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巴斯加的“牙痛特效藥”是怎么制成的

來源:小學生數學報 2008-10-30 17:29:13

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  一輛沉重的大車緩緩駛過。路邊站著一位面孔清秀而瘦削的青年,他凝視著轉動的車輪,似乎在沉思著什么。他是誰?他就是17世紀法國的大數學家巴斯加。

  巴斯加對數學的貢獻很大。十六歲時就發表了圓錐曲線的論文。過了幾年,他為了幫助當稅務員的爸爸能擺脫大量繁瑣的計算,又發明了世界上第一臺手搖計算機。他的關于二項展開式的系數所構成的“三角形”,被西方人譽為“巴斯加”三角形。……。那么,數學家現在又在想些什么呢?

  觀察是思維的大門。巴斯加看到勻速向前轉動著的輪子,腦子里突然產生一個問題:這輪子上的某一點,隨著輪子的轉動也在運動,它的軌跡是什么?大車不見了,但巴斯加仍站在路邊沉思著。忽然,他若有所悟,朝家里奔去。

  一進門,巴斯加就攤開白紙研究起來。他設想,如果輪子并不旋轉,當車子向前滑動時,輪上這一點運動的軌跡自然是一條直線。再設想,如果輪子凌空旋轉,不與地面接觸,車子就不會前進,這一點運動的軌跡就是一個圓周。可事實上這一點不僅隨著輪子的轉動作圓周運動,而且又隨著車子的前進作直線運動。也就是說,這一點運動是圓周運動與直線運動的復合運動。那么,這一點的運動軌跡到底是一條怎樣的曲線呢?

  巴斯加從小身體就不好,后來又有了牙痛病,每當身體一勞累,這毛病就容易發作。現在,他的牙痛病又犯了。牙痛引起頭痛,把他纏繞得精疲力盡。可是思緒剛剛上路,按照他的習慣,是決不會“臨陣脫逃”的。他用左手托腮,堅持研究了八晝夜,終于建立了這條曲線的方程,并繪出了它的圖形,這就是我們現在高中解析幾何“參數方程”這一章所講的“旋輪線”。

  旋輪線,又稱最速降線。提到這個名稱,我們不得不介紹它的兩個有趣的應用。

  滑梯是兒童樂園中常見的玩具。一般滑梯的滑板是平直的。小朋友從滑板上下滑的軌跡是一條線段。還有一種滑梯,它的滑板是彎曲的,小朋友下滑的軌跡是一段按最速降線設計的曲線。假設這兩個滑梯的高度一樣,并且有兩個體重完全一樣的小朋友同時分別自滑梯的頂點處下滑,這兩個小朋友哪一個先到達地面?平面幾何知識告訴我們:滑平直滑板的距離要比彎曲滑板的距離短。因此,前者所需要的時間要比后者為短。也就是說,前者先到達地面。但是,事實恰恰相反。實驗告訴我們,先到達地面的不是平直滑板上的小朋友,而是彎曲滑板上的小朋友!這是什么原因呢?兒童在滑梯上之所以能下滑,是因為受到重力的作用。由于板面不同,所以在下滑方向上所受到的重力分力大小也不同。重力分力越大的,下滑的速度也越大。沿著最速降線下滑,可以得到最大的重力分力,下滑的速度也最快。因此,雖然在最速降線板面上下滑的距離長,但還是先到達地面。

  最速降線在建筑中也有著美妙的應用。我國古建筑中的“大屋頂”,從側面看上去,“等腰三角形”的兩腰不是線段,而是兩段最速降線。按照這樣的原理設計,在夏日暴雨時,可以使落在屋頂上的雨水,以最快的速度流走,從而對房屋起到保護的作用。

  這樣看來,“最速降線”這個名字倒是名符其實的。

  巴斯加對自己刻苦鉆研所取得的成果非常興奮。后來,他曾幽默地和別人開玩笑說:“最速降線是治療我牙痛的特效藥。”

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