Лента мебиуса это кратко
Обновлено: 03.07.2024
Одним из самых простых и одновременно самых сложных и странных объектов является лента Мёбиуса. Несмотря на всю неординарность данной фигуры её с легкостью можно сделать самостоятельно и провести все эксперименты, которые описываются в этой статье.
Лента Мёбиуса – простейшая неориентируемая поверхность, которая является односторонней в трёхмерном пространстве. Её часто называют ещё поверхностью Мёбиуса и относят к непрерывным (топологическим) объектам.
Изучив свойства ленты, Мёбиус написал о ней статью и отправил в Парижскую академию наук, но ее публикации так и не дождался. Его материалы были опубликованы уже после смерти математика, а необычная топологическая поверхность была названа в его честь.
Сделать ленту Мёбиуса очень просто: возьмите ленту ABCD, а после сверните таким образом, чтобы точки A и D соединились с B и C.
Получается обычная на первый взгляд фигура, которая имеет очень интересные свойства.
Необычные свойства ленты Мёбиуса
Односторонность
Все мы привыкли к тому, что у поверхностей всех объектов, с которыми мы сталкиваемся в реальном мире (например, листок бумаги) две стороны. Но поверхность ленты Мёбиуса односторонняя. Это легко можно проверить путем закрашивания ленты. Если взять карандаш и начать окрашивать ленту с любого места, не переворачивая, то в конечном итоге, лента окажется полностью закрашена.
Поверхность ленты Мёбиуса непрерывная
Это легко проверяется следующим образом: если в любом месте
на ленте поставить точку, то ее можно соединить с любой другой точкой на поверхности ленты, не пресекая края. Таким образом, получается, что поверхность этого объекта непрерывная.
У ленты Мёбиуса нет ориентированности
Если бы вы смогли пройти через всю ленту Мёбиуса, то в момент возвращения в начальную точку путешествия вы бы превратились в зеркальное отражение самого себя.
Если ленту разрезать вдоль посередине, то в таком случае получается всего одна лента, хотя логика говорит о том, что их должно быть две, а если разрезать, отступив от края на треть ширины ленты, то получится уже два кольца сцепленных вместе - маленькое и большое. Сделав затем продольный разрез малого кольца посередине, в итоге, получим два переплетенных кольца одинаковых в размере, но разных по ширине.
Практическое использование ленты Мёбиуса
Уже существует довольно много изобретений, основанных на свойствах этого необычного топологического объекта. Например, красящая лента в матричных принтерах, скрученная в ленту Мёбиуса, служит гораздо дольше, поскольку износ в этом случае происходит равномерно по всей ее поверхности. А скрученные в форме этого геометрического объекта лопасти кухонного миксера или бетоносмесителя снижают энергозатраты на 20%, и при этом качество полученной смеси улучшается.
Существует гипотеза, что полимер ДНК, представляющий собой двойную спираль, является фрагментом ленты Мёбиуса и по этой причине код ДНК так труден для расшифровки и понимания.
Некоторые физики, говорят о том, что оптические эффекты основаны на тех же свойствах, которыми обладает этот парадоксальный объект, так наше отражение в зеркале - это частный случай, одного из свойств ленты Мёбиуса.
Еще одна гипотеза, связанная этим математическим объектом - это то, что сама наша Вселенная, возможно, замкнута в такую ленту и у нее есть своя зеркальная копия. Поскольку, если все время двигаться в одном направлении по ленте Мёбиуса, то, в конце концов, окажемся в начальной точке нашего путешествия, но уже в своем зеркальном отображении.
Загадочная бутылка Клейна
На основе ленты Мёбиуса существует ещё одна удивительная фигура – бутылка Клейна. Она представляет с собой бутылку, у которой на дне есть отверстие. Горлышко бутылки удлинено и загнуто, проходя в одну из стенок самой бутылке.
Такую фигуру невозможно воспроизвести в обычном трехмерном пространстве, ведь горлышко не должно касаться стенки бутылки и соединено с отверстием в ее дне. Таким образом, получается поверхность, которая имеет всего одну сторону. Бутылка Клейна и лента Мёбиуса до сих пор привлекает внимание учёных, а также писателей.
А. Дейч в одном из своих рассказов писал о том, как однажды в Нью-Йоркском метро пути пересеклись и весь метрополитен стал напоминать ленту Мёбиуса, а электрички, идущие по путям, стали пропадать, вновь появляясь, только спустя несколько месяцев.
Мир до сих пор остаётся для нас огромной загадкой, и кто знает, какие ещё причуды пространства откроют учёные в ближайшем будущем.
Известны ли вам какие-то другие объекты с необычными свойствами? Напишите об этом в комментариях.
