Золотое сечение в природе

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №48»

ГОРОДСКАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

Секция: математика, биология

«Золотое сечение в природе».

                                                    Автор: Яковлева Алёна Викторовна,

                                                                  МОУ г.Кургана «СОШ №48»,

                                                                  8 «Б» класс.

                         Научные   руководители: Якущенко

                                                                       Татьяна Александровна

                                                                       учитель биологии,

                                                                       МОУ г.Кургана «СОШ №48»,

                                                                       Баева Лилия  Николаевна,  

                                                                       МОУ г.Кургана «СОШ №48»,

                                                                       учитель математики.

Курган,

2010 г.

Содержание

1. Введение                                                                                       стр. 3
2.  Понятие Золотого сечения                                                        стр.5              
3.  История Золотого сечения                                                       стр. 5
4.  Золотой прямоугольник                                                           стр.7
5.  Золотая спираль                                                                          стр.8
6. Золотые спирали в живой природе                                           стр.9
7. Вездесущий филлотаксис                                                          стр.10
8. Золотое сечение в природе                                                         стр.11
9. Золотые пропорции в теле человека                                        стр.12
10. Мои исследования                                                                      стр.13
11. Заключение                                                                                  стр.13
12. Приложение                                                                                стр. 16
13. Список литературы                                                                    стр.15

Введение. О живой и неживой природе.

         Природа, понимаемая как весь мир в многообразии его форм, состоит как бы из двух частей: живая и неживая природа. В чем различие между ними?  Для творений неживой природы характерна высокая устойчивость, слабая изменчивость, если судить в масштабах человеческой жизни. Человек рождается, живет, стареет, умирает, а гранитные горы (прил. 1) остаются такими же и планеты вращаются вокруг Солнца так же, как и во времена Пифагора.                                                                                                                  

             Мир живой природы предстает перед нами совсем иным - подвижным, изменчивым и удивительно разнообразным. Жизнь демонстрирует нам фантастический карнавал разнообразия и неповторимости творческих комбинаций!(прил.2)                                                                                                      Мир неживой природы - это прежде всего мир симметрии, придающий его творениям устойчивость и красоту. Мир живой природы - это прежде всего мир гармонии, в которой действует закон Золотого сечения.

Цель моей работы – изучить понятие Золотое сечение, рассмотреть как Золотое сечение используется природой.

        Из цели вытекают задачи:

        -  изучить литературу по данной теме;

        - изучить понятие Золотое сечение», рассмотреть как «Золотое сечение» используется природой ;

Источниками исследования явились:

0. библиотечные фонды;
1. интернет;
2. библиотека моего научного руководителя.

Методы исследования:

0. изучение материалов по теме;
1. работа с классом;

Понятие Золотого сечения

Золото́е сече́ние (золотая пропорция, деление в крайнем и среднем отношении, гармоническое деление, φ) — деление отрезка на части в таком соотношении, при котором меньшая часть относится к большей, как большая ко всему в целом. Например, деление отрезка АС на две части таким образом, что большая его часть АВ относится к меньшей ВС так, как весь отрезок АС относится к АВ (т. е. |АВ| / |ВС| = |АС| / |АВ|). (прил.3)                                        Эту пропорцию принято обозначать греческой буквой, φ и она равна: 1.618 (прил.4)

Отрезки золотой пропорции выражаются иррациональной бесконечной дробью 0,618..., если c принять за единицу, a = 0,382. Числа 0.618 и 0.382 являются коэффициентами последовательности Фибоначчи. На этой пропорции базируются основные геометрические фигуры.                                              

Если вы подходите к пустой скамейке и садитесь на неё, то вы сядете не посередине скамейки (как-то нескромно, хотя встречаются и такие, ярко выраженные характеры) и, конечно, не на самый край. Если вы незаметно замерите длины, на которые своим телом разделили скамейку, то обнаружите, что отношение большего отрезка к меньшему равно отношению всей длины к большему отрезку и равно примерно 1,62. Это число, называемое Золотым сечением, входит в тройку самых известных иррациональных чисел, то есть таких чисел, десятичные представления которых бесконечны и непериодичны.

История Золотого сечения.        

