为什么直杆能穿过弯曲的洞？
2022/12/23 17:00:58 中国科普博览
第一次看到这张动图，小伙伴们是不是和力力一样一方面惊讶于设计者的脑洞大开，另一方面也觉得有点神奇，不明白这背后蕴藏的科学原理。为什么直杆可以穿过弯曲的洞？这场景只能出现在穿越剧当中呢，还是真实存在可以复现的呢？
其实，只要我们简单、理性地分析一波就会觉得这事也不奇怪。首先这根杆是倾斜着放置的，对于杆中间的点来说，它离旋转轴最近，因此对应的洞上的点离旋转轴也最近；相反，对于杆两端的点来说，它们离旋转轴越远，因此对应的洞上的点离旋转轴也最远。所以说这个洞必不可能是直线轮廓，只会是一条曲线。这条曲线在数学上称为双曲线，如果我们把这个曲线绕旋转轴旋转一周，得到的曲面就叫单叶双曲面。同时，单叶双曲面是一种直纹面，即它是由一族直线铺成的曲面。
如果我们用刀将单叶双曲面竖直“砍一下”，就得到了两半“双曲线”，取其中的一半便是第一张动图里面出现的弯洞的形状了。正如前面提到的单叶双曲面是一种直纹面，建筑师们正是利用这一特性，使得曲面建筑可以用直线实现。
为了迎接2010年亚运会而修建的广州塔，其主体结构就是一个典型的单叶双曲面。该塔也因为中间细的特点，被人们亲切地称为“小蛮腰”，远远望去你可能以为这是由一根根曲形钢材搭建而成，走进细看可以清晰地看到组成塔身的建筑材料是一根根直线钢材。这正是利用了单叶双曲面是一种直纹面这一特性而设计的。小伙伴们如果在家想做一个简易版的“小蛮腰”，可以用一些橡皮圈将竹签连接在一起就可以拼出和其相似的形状!
“小蛮腰”
竹签版“小蛮腰”
这种构型的建筑除了广州塔外，还有日本的神户港塔、法国水塔等。以这种方式设计建筑除了美观外，还具有减少风的阻力以及用最少的材料维持结构的完整等优点。
神户港塔
法国水塔
善于观察的小伙伴可能会发现，核电站的冷却塔也是这种单叶双曲面的构型，这样设计除了具有上面提到的优点外，还具有什么优势呢？
最早使用这种冷却塔的国家是英国，20世纪30年代以来在各国广泛应用，40年代在中国东北抚顺电厂、阜新电厂先后建成双曲线型冷却塔群。冷却塔由集水池、支柱、塔身和淋水装置组成。冷却塔的工作原理是利用简单的烟囱效应带动空气来工作。其实无论什么形状，只要营造出一定垂直坡度的空间，就可以产生烟囱效应。这种形状的设计是为了提高冷却的效率，对于单叶双曲面这种形状，底部可以最大限度地进入冷空气，当冷空气到达中间最细部位时，接触热水。
为什么要让冷空气在中间最细部位与热水接触呢？首先是因为随着管径的减小，空气流速将会加快，这样就能达到尽快带走热水中的热量的目的，其次是因为随着管径的减小，冷空气的体积也受到压缩，因此压力也会有所增加，而压力增加流体的含热能力也会随之增加，于是在细腰部冷空气可以最大限度地吸收热水中的热量从而使热水冷却。而到了最上部，管径再次扩大，已携带了大量热量的空气由于速度减慢，压力减小，又将所含的热量释放出来形成白色的水蒸气。这样，高效率的冷却过程便完成啦!
实际上，将直与曲完美结合的并非只有单叶双曲面一种，它所属的直纹曲面这一类物体都具有这样的视觉特性，著名的莫比乌斯环也属于直纹曲面，感兴趣的同学可以继续探索其中的奥秘哦~
参考文献:
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/wMyZLVMsoOEYA4lO_MYQ[2]https://mp.weixin.qq.com/s/mgVYFNEBTC24XQE9WdURwA[3]https://b23.tv/xmZm9AX[4]https://mp.weixin.qq.com/s/f7MgulNyn9hYIa0HL56TA[5]https://mp.weixin.qq.com/s/zX3AzP5qwb98qHficJLUw[6]https://mp.weixin.qq.com/s/9Gej1CtrWSOObKoNKhjtBg
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