Лист Мёбиуса (ле́нта Мёбиуса) — топологический объект, простейшая неориентируемая поверхность с краем, односторонняя в обычном трёхмерном евклидовом пространстве R 3 . Попасть из одной точки этой поверхности в любую другую можно, не пересекая края. Лента Мёбиуса была открыта независимо немецкими математиками Августом Фердинандом Мёбиусом и Иоганном Бенедиктом Листингом в 1858 году. Модель ленты Мёбиуса может легко быть сделана. Для этого надо взять достаточно вытянутую бумажную полоску и соединить концы полоски, предварительно перевернув один из них. В евклидовом пространстве существуют два типа полос Мёбиуса в зависимости от направления закручивания: правые и левые.
Лист Мёбиуса иногда называют прародителем символа бесконечности , так как находясь на поверхности ленты Мёбиуса, можно было бы идти по ней вечно. Это не соответствует действительности, так как символ использовался для обозначения бесконечности в течение двух столетий до открытия ленты Мёбиуса. (см. символ бесконечности).
Содержание
Свойства
Геометрия и топология
Чтобы превратить квадрат в лист Мёбиуса, соедините края, помеченные так, чтобы направления стрелок совпали.
Одним из способов представления листа Мёбиуса как подмножества является параметризация:
\cos\frac \right) \cos (u), " width="" height="" />
\cos\frac \right) \sin (u), " width="" height="" />
\sin\frac , " width="" height="" />
где и . Эти формулы задают ленту Мёбиуса ширины 1, чей центральный круг имеет радиус 1, лежит в плоскости x - y с центром в . Параметр u пробегает вдоль ленты, в то время как v задает расстояние от края.
В цилиндрических координатах , неограниченная версия листа Мёбиуса может быть представлена уравнением:
Топологически лист Мёбиус может быть определен как факторпространство квадрата по отношению эквивалентности для .
Лист Мёбиуса — это также пространство нетривиального расслоения над окружностью с слоем отрезок.
Подобные объекты
Существует распространённое заблуждение, что пересечённая крышка не может быть сформирована в трёх измерениях без самопересекающейся поверхности. На самом деле возможно поместить ленту Мёбиуса в с границей, являющейся идеальным кругом. Идея состоит в следующем — пусть C будет единичным кругом в плоскости xy в . Соединив антиподные точки на C , то есть, точки под углами θ и θ + π дугой круга, получим, что для θ между 0 и π / 2 дуги лежат выше плоскости xy , а для других θ ниже (причём в двух местах дуги лежат в плоскости xy ).
Можно заметить, что если диск приклеивается к граничной окружности, то самопересечение получающейся сфера сплёнкой неизбежно в трёхмерном пространстве. В терминах задания сторон квадрата, как было показано выше, сфера с плёнкой получается склеиванием двух оставшихся сторон с сохранением ориентации.
Открытые проблемы
ОТВЕТ: Таких формул существует бесконечно много, см., напр., [1] .
Сложнее найти форму, которая при этом минимизирует упругую энергию изгиба. Эта задача, впервые поставленная Садовским (M. Sadowsky) в 1930 году, была недавно решена, см. [2] . Однако решение не описывается алгебраической формулой, и маловероятно, что такая формула вообще существует. Чтобы найти пространственную равновесную форму бумажной ленты Мёбиуса, необходимо решить краевую задачу для системы дифференциально-алгебраических уравнений.
Искусство и технология
Лист Мёбиуса служил вдохновением для скульптур и для графического искусства. Эшер был одним из художников, кто особенно любил его и посвятил несколько своих литографий этому математическому объекту. Одна из известных — лист Мёбиуса II, показывает муравьёв, ползающих по поверхности ленты Мёбиуса.
Существуют технические применения ленты Мёбиуса. Полоса ленточного конвейера выполняется в виде ленты Мёбиуса, что позволяет ему работать дольше, потому что вся поверхность ленты изнашивается равномерно. Также в системах записи на непрерывную плёнку применяются ленты Мёбиуса (чтобы удвоить время записи). Во многих матричных принтерах красящая лента также имеет вид листа Мёбиуса для увеличения её ресурса.
Устройство под названием резистор Мёбиуса — это недавно изобретённый электронный элемент, который не имеет собственной индуктивности.
Лента Мёбиуса, ввиду своей необычности, имеет не менее удивительные свойства, которые легко провести даже в домашних условиях.
Лента Мёбиуса односторонняя
Это можно легко проверить, если взять Ленту Мёбиуса и поставить в любом месте точку, то ее можно соединить с любой другой точкой на поверхности, при этом не пресекая края. Таким образом, получается, что поверхность этого объекта непрерывная.
