Istnienie Wstęgi Möbiusa kłóci się ze zdrowym rozsądkiem

Wstęga Möbiusa – kształt, który doskonale znamy (z dzieciństwa z zabaw, z dorosłości z logotypów firm i idei) – przez 50 lat stanowiła nie lada zagadkę dla inżynierów, matematyków i fizyków. Choć wydawało się, że można było ją robić dowolnie małą, miała swoje ograniczenia. Złe dobranie jej długości i szerokości powodowało, że się zrywała i nie dawała zakrzywić. To duży problem, bo wstęgę dość często można spotkać w automatyce czy urządzeniach opartych na pracy silnika.
Wstęga Mobiusa Istnienie Wstęgi Möbiusa kłóci się ze zdrowym rozsądkiem
Wstęga Mobiusa / Wikipedia CC BY-SA 3,0 David Benbennick

Sama wstęga to szczególna powierzchnia odkryta przez matematyków dopiero w 1858 roku (m.in. Augusta Möbiusa, stąd jej nazwa) – jednostronna, choć istniejąca w jak najbardziej trójwymiarowym świecie. W naukowym żargonie to dwuwymiarowa zwarta rozmaitość topologiczna nieorientowalna z brzegiem, co oznacza, że nie ma na niej pojęcia „wewnątrz”, „na zewnątrz”, „na górze” lub „na dole” kształtu.

Wstęga popularna w przemyśle

Wstęga Möbiusa ma tylko jedną powierzchnię, co kłóci się ze zdrowym rozsądkiem. Ale łatwo to sprawdzić – rysując linię na jej powierzchni, prędzej czy później trafimy ołówkiem na początek linii. Jej model można zrobić, sklejając taśmę (na przykład papierową) końcami przy odwróceniu jednego z końców o 180 stopni względem drugiego. Proste? W praktyce tak, ale jak dokładnie opisać taką jak najbardziej przestrzenną wstęgę, na której znajduje się tylko jedna – po sklejeniu – nieskończona płaszczyzna?

Jej kształt zachwycał już od pierwszych tygodni jej odkrycia – dzisiaj znajdziemy ją w symbolu recyklingu, w logotypie Międzynarodówki Humanistycznej czy w symbolu nieskończoności (związanym z kształtem wstęgi wyłącznie konicydentalnie) oraz w logo sieciowego dysku Google tworzącym niekończącą się pętlę, tym razem w formie trójkąta. Z kształtu korzystają również organizacje pozarządowe – wszystkie różowe, niebieskie, białe czy czarne wstążki symbolizujące walkę o generalnie lepszy ludzki byt są właśnie wstęgami Möbiusa.
Jeśli zaczniemy się nią bawić, pojawiają się kolejne zaskakujące właściwości kształtu. Rozcięta wzdłuż nie spowoduje, że z jednej otrzymamy dwie podobne wstęgi – ta, którą trzymamy w ręku, będzie po prostu dwa razy dłuższa i podwójnie skręcona, choć wciąż z jedną płaszczyzną.

Jeśli przetniemy taśmę skręconą we wstęgę skręconą o 360 stopni (zamiast pierwotnych 180) otrzymamy dwa kręgi połączone, jak ogniwa w łańcuchu.

Poza wzbudzaniem zachwytu bawiących się nią wstęga niemal natychmiast znalazła zastosowanie w mechanice – tam, gdzie dwa koła połączone są taśmą, zastąpienie jej wstęgą Möbiusa zwielokrotnia trwałość taśmy i powoduje jej wolniejsze zużycie z obu naraz, a nie tylko z jednej strony. Stąd chętnie korzysta się z niej wszędzie tam, gdzie koła zamachowe silników potrzebują taśmowego przeniesienia napędu. Zdarza się znaleźć to rozwiązanie zamiast zębatek w rzadkich i przez to drogich szwajcarskich zegarkach. Rzadkich, bo specjaliści od mikromechaniki szybko zorientowali się, że tego kształtu nie da się pomniejszać w nieskończoność. Przy coraz mniejszej długości przy zachowaniu szerokości wstęgi okazuje się, że kształt się zrywa. Od półwiecza matematycznym problemem było znalezienie proporcji, przy jakich można tego uniknąć.

Po latach liczenia

Rozwiązanie zaproponował matematyk z Brown University Richard Schwartz, dzisiaj przyznający się, że od problemu uzależnił się, nie mogąc pracować nad czymkolwiek innym.

„Przez lata próbowałem rozwiązać ten problem i w 2021 r. opublikowałem artykuł przedstawiający obiecujące podejście, które jednak ostatecznie okazało się niewystarczające” – wspomina dzisiaj na łamach naukowych czasopism. Niedawno zaczął więc eksperymentować ze zgniataniem papierowych pasków w nadziei, że kształt 2D będzie łatwiejszy do matematycznego rozwiązania. Kiedy jednak rozciął jedną z tych pętli pod kątem (co było konieczne do rozwiązania problemu optymalizacji), zobaczył coś, czego się nie spodziewał… Dwuwymiarowy papier nie wyglądał jak równoległobok, jak opisał w swojej pierwszej pracy. Był to raczej trapez – kształt o czterech prostych bokach, z których tylko dwa są do siebie równoległe.

Geometria złożonych kształtów pozwoliła na określenie, że stosunek długości do szerokości wstęgi powinien być większy od pierwiastka kwadratowego z trzech (czyli około 1,73).

W ciągu wielu nieprzespanych nocy i przy pomocy kilku kolegów – jak wspomina Schwartz – matematyk poprawił swoje wcześniejsze błędy i doszedł do eleganckiego rozwiązania z pierwiastkiem z trzech, czego przez pół wieku nie dopatrzyli się inni matematycy.
Co zmieni w naszym życiu niedawne odkrycie matematyków? Przeciętny człowiek raczej różnicy nie dostrzeże – wstęga Möbiusa dalej pozostanie fascynującą ciekawostką, która pewnie trafi jeszcze na niejedno logo. Jednak w z pewnością znalezienie odpowiednich proporcji ułatwi tysiącom producentów, projektantów i inżynierów planowanie kolejnych linii produkcyjnych w fabrykach dostarczających nam samochody czy sprzęt AGD. Z pewnością wpłynie na lepsze wykorzystanie materiałów i pośrednio na środowisko naszej planety. Co ciekawe, matematyk, który znalazł rozwiązanie, nie zarobi na nim ani centa. Zgodnie z międzynarodowym prawem nie można opatentować prawa natury ani zasad matematyki. Richard Schwartz może liczyć wyłącznie na zasłużone miejsce w akademickich podręcznikach matematyki.

Tekst pochodzi z 39 (1809) numeru „Tygodnika Solidarność”.


 

POLECANE
Intensywne opady w Polsce. W ministerstwie sztab kryzysowy z udziałem premiera z ostatniej chwili
Intensywne opady w Polsce. W ministerstwie sztab kryzysowy z udziałem premiera

Na środę rano w siedzibie MSWiA zwołano sztab kryzysowy w związku z zapowiadaną kumulacją opadów deszczu. W posiedzeniu sztabu wziął udział premier Donald Tusk, szef MON Władysław Kosiniak-Kamysz, szef MSWiA Tomasz Siemoniak, minister infrastruktury Dariusz Klimczak i minister Marcin Kierwiński.

Deklaracja Hołowni. Wymowny wpis Tuska z ostatniej chwili
"Deklaracja Hołowni". Wymowny wpis Tuska

We wtorek po godz. 21 premier Donald Tusk opublikował wpis, w którym odniósł się do marszałka Sejmu Szymona Hołowni. Pisze o "wyjaśnieniach i deklaracji".

Trump: Putin opowiada nam bzdury, nie jestem z niego zadowolony z ostatniej chwili
Trump: Putin opowiada nam bzdury, nie jestem z niego zadowolony

Prezydent USA Donald Trump oświadczył we wtorek, że Władimir Putin opowiada bzdury i nie szanuje ludzkiego życia. Powtórzył też, że nie jest z niego zadowolony, i potwierdził, że wyśle broń defensywną Ukrainie.

Seryjny samobójca grasuje w Rosji tylko u nas
Seryjny samobójca grasuje w Rosji

W każdy kraju – znamy to choćby z Polski – zdarzają się zagadkowe samobójstwa. Czy też tragiczne zgony w niewyjaśnionych okolicznościach. Dotyka to nieszczęście urzędników, oficerów, polityków, menedżerów. Ale w Rosji po wybuchu pełnoskalowej wojny z Ukrainą seryjny samobójca zbiera żniwo bogate jak nigdy.

Powstańcy chcą, aby koncert (Nie)zakazane piosenki poprowadził Tomasz Wolny. Jest odpowiedź TVP z ostatniej chwili
Powstańcy chcą, aby koncert "(Nie)zakazane piosenki" poprowadził Tomasz Wolny. Jest odpowiedź TVP

Powstańcy Warszawscy apelują do władz Telewizji Polskiej w likwidacji, aby tegoroczny koncert "Warszawiacy śpiewają (nie)zakazane piosenki" poprowadził Tomasz Wolny. TVP odpowiedziało w lakoniczny sposób.