         Принято считать, что понятие о Золотом делении ввел в научный обиход Пифагор, древнегреческий философ и математик (VI в. до н.э.). Есть предположение, что Пифагор свое знание золотого деления позаимствовал у египтян и вавилонян. Греки были искусными геометрами. Даже арифметике обучали своих детей при помощи геометрических фигур. Kвадрат Пифагора и диагональ этого квадрата были основанием для построения динамических прямоугольников.
         Платон (прил.5) (427...347 гг. до н.э.) также знал о золотом делении. Его диалог «Тимей» посвящен математическим и эстетическим воззрениям школы Пифагора и, в частности, вопросам золотого деления. В фасаде древнегреческого храма Парфенона присутствуют золотые пропорции. В дошедшей до нас античной литературе золотое деление впервые упоминается в «Началах» Евклида (прил.6) Во 2-й книге «Начал» дается геометрическое построение золотого деления. После Евклида исследованием золотого деления занимались Гипсикл (II в. до н.э.), Папп (III в. н.э.) и др. В средневековой Европе с золотым делением познакомились по арабским переводам «Начал» Евклида. Переводчик Дж.Kампано из Наварры (III в.) сделал к переводу комментарии. Cекреты золотого деления ревностно оберегались, хранились в строгой тайне. Они были известны только посвященным.
        В эпоху Возрождения усиливается интерес к золотому делению среди ученых и художников в связи с его применением, как в геометрии, так и в искусстве, особенно в архитектуре.  
Лука Пачоли (прил.7) прекрасно понимал значение науки для искусства. В 1496 г по приглашению герцога Моро он приезжает в Милан, где читает лекции по математике. В Милане при дворе Моро в то время работал и Леонардо да Винчи (прил.8). В 1509 г. в Венеции была издана книга Луки Пачоли «Божественная пропорция» с блестяще выполненными иллюстрациями, ввиду чего полагают, что их сделал Леонардо да Винчи. Kнига была восторженным гимном Золотой пропорции. Cреди многих достоинств Золотой пропорции монах Лука Пачоли не преминул назвать и ее «божественную суть» как выражение божественного триединства бог сын, бог отец и бог дух святой (подразумевалось, что малый отрезок есть олицетворение бога сына)

Золотой прямоугольник

Золотое сечение очень широко используется в геометрии. Мы начнем наше путешествие по геометрическим свойствам Золотого сечения с Золотого  прямоугольника, которые имеет следующее геометрическое определение. Золотым прямоугольником называется такой прямоугольник, в котором отношение большей стороны к меньшей равно золотой пропорции (прил.9) Рассмотрим случай простейшего Золотого прямоугольника, когда AB =  и BC = 1.(прил.10)

Золотой прямоугольник обладает многими необычными свойствами. Отрезав от золотого прямоугольника квадрат, сторона которого равна меньшей стороне прямоугольника, мы снова получим Золотой прямоугольник меньших размеров. Продолжая отрезать квадраты, мы будем получать все меньшие и меньшие Золотые прямоугольники. Причем располагаться они будут по логарифмической спирали (прил.11), имеющей важное значение в математических моделях природных объектов (например, раковинах улиток). Полюс спирали лежит на пересечении диагоналей начального прямоугольника BD и первого отрезаемого вертикального AC. Причем, диагонали всех последующих уменьшающихся Золотых прямоугольников лежат на этих диагоналях (прил.12)

Золотое сечение было известно древним грекам. Вряд ли можно сомневаться в том, что некоторые древнегреческие архитекторы и скульпторы сознательно использовали его в своих творениях. Примером может служить хотя бы Парфенон. Именно это обстоятельство и имел в виду американский математик Марк Барр, когда предложил называть отношение двух отрезков, образующих золотое сечение, числом . Буква  (фи) - первая буква в имени великого Фидия.

В то время как Золотое сечение и Золотой прямоугольник представляют статические формы естественной и сотворенной человеком красоты и деятельности, представление эстетически привлекательного динамизма, организованного движения роста и развития может быть выполнено только самой прекрасной формой во Вселенной - Золотой спиралью.

Золотая Спираль

Золотой прямоугольник можно использовать для построения Золотой спирали. Любой Золотой прямоугольник,  можно разделить на квадрат и меньший Золотой прямоугольник. Этот процесс теоретически можно продолжать до бесконечности. Эти получающиеся прямоугольники, которые мы нарисовали и которые, как оказалось, скручиваются внутрь, промаркированы A, B, C, D, E, F и G (прил.13) Пунктирные линии, которые сами находятся в золотом соотношении одна к другой, рассекают прямоугольники по диагонали и точно обозначают теоретический центр, скручивающихся квадратов. Приблизительно из центральной точки мы можем начертить спираль (прил.14), соединяя точки пересечения каждого скручивающегося квадрата в порядке возрастания размера. Так как квадраты скручиваются внутрь и наружу, их точки соединения выписывают Золотую спираль.                                                                                                                                           Для построения Золотой спирали может применяться такой же процесс, но с использованием скручивающихся треугольников.

В любой точке развития Золотой спирали, отношение длины дуги к ее диаметру равно 1.618. Диаметр и радиус в свою очередь соотносятся с диаметром и радиусом, отстоящих на угол в 90 градусов, с коэффициентом 1.618 (прил.15), Золотая спираль, которая является разновидностью логарифмической или изогональной спирали, не имеет границ и является

постоянной по форме. Из любой точки спирали можно двигаться бесконечно или в направлении внутрь, или наружу. Центральная часть логарифмической спирали, рассмотренная через микроскоп, имела бы тот же облик, что и самая широкая видимая ее часть на удалении многих световых лет.

