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爸爸妈妈可能经常对你说一句话,“身体是革命的本钱”!不管是生活还是学习甚至玩耍,支持我们去活动,去思考,不断取得成就的,首先就是身体。
千百年来,科学家和医生们一直在研究人体,以便治病救人。说到做研究,怎么能少了数学这个工具呢?比如同学们去医院,拿到体检报告一看,就会发现,体检结果大多数是以数字的形式体现的。
实际上,关于身体还有很多有趣的数学秘密。咱们一起去看看吧……
身体里的单位
我们在学习数学的过程中会接触很多单位,比如厘米、毫米、米、尺等等。实际上,最早的长度单位基本都来自于我们的身体。无论国内国外,人们很默契地采取了人体自带的度量衡。
腕尺:最早出现在古埃及的一种长度单位,大约是45厘米,指的是从肘到中指的距离。胡夫金字塔高300腕尺,约合今天的147米。
英尺:还是在英国,人们把从脚趾到脚跟的距离,也就是一只脚的长度称为英尺。所以,英尺在英文里叫Foot(Foot是“脚”的意思)。
英寸:英国人曾把成年人1节大拇指的长度定义为英寸。现在1英寸是2.54厘米。
码:12世纪,英国规定,以国王亨利一世的鼻尖到手臂向前伸直后大拇指指尖的距离为1个长度单位,称为1码。现在,码这个长度单位还在沿用,1码约等于0.9144米。
步:在古代中国,人们将抬脚两次所跨过的距离称为一步。步常用来丈量田地,《荀子·劝学》有“不积跬步,无以至千里”,所谓“跬步”就是半步。一步的长度大约是1.4~1.5米。
钧:除了长度单位,一些重量单位也和身体有关。有个成语叫“千钧一发”,在古代,“钧”指的就是一只手臂能够挟起的重量,约为30斤。
大家肯定发现了,以人体为基准来确定度量衡这种方法,是不准确的。
因为人有高矮胖瘦,即使以某一个人,比如英国国王亨利一世的身体部位为标准,随着他年龄不断增加,数据也可能会变化,实在不适合作为单位标准。所以,随着人们对度量衡准确性要求的提高,有些单位固定成为某个数值,有些则慢慢被取代,不再使用了。
对称的身体
数学上有“对称”的概念,即物体或者图形在某个条件下做出变换之后,其相同部分之间有规律重复的现象。◆人体是基本对称的
在自然界中,几乎所有的哺乳动物,从形体构造来看都是基本对称的。如果沿着脊椎剖开动物的身体,可以分成形体和重量基本相等的两半。比如人体就是以鼻尖、肚脐眼的连线为对称轴的对称形体,眼、耳、鼻、手、脚都是对称生长的。
这样的对称非常有意义,眼睛的对称使人观看物体更加准确;双耳的对称使人听到的声音更有立体感,便于确定声源的位置;双手、双脚的对称能够保持人体的平衡。◆人体并不完全对称
同学们可能注意到了,我们说的是基本对称。因为人体和数学模型不一样,不可能长得绝对对称。看看你的左右手,它们的粗细长短就是不一样的。如果是经常用左侧胳膊的人,左侧胳膊就比右侧粗。大部分人因为常用右手,所以右手要略长大一些。
当然,我们说的这些长度差异都很细微,通常肉眼是看不出来的,需要借助尺子量才会发现。