Поверхность ленты Мёбиуса непрерывная
Мы доказываем, что Лента односторонняя, в отличие от всех других фигур, взяв карандаш и начать окрашивать ленту с любого места, не переворачивая, то в конечном итоге, лента окажется полностью закрашена.
Лента в науке и производстве
В научном мире Лента Мёбиуса произвела самый настоящий фурор. Она стояла самым сверхмощным вирусным трендом за всю историю человечества. Сейчас Лента является основой для построения новых гипотез и теорий, проведения исследований и экспериментов, создания новых вирусов, механизмов и устройств.
Существует теория, что согласно которой Вселенная — это огромнейшая петля Мебиуса. Другая теория же рассматривает ДНК как часть поверхности Мебиуса. Однажды советский цитолог Навашин выдвинул предположение, что форма кольцевой хромосомы по строению аналогична ленте Мебиуса. Это объясняет сложности с расшифровкой и прочтением генетического кода.
Лента Мёбиуса нашла свое применение и в IT:Когда-то известный вирус - червь под названием trojan.win32.MöbiusStrip спровоцировал настоящую эпидемию и первый в истории компьютеров взрыв спроса на антивирусные программы.
Пробравшись на компьютер жертвы через микрощели в клавиатуре, данный вирус внедрялся в системный блок и сворачивал все IDE-шлейфы в подобие ленты Мёбиуса, что приводило к непреодолимому зацикливанию данных и выдаче удивлённому пользователю уведомления о так называемой Ошибке Мёбиуса или Error 906.
Лента Мёбиуса была взята под основу при создании полосы ленточного конвейера и красящей ленты в печатных устройствах, абразивных ремней для заточки инструментов и автоматической передачи. Также была создана пружина, которая, в отличие от обычных, срабатывающих в противоположном направлении, не меняет направление срабатывания.
Открытие Августа Мебиуса используют и в станкостроении. Конструкцию используют для большего времени записи на пленку, а также в принтерах, использующих ленту при распечатке.
Лента в спорте
Существует множество других видов спорта Мёбиуса и даже Олимпийские игры Мёбиуса. Их эмблемой являются 5 сплетённых колец Мёбиуса. По причине бесконечности игровой поверхности, примечательностью этих видов спорта является то, что игра в основном идёт не на выигрыш, а на вылет.
Одними из таких являются бег с прыжками по Ленте Мёбиуса, тетрис Мёбиуса, бильярд Мёбиуса, футбол Мёбиуса.
Лента в культуре
Лента Мёбиуса и её свойства стали популярными и среди творческого населения. Художники, скульптуры, писатели, даже кинематографисты были вдохновлены этим открытием.
Получается, что муравьи ползают по одной поверхности друг за другом. Художник очень любил геометрию и увлекался ей. В связи с чем. Именно поэтому на его работах часто присутствуют различные геометрические формы, фракталы, оптические иллюзии.
Заключение
Таким образом, мы выяснили, что Лента Мёбиуса очень полезна в разных сферах жизни. Её необычные свойства дают толчок на новые открытия и новые произведения искусства.
В ходе нашего исследования мы изучили большое количество сайтов в интернете и прочитали список литературы, из которых узнали много нового о Ленте Мёбиуса, о её свойствах, истории открытии и применении.
Нас очень заинтересовало исследование и сама Лента Мёбиуса. Мы выяснили об этом очень многое и узнали полезную информацию.
Этот объект известен с середины XIX века. Его необычная форма скрывает не менее необычные свойства. Самое интересное, что сделать такой объект можно из обычного листа бумаги.
Сделать ленту Мебиуса можно за пару минут из обычной полоски бумаги. Для этого нужно взять полоску, развернуть один из ее краев на 180 градусов так, чтобы нижняя часть полоски стала верхней. Затем необходимо склеить оба края. Получится замкнутая фигура, называемая лентой Мебиуса.
Лента Мебиуса обладает множеством разных свойств, но есть одно, которое выделяет эту фигуру среди других. Представим, что мы встали на такую ленту и пошли по ней в любом направлении. Когда мы пройдем полный круг, то окажемся в той же точке ленты, но на обратной ее стороне. Если двигаться дальше и пройти второй круг, то мы придем в изначальную точку. Это свойство называется односторонностью поверхности.
На первый взгляд кажется, что лента Мебиуса, как и многие математические структуры, бесполезна в реальном мире. Однако, эта фигура прочно вошла в нашу жизнь, хотя заметить ее совсем непросто. Например, в виде ленты Мебиуса делают конвейеры. Их плюс в том, что вся полоса изнашивается равномерно. Также в виде этой фигуры делают красящие ленты в матричных принтерах, что позволяет увеличить их ресурс работы. Наиболее знаменитое воплощение ленты Мебиуса в реальной жизни — это символ переработки (ресайклинга).
Читайте также: