更新时间:2024-09-19 18:31
莫比乌斯(Mobius)带是最具有代表性的单侧曲面之一,它由德国数学家莫比乌斯(Mobius,1790~1868)和约翰·李斯丁于1858年发现。就是把一根纸条扭转180°后,两头再粘接起来做成的纸带圈,具有魔术般的性质。
公元1858年,两名德国数学家莫比乌斯和约翰·李斯丁发现,一个扭转180度后再两头粘接起来的纸条,与普通纸带具有两个面(双侧曲面)不同,这样的纸带只有一个面(单侧曲面),一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘!这一神奇的单面纸带被称为“莫比乌斯带”(Möbius strip) 。
作为一种典型的拓扑图形,莫比乌斯带引起了许多科学家的研究兴趣,并在生活和生产中有了一些应用。例如,用皮带传送的动力机械的皮带、打印机上的色带,做成“ 莫比乌斯带” 状,这样增大了磨损面积,寿命也就延长了。
2003年12月28日《科技日报》报道德国科学家成功合成了稳定的“莫比乌斯”芳香族化合物;而此后对“莫比乌斯”芳香族化合物的研究越来越向纵深发展。
据发表在《自然·合成》杂志上的论文,2022年5月20日,日本名古屋大学等组成的研究团队在英国科学杂志上发布成果称,在世界首次合成了一种带状分子纳米碳,具有扭曲的莫比乌斯带拓扑结构,即莫比乌斯碳纳米带。
莫比乌斯带不但应用于自然科学领域。同时也为诸多的文学家提供了素材,构思了许多品位极佳的科幻作品。
拿一张白的长纸条,把一面涂成黑色,然后把其中一端扭转180°,再把两端连上,就成为一个莫比乌斯带。
我们把一个莫比乌斯环沿中线剪开,曲面并不被分成两部分,而是成为一个双侧曲面,它可以由一个矩形纸条扭转360°,再将对边粘合而成。将莫比乌斯纸环沿着三等分线剪开,会在剪完2个圈后又回到原点,形成一大一小相互套连的两个环,大环周长是原莫比乌斯环的两倍,小环周长与原莫比乌斯环相同。
如果我们进一步实验,将莫比乌斯环沿4等分线剪开,我们会发现下面的现象:居然剪出了两个互相链接的纸环,展开2个纸环并拉直,可以看出2个纸环是一样长的。
将莫比乌斯环沿5等分线剪开,则可以剪出3个互相链接的纸环,展开3个纸环并拉直,可以看出其中2个环一样长,另一个环长度是其他两环的一半。将莫比乌斯环沿6等分线剪开,可以剪出3个互相链接的纸环,展开3个环可以看到,3个环一样长。
新得到的这个较长的纸圈,本身却是一个双侧曲面,它的两条边界自身虽不打结,但却相互套在一起。把上述纸圈,再一次沿中线剪开,这回可真的一分为二了,得到的是两条互相套着的纸圈,而原先的两条边界,则分别包含于两条纸圈之中,只是每条纸圈本身并不打结罢了。
相反,拿一张白的长纸条,把一面涂成黑色,把其中一端360度翻一个身,粘成一个双侧曲面。用剪刀沿纸带的中央把它剪开。纸带不仅没有一分为二,反而剪出两个环套环的双侧曲面。
莫比乌斯带还有更为奇异的特性。一些在平面上无法解决的问题,却不可思议地在莫比乌斯带上获得了解决。
在自然界有许多物体也类似于手套那样,它们本身具备完全相像的对称部分,但一个是左手系的,另一个是右手系的,它们之间有着极大的不同。
制作过程中把纸带一端旋转180度可以,旋转540度、900度……都符合莫比乌斯带的定义。(在省略号中的数为180的奇数倍均可以)
可以用参数方程式创造出立体莫比乌斯带:
这个方程组可以创造一个边长为1半径为1的莫比乌斯带,所处位置为x-y面,中心为(0,0,0),参数u在v从一个边移动到另一边的时候环绕整个带子。
从拓扑学来讲,莫比乌斯带可以定义为矩形[0,1]×[0,1],边由在0≤x≤1的时候按(x,0)(1-x,1)的方式进行粘合得到。
莫比乌斯带是一个二维的紧致流形(即一个有边界的面),可以嵌入到三维或更高维的流形中。它是一个不可定向的的标准范例,可以看作2维实射影平面去掉一个圆盘。同时也是数学上描绘纤维丛的例子之一。特别地,它是一个以单位区间I= [0,1]为纤维,圆S上的非平凡丛。仅从莫比乌斯带的边缘看去给出S上一个非平凡的两个点(或)的丛。
莫比乌斯带是一种拓扑图形,它们在图形被弯曲、拉大、缩小或任意的变形下保持不变,只要在变形过程中不使原来不同的点重合为同一个点,又不产生新点。换句话说,这种变换的条件是:在原来图形的点与变换了图形的点之间存在着一一对应的关系,并且邻近的点还是邻近的点。这样的变换叫做拓扑变换。拓扑有一个形象说法——橡皮几何学。因为如果图形都是用橡皮做成的,就能把许多图形进行拓扑变换。例如一个橡皮圈能变形成一个圆圈或一个方圈。但是一个橡皮圈不能由拓扑变换成为一个阿拉伯数字8,因为不把圈上的两个点重合在一起,圈就不会变成8。