大部分人的脸不是完全对称呢!很多人的两边脸大小不一样。眉毛一边高一边低,眼睛常常一只大一只小,关于这一点,大家可以问问妈妈,化妆的时候她会尽量让眉毛齐平,让眼睛显得一样大。这是因为人们研究发现,对称的脸显得更和谐,更美,化妆当然就是为了美。
有人做过实验,将一张人脸分成左右两边,分别镜像处理之后(就是直接做出轴对称图形)组成两张新的“脸”。两张新脸一定是有细微区别的,有些人甚至相差非常大呢!我们就以爱因斯坦为例,来看一看左右两侧人脸的差异。
所以,如果大家发现自己的身体有轻微不对称不必大惊小怪,这是非常正常的,毕竟这个世界上没有绝对的对称。人体的寿命
我们常常听到“寿命”这个词,指的是一个人从出生到死亡的過程。
婴儿一出生就不断长高长大,到21岁左右发育成熟。之后当然还会继续发育,不过生长速度减慢了,一个典型表现就是不会再长高了。
当发育到顶峰之后,人的身体又开始慢慢变老,甚至还会出现萎缩。40岁以后,人的身高每10年会下降]厘米。到80岁时,大多数男性会比他们在20多岁时矮5厘米,女性则矮得更多,能达到8厘米。
人的寿命是有极限的。影响寿命的因素实在太多了,目前科学家已经发现的包括健康状况、性别、婚姻等等。比如科学家们就发现,男性平均寿命比女性短。
那么,人类寿命的极限在哪里呢?现在常用的计算方法有三种:
★性成熟期测算法:哺乳动物的寿命一般为性成熟期的8~10倍,人类性成熟期是14~15岁,由此推测,人的自然寿命应该是110~150岁。
★生长期测算法:法国科学家布丰研究推断,哺乳动物的自然寿命应为其生长发育期的5~7倍,一般人的生长期是20~25年,这样算起来人的寿命应该是100~175岁。
★细胞分裂次数与细胞分裂周期测算法:哺乳动物的自然寿命是其细胞分裂次数与细胞分裂周期的乘积。人类细胞可分裂50次左右,平均每次细胞分裂周期为2.4年,那么人的自然寿命为120岁左右。
以上三种科学测试方法都得到类似的结论——人的自然寿命可以到120岁左右,“健康百岁不是梦”这句话是有科学根据的!只不过,由于种种原因,人类还很难达到这个目标。
不过呢,追溯历史,看看人类寿命的发展史,可以给我们更多信心。据史料记载,50万~20万年前的北京猿人平均寿命只有17岁左右。人类进入文明社会以后,平均寿命一直呈现延长的趋势。
在最近的300年时间里,人类寿命就经历了两次飞跃。第一次飞跃发生在1700~1900年,人类寿命从30岁提高到45岁。科学技术发展了生产力,初步解决了饥荒,改善了卫生条件,大大延长了人类的寿命。第二次飞跃发生在1900~1996年,人类寿命从45岁提高到70岁,实现第二次飞跃的原动力依然是科学技术。所以,我们有理由相信,随着科学技术的进一步提高,人类的寿命还会继续延长。身体里的比例 许多奇幻故事都喜欢说“巨人”“巨大的超级英雄”“巨大的怪兽”等等,让人充满好奇。地球上真的有这样隐秘的巨人族吗?
实际上,这类生物只能存在于小说和故事里,地球上不可能出现这类巨大的生物。要解释清楚这件事,得从人体的比例说起。◆当人变大10倍
我们假设,有一个普通人类身高1.8米,如果他有了超能力,变成原先的10倍高,那么他的体重会变成多少呢?