NFZ wydał pilny komunikat z ostatniej chwili
NFZ wydał pilny komunikat

Fałszywe SMS-y i e-maile o zwrocie składek wyłudzają dane – ostrzega NFZ. Sprawdź, jak nie dać się oszukać.

Autobus na torach między szlabanami. Wszystko na oczach policji [WIDEO] z ostatniej chwili
Autobus na torach między szlabanami. Wszystko na oczach policji [WIDEO]

Blisko tragedii było na przejeździe kolejowym w Inowrocławiu. Kierowca miejskiego autobusu wjechał na tory między zamykające się szlabany, ignorując czerwone światło. Świadkami groźnej sytuacji był policyjny patrol.

Poradnik prawny dla obrońców granic z ostatniej chwili
Poradnik prawny dla obrońców granic

Sytuacja na granicy polsko-niemieckiej staje się coraz bardziej napięta z powodu zwiększającej się liczby przybywających do Polski z tego kierunku imigrantów. Nowy poradnik Ordo Iuris podpowiada, jak działać bezpiecznie w czasie przywróconych kontroli.

Niemiecki polityk mówi wprost, kto ma rządzić w Warszawie Wiadomości
Niemiecki polityk mówi wprost, kto ma rządzić w Warszawie

Manfred Weber zaatakował m.in. PiS na forum Parlamentu Europejskiego. Lider Europejskiej Partii Ludowej jasno określił z kim zamierza walczyć w Polsce. Zastrzegł też, że EPL wie jak walczyć "ze skrajną prawicą" i nikt nie ma prawa jej pouczać".  

Oszust udawał głos sekretarza stanu USA. Kontaktował się z szefami MSZ innych państw Wiadomości
Oszust udawał głos sekretarza stanu USA. Kontaktował się z szefami MSZ innych państw

Ktoś podszywał się pod sekretarza stanu USA Marka Rubio, i zmieniając głos oraz styl pisania przy użyciu sztucznej inteligencji, kontaktował się z wysokiej rangi urzędnikami, w tym co najmniej trzema ministrami spraw zagranicznych - podał we wtorek dziennik „Washington Post”.

REKLAMA

Istnienie Wstęgi Möbiusa kłóci się ze zdrowym rozsądkiem

Wstęga Möbiusa – kształt, który doskonale znamy (z dzieciństwa z zabaw, z dorosłości z logotypów firm i idei) – przez 50 lat stanowiła nie lada zagadkę dla inżynierów, matematyków i fizyków. Choć wydawało się, że można było ją robić dowolnie małą, miała swoje ograniczenia. Złe dobranie jej długości i szerokości powodowało, że się zrywała i nie dawała zakrzywić. To duży problem, bo wstęgę dość często można spotkać w automatyce czy urządzeniach opartych na pracy silnika.
Wstęga Mobiusa Istnienie Wstęgi Möbiusa kłóci się ze zdrowym rozsądkiem
Wstęga Mobiusa / Wikipedia CC BY-SA 3,0 David Benbennick

Sama wstęga to szczególna powierzchnia odkryta przez matematyków dopiero w 1858 roku (m.in. Augusta Möbiusa, stąd jej nazwa) – jednostronna, choć istniejąca w jak najbardziej trójwymiarowym świecie. W naukowym żargonie to dwuwymiarowa zwarta rozmaitość topologiczna nieorientowalna z brzegiem, co oznacza, że nie ma na niej pojęcia „wewnątrz”, „na zewnątrz”, „na górze” lub „na dole” kształtu.

Wstęga popularna w przemyśle

Wstęga Möbiusa ma tylko jedną powierzchnię, co kłóci się ze zdrowym rozsądkiem. Ale łatwo to sprawdzić – rysując linię na jej powierzchni, prędzej czy później trafimy ołówkiem na początek linii. Jej model można zrobić, sklejając taśmę (na przykład papierową) końcami przy odwróceniu jednego z końców o 180 stopni względem drugiego. Proste? W praktyce tak, ale jak dokładnie opisać taką jak najbardziej przestrzenną wstęgę, na której znajduje się tylko jedna – po sklejeniu – nieskończona płaszczyzna?

