奇书 >  九章算术在2002 >  第58章 大雪的数学前奏(2008年冬)

12月3日 霜窗的拓扑密码

"李老师!您看这片冰花像不像咱上周折的纸雪花?"孙玺儿的鼻尖紧贴着结霜的玻璃,呼出的白雾在菱形冰晶间勾勒出动态的轮廓,"每个分叉都遵循60度角规则,就像被尺子量过一样!"

李老师哈着气暖手,镜片上的白霜模糊了视线:"那你能算出这片冰花的连通区域数吗?"

"五个!"孙玺儿用铅笔尖轻点冰晶,"主枝两个,分枝三个,每个区域都是单连通的!"

"孙玺儿又在说天书!"陈大壮从课桌下扔来一颗玻璃弹珠,"有本事算算这弹珠能不能滚过窗台!"

弹珠在结霜的窗台上划出一道弧线,停在离边缘3厘米处。"初速度2m/s,摩擦系数0.15,滑行距离约1.33米!"孙玺儿脱口而出,"你用了3牛的力,对不对?"

陈大壮吐了吐舌头:"算得比俺奶的算盘还快!"

数学课上,李老师的冻柿子教具被霜裹成了"白球"。"假设9个柿子中有2个虫蛀,如何用均输术实现力矩平衡?"

孙玺儿举起铜秤,秤盘上还沾着前日测霜花的霜晶:"好柿与虫蛀柿的质量差为60克,需在每组附加20克配重——"她摸出三颗小石子,分别放进三个组的柿堆,"根据杠杆原理,力矩偏差已控制在±3%以内。"

陈大壮的手指在裤兜里摩挲着柿蒂,忽然想起今早偷啃虫蛀柿时,柿核滚进课桌底的声音。"老师,"他突然举手,"能不能用弹珠当配重?"

"原理相通,"李老师笑着点头,"但弹珠要还给陈大壮——他明天还得用它测弧长呢!"

语文课上,孙玺儿用透明直尺量"冰"字的笔画间距:"两点水横向间距5.19毫米,纵向间距8.02毫米,构成黄金矩形!"她在造句本上画了个霜晶与汉字重叠的示意图,旁边写:"每个汉字都是冻结的几何图形。"

李老师用红笔在"矩形"旁画了个问号:"为何不是菱形?"

孙玺儿在批注下回复:"因为霜晶是菱形,汉字是矩形,差的3.01毫米是冬天的留白。"

12月4日 菜窖里的立体几何

"劳动课目标:用50颗冻白菜堆出稳定结构。"李老师话音未落,陈大壮就举起一颗白菜:"俺要堆个'白菜塔'!"

"先别急!"孙玺儿展开草稿本,"底层按正五边形密铺,每层缩进30%,符合《九章·商功》的'叠棊术'!"

"啥叠棊术?"周冬冬挠头。

"就像摞棋子,下大上小才稳当。"孙玺儿示范着摆底层白菜,"每颗白菜间距10厘米,留出通风道,这样就不会捂烂。"

陈大壮趁她转身,偷偷抽走底层中心的白菜:"看!塔底空了!"

话音未落,上层白菜如瀑布般滑落,在窖内堆成45度斜坡。"承重失败!"孙玺儿记录,"缺失中心支撑导致稳定性下降62%,需增加十字形斜撑!"

李老师捡起一根白菜梆子,在窖墙画斜撑示意图:"孙玺儿的堆垛术加陈大壮的'破坏实验',刚好凑成一堂完美的实践课!"

课后值日,孙玺儿用碎冰拼阿基米德十四面体,周冬冬举着冰凌当"胶水":"这多面体有26个面,对不对?"

"2个五边形,12个六边形,总共14个面!"孙玺儿纠正道,"就像足球的皮块,都是五边形和六边形拼的。"

陈大壮突然用冰凌戳向一个六边形面,冰体应声裂开,裂痕呈三次分形扩展:"哇!冰里藏着小冰花!"