如果你觉得体重也变成10倍,那就错了。奇幻故事里的人变大,不可能只有身高改变,那他就会变得特别细长,变成一根竹竿,甚至一根绳子的样子。所以,他不仅身高变成了原来的10倍,而且宽度和厚度都变成了原来的10倍——这就是说,他的体积变成了原来的1000倍,那么体重也变成了原来的1000倍。
简而言之,任何物体的尺寸增大,其体积增长的速度会快于其表面积。这是因为,面积与其大小的平方成比例增长,而体积与大小的立方成比例增长。例如,一个立方体边长增大4倍,表面积增加16倍,体积增加64倍。
这个定律被称为“平方一立方定律”,是伽利略发现的。
而这增长了1000倍的体重都要靠人的双腿来支撑。那么,随之也变粗了的腿能不能撑住呢?决定双腿承重力的是腿骨的横截面积。要注意的是,横截面是平面,人长大10倍后,腿骨的截面积只放大100倍。也就是说,双腿的负重会突然变成原来的10倍——那么,它们会轻易被折断。同学们有没有注意到,诸如大象这样的大型动物和小动物相比,腿在全身占的比例要大很多,这是因为大型动物需要更粗壮的腿来支撑其巨大的体重。◆巨人的困难
如果你真的成了巨人,能不能帮助别人暂且不说,首先生存就会面临很多意想不到的困难。你会发现,每天起床都变成了一件困难的事情(你还得要一张特别大的床)。以前体形小的时候,可以轻松地一跃而起,而今“吭吭哧哧”费半天力气才能爬起来。
然后你会发现,自己的灵活程度根本不能和以前相比了,你的動作像大象一样笨拙,一不小心就会摔跟头。而且因为体重巨大,每一次摔倒都可能受重伤。当然,你的移动速度也会大打折扣,或许你的步幅比以前大一些,但是频率却要慢很多。你不能快速站起来,也不能跳跃——巨大的体重不允许你这样做,因为关节承受不起跳跃带来的冲击。
正如你想象的那样,已经成为巨人的你会胃口大开。如果你正好是一个吃货,那就恭喜你,你可以一刻不停地吃东西而不会感觉到肚子胀(当然,你得有这么多食物才行)。如果你补充的食物太少,将无法满足巨大的身体正常运转的需要。
对哺乳动物来说,每天消耗的食物差不多是体重的1/30。以大象为例,这种陆地上最大的动物根本没有太多的时间去嬉戏玩耍,它们每天要花18个小时来吃东西,一头6吨的亚洲象每天要吃约200千克的食物!你知道侏罗纪时期的巨无霸恐龙,它比大象更为巨大,可以想象,它那张勤劳的嘴巴该有多么繁忙!
对于在地球上生活的人类来说,现在大家的身体大小是经过长期进化和自然选择形成的,是最合适的了。
千百年来,科学家和医生们一直在研究人体,以便治病救人。说到做研究,怎么能少了数学这个工具呢?比如同学们去医院,拿到体检报告一看,就会发现,体检结果大多数是以数字的形式体现的。
实际上,关于身体还有很多有趣的数学秘密。咱们一起去看看吧……
身体里的单位
我们在学习数学的过程中会接触很多单位,比如厘米、毫米、米、尺等等。实际上,最早的长度单位基本都来自于我们的身体。无论国内国外,人们很默契地采取了人体自带的度量衡。
腕尺:最早出现在古埃及的一种长度单位,大约是45厘米,指的是从肘到中指的距离。胡夫金字塔高300腕尺,约合今天的147米。
英尺:还是在英国,人们把从脚趾到脚跟的距离,也就是一只脚的长度称为英尺。所以,英尺在英文里叫Foot(Foot是“脚”的意思)。
英寸:英国人曾把成年人1节大拇指的长度定义为英寸。现在1英寸是2.54厘米。
码:12世纪,英国规定,以国王亨利一世的鼻尖到手臂向前伸直后大拇指指尖的距离为1个长度单位,称为1码。现在,码这个长度单位还在沿用,1码约等于0.9144米。
步:在古代中国,人们将抬脚两次所跨过的距离称为一步。步常用来丈量田地,《荀子·劝学》有“不积跬步,无以至千里”,所谓“跬步”就是半步。一步的长度大约是1.4~1.5米。
钧:除了长度单位,一些重量单位也和身体有关。有个成语叫“千钧一发”,在古代,“钧”指的就是一只手臂能够挟起的重量,约为30斤。
大家肯定发现了,以人体为基准来确定度量衡这种方法,是不准确的。
