Секреты листа Мёбиуса.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Весенненская средняя общеобразовательная школа»

Рождественские чтения

Номинация: «Точные науки»

Секреты листа Мёбиуса

                                                                             Автор:

Арндт Анастасия

                                                                             ученица 5 класса

                                                          Руководитель:

                                                       Арндт Ирина

                                                     Васильевна,

                                                                  учитель математики

с. Весеннее

2014 год

Оглавление

Введение. ………………………………………………………..…..…..… с. 3

Глава I. Историческая справка. .....…………………………………....... с. 3-4

Глава II. Лист Мёбиуса. ………………………………………….....…….с. 4-9

§1. Изготовление листаМёбиуса. ………………………………........…..с. 4

§2. Эксперименты с листом Мёбиуса. ……..………………………........с. 4-6

§3. Применение листа Мебиуса в жизни. ………………………….....… с.7-9

Заключение. ………………………………………..…………………........с. 9

Литература. ……………………………………………………………..….с. 10

Введение.

   У каждого из нас есть интуитивное представление о том, что такое "поверхность". Поверхность листа бумаги, поверхность стен класса, поверхность земного шара известны всем. Может ли быть что-нибудь неожиданное и даже таинственное в таком обычном понятии? Примерлиста Мебиуса показывает, что может. Многие знают, что такое лента (лист) Мёбиуса. Тем, кто ещё не знаком с удивительным листом, который  относится к «математическим неожиданностям», мы предлагаем вместе с нами провести исследование и окунуться в светлое чувство познания.

Меня очень заинтересовала эта тема. Я решила углубить свои познания в этой области.

          Цель моей работы: исследовать лист Мебиуса как один из объектов топологии.

Задачи: - собрать всевозможную информацию о листе Мебиуса;

- исследовать опытным путем свойства листа Мебиуса;

- показать применение ленты Мёбиуса в жизни.

Глава I. Историческая справка.

Таинственная и знаменитая Лента Мёбиуса была обнаружена независимо немецкими математиками Августом Фердинандом Мёбиусом и Иоганном Бенедиктом Листингом в 1858 году.

Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868), родился  в городе Шульпфорте, немецкий геометр, ученик «короля  математиков» знаменитого К.Ф. Гаусса.  Мёбиус  был  первоначально  астрономом. Профессор Лейпцигского университета с 1816 года. Начал вести  самостоятельные астрономические наблюдения в Плейсенбургской обсерватории, в 1818г. стал её директором. Работая в спокойном уединении, Мёбиус сделал много интересных открытий, он  стал  одним  из  крупнейших геометров  Х1Х  в.  В  возрасте  68 лет  ему удалось  сделать  открытие  поразительной  красоты.  Это  открытие  односторонних  поверхностей,  одна  из  которых – лист  Мёбиуса.Это  было самое значительное событие в его жизни!

Рассказывают, что открыть свой “лист” Мёбиусу помогла служанка, сшившая неправильно концы ленты.

В истории  нередко бывают случаи, когда одна идея приходит в головы одновременно нескольким изобретателям. Так случилось и с лентой Мебиуса.  

В том же 1858 году идея ленты пришла и к другому ученому, ученику К.Ф. Гаусса – Иоганну Бенедикту Листингу (1808-1882), немецкому математику и физику,  профессору Геттингенского Университета. Он дал название науке, изучающей непрерывность, — топология.

Топология изучает свойства геометрических фигур, которые не меняются, если  их гнуть, растягивать, сжимать. Первенство в открытии топологического объекта – ленты досталось  Августу Мебиусу.

Что же поразило этих двух немецких профессоров? А то, что у листа Мёбиуса – всего одна сторона.

Глава II. Лист Мёбиуса.

§1. Изготовление листа Мёбиуса.

Лист Мёбиуса очень легко сделать, подержать в руках, разрезать, поэкспериментировать как-нибудь еще. Изучение листа Мёбиуса - хорошее введение к элементам топологии.

Лист Мёбиуса относится к числу математических неожиданностей.Чтобы изготовить лист Мёбиуса, возьмём прямоугольную полоску АВВ1А1, перекрутим её на 180 градусов и склеим противоположные стороны АВ и А1В1, т.е. так, что совместятся точки А и В1  и точки А1 и В.

Получим перекрученное кольцо.И задаемся вопросом: сколько сторон у этого куска бумаги? Две, как у любого другого? Нет. У него ОДНА сторона. Не верите?

§2.Эксперименты с листом Мёбиуса.

Чтобы изучить его свойства, я провела несколько опытов, которые разделила на две группы:

I группа.

Опыт № 1. Начала красить лист Мёбиуса,  не переворачивая его.

Результат. Лист Мёбиуса закрасился полностью.

«Если кто-нибудь вздумает раскрасить только одну сторону поверхности мёбиусовой ленты, пусть сразу погрузит её всю в ведро с краской», - пишет Рихард Курант и Герберт Робинс в превосходной книге «Что такое математика?»

Опыт № 2.