"这是自相似性!"孙玺儿掏出放大镜,"每个裂缝里都有和整体一样的结构,就像你把镜子打碎,每块碎片都能照见天空!"

12月5日 铁犁上的三角函数

数学课的教室飘来泥土味,李老师的犁头滴着融化的霜水:"谁能解释为啥42度犁地最省力?"

"我!"孙玺儿举起自制测力仪,"当犁头与地面夹角为42度时,水平分力占74.3%,垂直分力占66.9%,刚好平衡土壤阻力和牵引力!"

"听不懂!"陈大壮摇头。

"就像你推雪球,"孙玺儿比划着,"太陡了推不动,太平了雪球滚不远,42度刚好最省力!"

"那我用弹弓射42度角,能打多远?"陈大壮举起量角器弹弓。

"初速8m/s的话,射程约6.7米,"孙玺儿迅速计算,"但现在西风2级,得往左偏15度!"

陈大壮瞄准教室后墙的霜花靶心,"咻"的一声,冰珠精准命中中心——偏差仅0.2厘米。"比李老师的粉笔还准!"周冬冬惊呼。

自然课上,孙玺儿的怀表指向10:05:"零下5℃,冰锥长度12.3毫米;10:06,12.38毫米..."

"太慢了!"陈大壮打了个响指,"看我的!"他呵了口热气在冰锥上,冰晶生长瞬间加速:"升温1℃,速度变0.06毫米/分钟!"

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"别捣乱!"孙玺儿按住他的手,"温度突变会导致晶型缺陷——"她指着冰锥中部的纹路,"看这道斜纹,就是热冲击产生的位错线!"

"位错线能吃吗?"陈大壮歪头。

"不能,但能用来研究雪花为啥有不同形状!"

12月6日 凝霜的数学仪式

"爷爷,您看这霜层剖面图!"孙玺儿举着竹片测厚仪,"南坡霜晶呈针状,北坡呈片状,因为北坡湿度大15%!"

"俺只知道霜重了,白菜帮子更甜。"爷爷敲了敲竹耙,"你这图上的曲线,咋跟俺赶车时的鞭子轨迹一个样?"

"因为都是函数图像!"孙玺儿在田埂上画了条波浪线,"霜厚随温度变化,就像鞭子随手腕摆动,都能用数学算出来!"

午后的晒场变成数学迷宫,每个冰格都标着不同的数学概念。陈大壮单脚跳进"13"格,差点撞上霜棱:"快出题!再跳俺脚要冻成冰棍啦!"

"今有木长二丈,围之三尺。葛生其下,缠木七周,上与木齐。问葛长几何?"

"这题《九章》里有!"陈大壮闭眼回忆,"木长20尺,周长3尺,缠7周,葛长就是√(202 (3×7)2)=29尺!"

"正确!"孙玺儿刚说完,陈大壮就踉跄着撞翻了冰晶分形树,碎冰溅在霜地上,形成类似雪花的对称图案。

"瞧你!"周冬冬叹气。

"别生气,"孙玺儿弯腰捡碎冰,"这些碎冰能拼成更复杂的分形,就像雪花碎了还是六角形!"

黄昏时,孙玺儿在灶台前写日记,灶膛火星溅在纸页边缘,烧出的孔洞正以每秒0.2毫米的速度扩大。"看!"她喊来陈大壮,"燃烧边界是科赫曲线,每5秒分形一次!"

"像不像俺们玩的雪花剪纸?"陈大壮凑近观察。

"比剪纸还精确!"孙玺儿用尺子量孔洞,"每次分叉角度都是60度,和冰花的生长规则一样!"

"那等大雪下起来,雪花会不会也按这个规则长?"陈大壮望着窗外。

"会啊!"孙玺儿笑了,"每片雪花都是天空算出来的数学题,等明天雪停了,咱们去测测雪花的分形维数!"

"好!"陈大壮蹦起来,脑袋却"咚"地撞上窗框,震落的霜花飘进他的衣领,冻得他直哆嗦,"哎哟!这冬天的数学题,咋比弹珠还冰!"