因为人有高矮胖瘦,即使以某一个人,比如英国国王亨利一世的身体部位为标准,随着他年龄不断增加,数据也可能会变化,实在不适合作为单位标准。所以,随着人们对度量衡准确性要求的提高,有些单位固定成为某个数值,有些则慢慢被取代,不再使用了。
对称的身体
数学上有“对称”的概念,即物体或者图形在某个条件下做出变换之后,其相同部分之间有规律重复的现象。◆人体是基本对称的
在自然界中,几乎所有的哺乳动物,从形体构造来看都是基本对称的。如果沿着脊椎剖开动物的身体,可以分成形体和重量基本相等的两半。比如人体就是以鼻尖、肚脐眼的连线为对称轴的对称形体,眼、耳、鼻、手、脚都是对称生长的。
这样的对称非常有意义,眼睛的对称使人观看物体更加准确;双耳的对称使人听到的声音更有立体感,便于确定声源的位置;双手、双脚的对称能够保持人体的平衡。◆人体并不完全对称
同学们可能注意到了,我们说的是基本对称。因为人体和数学模型不一样,不可能长得绝对对称。看看你的左右手,它们的粗细长短就是不一样的。如果是经常用左侧胳膊的人,左侧胳膊就比右侧粗。大部分人因为常用右手,所以右手要略长大一些。
当然,我们说的这些长度差异都很细微,通常肉眼是看不出来的,需要借助尺子量才会发现。
大部分人的脸不是完全对称呢!很多人的两边脸大小不一样。眉毛一边高一边低,眼睛常常一只大一只小,关于这一点,大家可以问问妈妈,化妆的时候她会尽量让眉毛齐平,让眼睛显得一样大。这是因为人们研究发现,对称的脸显得更和谐,更美,化妆当然就是为了美。
有人做过实验,将一张人脸分成左右两边,分别镜像处理之后(就是直接做出轴对称图形)组成两张新的“脸”。两张新脸一定是有细微区别的,有些人甚至相差非常大呢!我们就以爱因斯坦为例,来看一看左右两侧人脸的差异。
所以,如果大家发现自己的身体有轻微不对称不必大惊小怪,这是非常正常的,毕竟这个世界上没有绝对的对称。人体的寿命
我们常常听到“寿命”这个词,指的是一个人从出生到死亡的過程。
婴儿一出生就不断长高长大,到21岁左右发育成熟。之后当然还会继续发育,不过生长速度减慢了,一个典型表现就是不会再长高了。
当发育到顶峰之后,人的身体又开始慢慢变老,甚至还会出现萎缩。40岁以后,人的身高每10年会下降]厘米。到80岁时,大多数男性会比他们在20多岁时矮5厘米,女性则矮得更多,能达到8厘米。
人的寿命是有极限的。影响寿命的因素实在太多了,目前科学家已经发现的包括健康状况、性别、婚姻等等。比如科学家们就发现,男性平均寿命比女性短。
那么,人类寿命的极限在哪里呢?现在常用的计算方法有三种:
★性成熟期测算法:哺乳动物的寿命一般为性成熟期的8~10倍,人类性成熟期是14~15岁,由此推测,人的自然寿命应该是110~150岁。
★生长期测算法:法国科学家布丰研究推断,哺乳动物的自然寿命应为其生长发育期的5~7倍,一般人的生长期是20~25年,这样算起来人的寿命应该是100~175岁。
★细胞分裂次数与细胞分裂周期测算法:哺乳动物的自然寿命是其细胞分裂次数与细胞分裂周期的乘积。人类细胞可分裂50次左右,平均每次细胞分裂周期为2.4年,那么人的自然寿命为120岁左右。
以上三种科学测试方法都得到类似的结论——人的自然寿命可以到120岁左右,“健康百岁不是梦”这句话是有科学根据的!只不过,由于种种原因,人类还很难达到这个目标。
不过呢,追溯历史,看看人类寿命的发展史,可以给我们更多信心。据史料记载,50万~20万年前的北京猿人平均寿命只有17岁左右。人类进入文明社会以后,平均寿命一直呈现延长的趋势。
在最近的300年时间里,人类寿命就经历了两次飞跃。第一次飞跃发生在1700~1900年,人类寿命从30岁提高到45岁。科学技术发展了生产力,初步解决了饥荒,改善了卫生条件,大大延长了人类的寿命。第二次飞跃发生在1900~1996年,人类寿命从45岁提高到70岁,实现第二次飞跃的原动力依然是科学技术。所以,我们有理由相信,随着科学技术的进一步提高,人类的寿命还会继续延长。身体里的比例 许多奇幻故事都喜欢说“巨人”“巨大的超级英雄”“巨大的怪兽”等等,让人充满好奇。地球上真的有这样隐秘的巨人族吗?
