 4).

Для космических объектов также в большой степени присущи свойства симметрии. Это касается планет солнечной системы, которые имеют шарообразные формы; звезд, которые в большинствеимеют формы шара; спиралевидных галактик, которые за счет вращения приобретают формы спиралей, где каждая ветвь из звезд подобна другой; квазаров – сверхмощных объектов, излучающих потоки энергии и имеющих быстрое вращение (Рисунок 4). Вообще свойства вращения и симметрии характерны для космических объектов, благодаря этим свойствам они и существуют, образуя сгустки массы, которая при отсутствии вращения рассеялась бы в пространстве.

Среди объектов флоры и фауны также немало таких, которые имеют ярко выраженные свойства симметрии или подобия. Пчелиные соты – пример правильного шестиугольника.

Листья папоротника обладают высокой степенью самоподобия, его листья соединяются на тонких ветках, ветки соединяются на ветках потолще и так далее, образуя разветвленную самоподобную структуру. Прожилки в листьях плюща абсолютно симметричны относительно центральной линии. Семена подсолнечника собираются в элегантный симметричный орнамент (Рисунок 4).

Для мира животных и человека принцип симметрии тоже имеет место быть. Однако, это не ярко выраженная симметрия, как в примерах выше, но тем не менее – каждое живое существо симметрично, имеет симметричные органы передвижения, симметричное строение тела, головы. Яркий пример – симметрия крыльев у бабочек. Гусеницы, к примеру, состоят из множества подобных сегментов.

Удивительнейшим фактом, связывающим геометрию и природу является обнаруженный еще в древности принцип золотого сечения в природе.

Золотое сечение в общем виде – это такое отношение, при котором площади следующих друг за другом геометрических фигур соотносятся как ≈1/1,618. Это соотношение наглядно демонстрируется в виде отношения между каждым из двух соседних квадратов, точки которых лежат на логарифмической спирали (Рисунок 5).

Рисунок 5. Золотое сечение в природе

Принцип золотого сечения характерен для живых организмов. Так раковины моллюсков имеют форму спирали Архимеда. Соотношение между узлами разветвления у растений и живых организмов составляет величину золотого сечения.

Таким образом, осевая симметрия и равенство или подобие составных частей присуще широкому классу естественных объектов природы.

2.3. Объекты, не поддающиеся оценке

Наряду с наличием явной симметрии в природе часто встречаются объекты, вид которых не встречает явных геометрических аналогий.

Примером могут служить горные хребты, большинство деревьев (Рисунок 5), формы морей и рек и прочие объекты. Для "построения" объектов этого класса применимы иные критерии, не включающие симметрию. Это так называемое неявное подобие.

Рассмотрим дерево. Его ствол на определенной высоте чаще всего раздваивается, образуя два ствола меньшего диаметра, которые могут быть совсем не симметричны, затем каждый из стволов в свою очередь также раздваивается. Так продолжается вплоть до листьев дерева, прожилки которых также раздваиваются на поверхности листа, все заканчивается на кромке листа, который имеет также ребристую структуру. Такие объекты, в которых присутствуют самоповторы в структуре, называют фракталами. Это обозначение ввел математик Бенуа Мандельброт в своей книге "Фрактальная геометрия природы" в 1975 году[4].

Фракталы очень распространены в природе. Классическим примером служит брокколи (Рисунок 4), форма которой повторяется в каждом составном элементе. За счет высокого сходства этот объект обладает яркой симметрией, поэтому входит в класс "правильных" геометрических объектов. Но так бывает не всегда. Разветвленные сети рек или кровеносной системы человека не имеют явной симметрии, однако обладают свойствами фрактала, неявного подобия составных частей.

В общем случае те объекты, в формах которых невозможно увидеть какие-либо признаки "правильного", не имеют большой силы взаимодействия между своими составными частями, что не дает структуре объекта принимать законченные геометрические формы.

В процессе исследования вопроса о том, можно ли считать мир геометрически правильным, мною была выдвинута гипотеза о том, что объекты окружающего мира можно считать геометрически правильными. Эта гипотеза возникла ввиду предположения, что сама геометрия возникла из наблюдений за идеальными объектами в природе.

Далее мною были исследованы характеристики идеальных геометрических форм, и было выяснено, что эти формы обладают двумя основными характеристиками – симметрией и равенством или подобием составных частей. Эти характеристики взяты мною как оценочные для применения в качестве оценки к объектам окружающего мира.

При анализе форм различных природных объектов было выяснено, что большинство из них обладают указанными выше свойствами. Остальные объекты, не обладающие ярко выраженными свойствами, отнесены мною в класс фракталов или составных объектов без сильного взаимодействия составных частей.

На основании всего вышеперечисленного можно утверждать, что в большинстве своем мир геометрически правилен, состоит из объектов, которые изначально обладают свойствами подобия, что обусловлено наличием яркой внутренней силы взаимодействия частей, в результате чего объекты принимают формы, подобные правильным геометрическим фигурам.

Выдвинутая гипотеза подтверждается.

Перечень использованной литературы

3. Иоланта Прокопенко. Сакральная геометрия. Энергетические коды гармонии. Изд.: АСТ. – Москва, 2014.

4. Бенуа Б. Мандельброт. Фрактальная геометрия природы. Пер. с англ. А. Р. Логунова. – Москва: Институт компьютерных исследований, 2002.