Jej kształt zachwycał już od pierwszych tygodni jej odkrycia – dzisiaj znajdziemy ją w symbolu recyklingu, w logotypie Międzynarodówki Humanistycznej czy w symbolu nieskończoności (związanym z kształtem wstęgi wyłącznie konicydentalnie) oraz w logo sieciowego dysku Google tworzącym niekończącą się pętlę, tym razem w formie trójkąta. Z kształtu korzystają również organizacje pozarządowe – wszystkie różowe, niebieskie, białe czy czarne wstążki symbolizujące walkę o generalnie lepszy ludzki byt są właśnie wstęgami Möbiusa.
Jeśli zaczniemy się nią bawić, pojawiają się kolejne zaskakujące właściwości kształtu. Rozcięta wzdłuż nie spowoduje, że z jednej otrzymamy dwie podobne wstęgi – ta, którą trzymamy w ręku, będzie po prostu dwa razy dłuższa i podwójnie skręcona, choć wciąż z jedną płaszczyzną.

Jeśli przetniemy taśmę skręconą we wstęgę skręconą o 360 stopni (zamiast pierwotnych 180) otrzymamy dwa kręgi połączone, jak ogniwa w łańcuchu.

Poza wzbudzaniem zachwytu bawiących się nią wstęga niemal natychmiast znalazła zastosowanie w mechanice – tam, gdzie dwa koła połączone są taśmą, zastąpienie jej wstęgą Möbiusa zwielokrotnia trwałość taśmy i powoduje jej wolniejsze zużycie z obu naraz, a nie tylko z jednej strony. Stąd chętnie korzysta się z niej wszędzie tam, gdzie koła zamachowe silników potrzebują taśmowego przeniesienia napędu. Zdarza się znaleźć to rozwiązanie zamiast zębatek w rzadkich i przez to drogich szwajcarskich zegarkach. Rzadkich, bo specjaliści od mikromechaniki szybko zorientowali się, że tego kształtu nie da się pomniejszać w nieskończoność. Przy coraz mniejszej długości przy zachowaniu szerokości wstęgi okazuje się, że kształt się zrywa. Od półwiecza matematycznym problemem było znalezienie proporcji, przy jakich można tego uniknąć.

Po latach liczenia

Rozwiązanie zaproponował matematyk z Brown University Richard Schwartz, dzisiaj przyznający się, że od problemu uzależnił się, nie mogąc pracować nad czymkolwiek innym.

„Przez lata próbowałem rozwiązać ten problem i w 2021 r. opublikowałem artykuł przedstawiający obiecujące podejście, które jednak ostatecznie okazało się niewystarczające” – wspomina dzisiaj na łamach naukowych czasopism. Niedawno zaczął więc eksperymentować ze zgniataniem papierowych pasków w nadziei, że kształt 2D będzie łatwiejszy do matematycznego rozwiązania. Kiedy jednak rozciął jedną z tych pętli pod kątem (co było konieczne do rozwiązania problemu optymalizacji), zobaczył coś, czego się nie spodziewał… Dwuwymiarowy papier nie wyglądał jak równoległobok, jak opisał w swojej pierwszej pracy. Był to raczej trapez – kształt o czterech prostych bokach, z których tylko dwa są do siebie równoległe.

Geometria złożonych kształtów pozwoliła na określenie, że stosunek długości do szerokości wstęgi powinien być większy od pierwiastka kwadratowego z trzech (czyli około 1,73).

W ciągu wielu nieprzespanych nocy i przy pomocy kilku kolegów – jak wspomina Schwartz – matematyk poprawił swoje wcześniejsze błędy i doszedł do eleganckiego rozwiązania z pierwiastkiem z trzech, czego przez pół wieku nie dopatrzyli się inni matematycy.
Co zmieni w naszym życiu niedawne odkrycie matematyków? Przeciętny człowiek raczej różnicy nie dostrzeże – wstęga Möbiusa dalej pozostanie fascynującą ciekawostką, która pewnie trafi jeszcze na niejedno logo. Jednak w z pewnością znalezienie odpowiednich proporcji ułatwi tysiącom producentów, projektantów i inżynierów planowanie kolejnych linii produkcyjnych w fabrykach dostarczających nam samochody czy sprzęt AGD. Z pewnością wpłynie na lepsze wykorzystanie materiałów i pośrednio na środowisko naszej planety. Co ciekawe, matematyk, który znalazł rozwiązanie, nie zarobi na nim ani centa. Zgodnie z międzynarodowym prawem nie można opatentować prawa natury ani zasad matematyki. Richard Schwartz może liczyć wyłącznie na zasłużone miejsce w akademickich podręcznikach matematyki.

Tekst pochodzi z 39 (1809) numeru „Tygodnika Solidarność”.



 

Polecane
Emerytury
Stażowe