实际上,这类生物只能存在于小说和故事里,地球上不可能出现这类巨大的生物。要解释清楚这件事,得从人体的比例说起。◆当人变大10倍
我们假设,有一个普通人类身高1.8米,如果他有了超能力,变成原先的10倍高,那么他的体重会变成多少呢?
如果你觉得体重也变成10倍,那就错了。奇幻故事里的人变大,不可能只有身高改变,那他就会变得特别细长,变成一根竹竿,甚至一根绳子的样子。所以,他不仅身高变成了原来的10倍,而且宽度和厚度都变成了原来的10倍——这就是说,他的体积变成了原来的1000倍,那么体重也变成了原来的1000倍。
简而言之,任何物体的尺寸增大,其体积增长的速度会快于其表面积。这是因为,面积与其大小的平方成比例增长,而体积与大小的立方成比例增长。例如,一个立方体边长增大4倍,表面积增加16倍,体积增加64倍。
这个定律被称为“平方一立方定律”,是伽利略发现的。
而这增长了1000倍的体重都要靠人的双腿来支撑。那么,随之也变粗了的腿能不能撑住呢?决定双腿承重力的是腿骨的横截面积。要注意的是,横截面是平面,人长大10倍后,腿骨的截面积只放大100倍。也就是说,双腿的负重会突然变成原来的10倍——那么,它们会轻易被折断。同学们有没有注意到,诸如大象这样的大型动物和小动物相比,腿在全身占的比例要大很多,这是因为大型动物需要更粗壮的腿来支撑其巨大的体重。◆巨人的困难
如果你真的成了巨人,能不能帮助别人暂且不说,首先生存就会面临很多意想不到的困难。你会发现,每天起床都变成了一件困难的事情(你还得要一张特别大的床)。以前体形小的时候,可以轻松地一跃而起,而今“吭吭哧哧”费半天力气才能爬起来。
然后你会发现,自己的灵活程度根本不能和以前相比了,你的動作像大象一样笨拙,一不小心就会摔跟头。而且因为体重巨大,每一次摔倒都可能受重伤。当然,你的移动速度也会大打折扣,或许你的步幅比以前大一些,但是频率却要慢很多。你不能快速站起来,也不能跳跃——巨大的体重不允许你这样做,因为关节承受不起跳跃带来的冲击。
正如你想象的那样,已经成为巨人的你会胃口大开。如果你正好是一个吃货,那就恭喜你,你可以一刻不停地吃东西而不会感觉到肚子胀(当然,你得有这么多食物才行)。如果你补充的食物太少,将无法满足巨大的身体正常运转的需要。
对哺乳动物来说,每天消耗的食物差不多是体重的1/30。以大象为例,这种陆地上最大的动物根本没有太多的时间去嬉戏玩耍,它们每天要花18个小时来吃东西,一头6吨的亚洲象每天要吃约200千克的食物!你知道侏罗纪时期的巨无霸恐龙,它比大象更为巨大,可以想象,它那张勤劳的嘴巴该有多么繁忙!
对于在地球上生活的人类来说,现在大家的身体大小是经过长期进化和自然选择形成的,是最合适的了。