Золотые спирали в живой природе

Золотые спирали широко распространены в биологическом мире. Как отмечалось выше, рога животных растут лишь с одного конца. Этот рост осуществляется по логарифмической спирали. В книге «Кривые линии в жизни» Т. Кук исследует различные виды спиралей, проявляющихся в рогах (прил.16) баранов, коз, антилоп и других рогатых животных. Среди множества спиралей он выбирает Золотую спираль (кривую гармонического возрастания) и рассматривает ее как символ эволюции и возрастания.                                                                                                                                          

Спирали широко проявляют себя в живой природе. Спирально закручиваются усики растений (прил.17), по спирали происходит рост тканей в стволах деревьев, по спирали расположены семечки в подсолнечнике, спиральные движения (нутации) наблюдаются при росте корней и побегов. Очевидно, в этом проявляется наследственность организации растений, а ее корни следует искать на клеточном и молекулярном уровне.            

Спиралевидную форму имеют большинство раковин (прил.18-19).                         Изучая конструкции раковин, ученые обратили внимание на целесообразность форм и поверхностей раковин: внутренняя поверхность гладкая, наружная - рифленая. Внутри покоится тело моллюска - внутренняя поверхность должна быть гладкой. Наружные ребра увеличивают жесткость раковины и, таким образом, повышают ее прочность. Форма раковин поражает своим совершенством и экономичностью средств, затраченных на ее создание. Идея спирали в раковинах выражена не приближенно, а в совершенной геометрической форме, в удивительно красивой, «отточенной» конструкции.                                                                                                                                  

Русский ученый С.В. Петухов, изучая схемы строения опорно-двигательного аппарата у различных позвоночных животных, пришел к выводу о том, что построение их конечностей происходило под воздействием двух факторов: законов Золотой пропорции и приспособление организма к образу жизни:

«Законы Золотой пропорции определили основной план, основную идею конструкции конечностей, а конкретные условия существования каждого животного обусловили отклонения - флуктуации от этого плана все многообразие строения существующих форм».

Вездесущий филлотаксис.

       Характерной  чертой  строения  растений  и   их   развития   является

спиральность.  Еще  Гете,  который  был  не  только  великим  поэтом,  но  и

естествоиспытателем, считал  спиральность  одним  из  характерных  признаков всех организмов, проявлением самой  сокровенной  сущности  жизни.  Спирально закручиваются усики растений, по спирали происходит  рост  ткани  в  стволах деревьев,  по  спирали  расположены  семечки  в  подсолнечнике,   спиральные движения (нутации) наблюдаются при росте корней и побегов. Очевидно, в  этом проявляется  наследственность  организации  растений,  а  ее  корни  следует искать на клеточном и молекулярном уровнях.

      Нет  сомнений,  что  наследственная  спиральность  является  одним  из

основных свойств организмов, она отражает  один  из  существенных признаков живого. На первый взгляд кажется, что в  кристаллах  неорганических  веществ спиральность или  винтовая  структура  отсутствуют.  Однако  более  глубокие исследования показали, что винтовое  расположение  атомов  наблюдается  и  в некоторых кристаллах и выражается  в  образовании  так  называемых  винтовых дислокаций. Такие кристаллы состоят из единственной винтообразной  изогнутой атомной плоскости. При каждом обороте вокруг оси эта  плоскость  поднимается

на один шаг винта, равный  межатомному  расстоянию.  Следует  добавить,  что кристаллы с такой винтовой структурой обладают сверхпрочностью. От  винтовой структуры молекул  ДНК  до  закручивания  усиков  растений  –  таковы  формы проявления  спиральности  на   различных   уровнях   организации   растений.

Отчетливо   проявляется   эта    особенность    организации    растений    в

закономерностях  листорасположения.

      Существует несколько  способов  листорасположения.  В  первом   листья

побега располагаются строго один под другим,  образуя  вертикальные  ряды  – ортостихи. Условная  спираль,  соединяющая  места  расположения  листьев  на побеге, называется генетической, или  основной  спиралью,  точнее,  винтовой линией и делится на ряд листовых циклов. Генетическим этот  винт  называется потому, что расположение листьев в нем  отвечает  порядку  появления  в  нем листьев.  Проекция  на  плоскость листорасположения   позволяет   в   долях окружности выразить угол расхождения листьев.

       Рассмотренную  закономерность  расположения  листьев,  чешуек,  семян

называют филлотаксисом. Установлено,  что  при  расположении

листьев под идеальным углом ни один лист не будет  располагаться  точно  над другим, чем создаются лучшие условия для фотосинтеза

Золотое сечение в природе.