 Представьте себе, что по ленте Мебиуса путешествует человечек - перевертыш, то пройдя весь путь, он вернется в исходную точку. При этом он обойдет обе поверхности - наружную и внутреннюю, не пересекая ребра. Это доказывает, чтолента Мебиуса является односторонней поверхностью.Он  вернулся к  месту  старта.  Но  в  каком  виде! В  перевернутом!

    А   чтобы  он  вернулся  к  старту  в нормальном  положении,  ему    нужно  совершить  ещё  одно «круголистное »    путешествие. У листа Мёбиуса — всего одна сторона!

II  группа опытовсвязана с разрезанием листа Мебиуса. 

Я провела ряд экспериментов, результаты которых занесла в таблицу. 

Вот такие неожиданные вещи происходят с простой бумажной полоской, если склеить из неё лист Мёбиуса.

§3. Применение листа Мебиуса в жизни.

Занимаясь этой работой, я пришла к выводу, что хотя лист Мёбиуса открыли ещё в XΙX веке, он актуален и в XX веке, и в XXΙ.

Удивительные свойства листа Мёбиуса применялись и используются  в технике, физике, оптике. Вдохновлял он на творчество многих писателей и художников.

Любопытно, что лист Мебиуса и сейчас продолжает будоражить умы изобретателей. Во многих странах мира запатентованы на его основе удивительные механизмы.

Лист Мёбиуса в  технике и физике

На  магнитных лентах, закрученных по Мебиусу, объем записываемой информации увеличивается вдвое и проигрывается  в два раза дольше. Были созданы особые кассеты, которые дали возможность слушать их с «двух сторон» не меняя  местами.

Эта лента отлично работает при обвязке и переноске грузов в портах. Ленты конвейеров для перемещения горячих материалов, если их вывернуть по Мебиусу, будут по очереди «отдыхать» от раскаленных материалов. В итоге охлаждение ленты улучшается, а лента равномерно изнашивается, значит, и служить она будет дольше. Это даёт ощутимую экономию.

Лист Мёбиуса в природе и в жизни.

  Есть гипотеза, что спираль ДНК сама по себе тоже является фрагментом ленты Мёбиуса и только поэтому генетический код так сложен для расшифровки и восприятия. Больше того – такая структура вполне логично объясняет причину наступления биологической смерти – спираль замыкается сама на себя и происходит самоуничтожение.

Лист Мёбиуса в искусстве.

Таинственная лента Мёбиуса всегда будоражила умы писателей, художников и скульпторов. Лист Мёбиуса служил вдохновением для скульптур и для графического искусства. Эшер был одним из художников, кто особенно любил его и посвятил несколько своих литографий этому математическому объекту. Одна из известных  показывает муравьев, ползающих по поверхности листа Мёбиуса.

.

Широко известны и его рисунки с изображением лента Мёбиуса.

Очень интересны  памятники, посвящённые ленте Мёбиуса.

Улицы многих городов украшают скульптуры на тему ленты Мебиуса.

Ювелиры посвятили свои работы ленте Мёбиуса.

Лист Мёбиуса изображают на  различных эмблемах,  изображен на значке механико-математического факультета Московского университета.

Международный символ переработки также представляет собой Лист Мёбиуса.

Кроме того именем Мёбиуса назван кратер на обратной стороне Луны. 

Архитекторы используют ленту Мебиуса в новаторских формах. Так, например,  выглядит невероятный проект новой библиотеки в Астане (Казахстан).

Заключение.

Лист Мёбиуса обладает многими интересными свойствами.

1. Лист Мебиуса имеет один край.
2. Лист Мебиуса имеет одну сторону.
3. Лист Мёбиуса - топологический объект. Как и любая топологическая фигура,  лента Мёбиуса не меняет своих свойств, пока ее не разрезают, не разрывают или не склеивают его отдельные куски.
4. Один край и одна сторона листа Мебиуса не связаны с его положением в пространстве, не связаны с понятиями расстояния.

Лист Мёбиуса - первая односторонняя поверхность, которую открыли. Позже математики открыли ещё целый ряд односторонних поверхностей. В этой работе я пыталась описать свойства прекрасной поверхности - листа Мебиуса, показать его значимость на практике, доказать, что лист Мёбиуса - топологическая фигура.

Несмотря на то, что Мёбиус сделал своё удивительное открытие очень давно, оно очень популярно и в наши дни:

• у математиков- идут дальнейшие исследования;
• у школьников - очень интересно экспериментировать с лентой Мёбиуса;
• в технике – открываются всё новые способы использования ленты Мёбиуса.

Мною не исчерпаны опыты с листом Мёбиуса. Они бесконечны, интересны и зависят от собственного терпения. В дальнейшем я планирую продолжить исследования этого непредсказуемого листа.

Литература.

1. Волошинов А.В., "Математика и искусство" М.:"Просвещение", 1996г.
2. Газета «Математика» приложение к издательскому дому «Первое сентября»,№14 1999г., № 24 2006г.  
3. Гарднер М.  «Математические чудеса и тайны», «Наука» 1978г.
4. Гусев В.А., Комбаров А.П. «Математическая разминка» М.:"Просвещение", 1986г.
5. Интернет - ресурсы сайта: http://ru.wikipedia.
6. Кордемский Б. А. Топологические опыты своими  руками. Квант, 1974, №3.