Все, что приобретало какую-то форму, образовывалось, росло, стремилось занять место в пространстве и сохранить себя. Это стремление находит осуществление в основном в двух вариантах - рост вверх или расстилание по поверхности земли и закручивание по спирали.

Среди придорожных трав растет ничем не примечательное растение - цикорий (прил.20). Приглядимся к нему внимательно. От основного стебля образовался отросток. Тут же расположился первый листок. Отросток делает сильный выброс в пространство, останавливается, выпускает листок, но уже короче первого, снова делает выброс в пространство, но уже меньшей силы, выпускает листок еще меньшего размера и снова выброс. Если первый выброс принять за 100 единиц, то второй равен 62 единицам, третий - 38, четвертый - 24 и т.д. Длина лепестков тоже подчинена Золотой пропорции. В росте, завоевании пространства растение сохраняло определенные пропорции. Импульсы его роста постепенно уменьшались в пропорции Золотого сечения.                                                                                                                              

В ящерице с первого взгляда улавливаются приятные для нашего глаза пропорции - длина ее хвоста так относится к длине остального тела, как 62 к 38 (прил.21).

Золотые пропорции в теле человека.

В 1855 г. немецкий исследователь Золотого сечения профессор Цейзинг опубликовал свой труд «Эстетические исследования». С Цейзингом произошло именно то, что и должно было неминуемо произойти с исследователем, который рассматривает явление как таковое, без связи с другими явлениями. Он абсолютизировал пропорцию Золотого сечения, объявив ее универсальной для всех явлений природы и искусства.                              

У Цейзинга были многочисленные последователи, но были и противники, которые объявили его учение о пропорциях «математической эстетикой».

Цейзинг проделал колоссальную работу. Он измерил около двух тысяч человеческих тел и пришел к выводу, что Золотое сечение выражает средний статистический закон. Деление тела точкой пупа - важнейший показатель золотого сечения. Пропорции мужского тела колеблются в пределах среднего отношения 13 : 8 = 1,625 и несколько ближе подходят к Золотому сечению, чем пропорции женского тела, в отношении которого среднее значение пропорции выражается в соотношении 8 : 5 = 1,6. У новорожденного пропорция составляет отношение 1 : 1, к 13 годам она равна 1,6, а к 21 году равняется мужской. Пропорции Золотого сечения проявляются и в отношении других частей тела - длина плеча, предплечья и кисти, кисти и пальцев и т.д. (прил.22).

Мои исследования.

Я рассмотрела комнатные цветы в школе и дома и выделила те, которые растут по законам Золотого сечения (Приложения 23 - 29) и те, которые растут по законам Золотой спирали (Приложения 30 - 34 ).

В классе я провела следующее исследование – предложила ребятам сесть на скамейку. Все данные сведены в таблицу (Приложение  35), проведены расчеты отношений длины скамейки к большей части и большей части к меньшей. Получилось примерно 1,6. Это число и есть Золотое сечение.

Заключение.

Человек различает окружающие его предметы по форме. Интерес к форме какого-либо предмета может быть продиктован жизненной необходимостью, а может быть вызван красотой формы. Форма, в основе построения которой лежат сочетание симметрии и Золотого сечения, способствует наилучшему зрительному восприятию и появлению ощущения красоты и гармонии. Целое всегда состоит из частей, части разной величины находятся в определенном отношении друг к другу и к целому. Принцип Золотого сечения – высшее проявление структурного и функционального совершенства целого и его частей в искусстве, науке, технике и природе.

Список литературы

1. Н. Васютинский “Золотая пропорция” –М.,”Молодая гвардия”, 1990
2. А. Азевич “Двадцать уроков гармонии” –М., “Школа-Пресс”, 1998
3. М. Гарднер “Математические головоломки и развлечения” –М., “Мир”, 1971
4. Д.  Пидоу “Геометрия и искусство” – М., “Мир”, 1989
5. Энциклопедический словарь юного математика –М.,1989
6. Журнал “Квант”, 1973, № 8
7. Журнал “Математика в школе”, 1994, № 2, № 3
8. Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ed.vseved.ru/

Приложения

приложение1

                                                                                                 приложение 2

      приложение 3      

               приложение 4

                                                        приложение 5

приложение 6                                                        приложение 7

                                           приложение 8                                         

A : B = φ = ( 1 + √5) : 2

приложение 9

 приложение 10                                                         приложение 11

приложение 12

приложение 13

приложение 14

приложение 15

  приложение 16    приложение 17

 приложение 18  приложение 19

приложение 20  приложение 21  

приложение 22

Приложения 23 – 29

Приложения 30-34

Приложение 35