为什么蜂巢能够形成完美的蜂巢六边形的原理?

蜜蜂的相关问题,个个都不简单,个个都可以深挖。但因为要给4岁孩子解释,就得选择这个年龄孩子可以理解的范围与程度。好难啊……咱们大人先聊聊吧:工蜂建造的巢由成千上万个装着蜂蜜,花粉,蜜蜂宝宝的蜂房组成。蜂房的“墙壁”是用蜜蜂身体分泌的蜂蜡制作的,蜜蜂生产蜂蜡非常费力,所以会尽最大可能,让蜂蜡造出又结实又宽敞的蜂房,一点儿都不能浪费。对我们大人来说,一般会从平面镶嵌的角度去理解。如果全用同一种正多边形来铺满整个平面,那正多边形只会是正三角形、正方形、正六边形。在铺满同等面积的情况下,使用正六边形所需要的周长之和最小。也就是说,蜜蜂用等量的蜂蜡制作蜂房,正六边形的结构,能提供最大面积(空间)去储存蜂蜜,花粉和养育幼虫,因此正六边形就成为了蜜蜂的选择。实际的蜂巢中,也会由于种种原因,并不都是正六边形。例如,野外的蜂巢不是个平面板子,而是成为一个椭球形挂在树上或其它地方,当蜜蜂筑巢遇到挑战时,或者需要连接两片巢脾时,工蜂就会自己调整策略,制作一些非正六边形蜂房去“衔接”[1]。但以上对于4岁小朋友,尤其是可能连真的蜂巢都没见过的小朋友来说,当然不适合什么都说,都照原样说。那么,关于蜂窝为什么是“完美六边形”的问题,对4岁的孩子,可以怎么解释呢?从上面大人理解的解释中,再选择更简单些的内容,和更浅的程度,并利用手边的一些材料,带孩子观察和体验,也许可行。准备一些多边形材料,试试下面的方法。我在家中瞅了瞅,正好有桶几何积木,里面有边长相同的三角形,正方形,以及更大一点儿的正六边形。 第1步:基于孩子提出的“蜂房形状”问题,先聊一聊“蜂房”。一定要先讨论下,蜂巢是什么做的,用来做什么。这样,孩子可以理解,蜂巢需要很多很多个蜂房,制作蜂巢的材料是蜜蜂分泌的蜂蜡制作的,蜂蜡对蜜蜂来是说很辛苦获得的材料,不希望浪费。这可是蜜蜂选择正六边形的初心之一呢,所以不能忽略。感兴趣的话,还可以为孩子提供不同角度下蜂巢观察的机会,例如,平面的,可以观察六边形的特点。侧面视角的,可以看到蜂巢是立体的,有深度的,可以让孩子感受下蜂房内部的空间感。网上还可以买到蜂巢蜜,可以感受下真实的蜂蜡,及蜂蜜在蜂巢中的状态:第2步:用一些正六边形材料,去体验一下“完美六边形”的蜂房。我这里进行的是用六边形积木去进行一个平面上的拼的过程。孩子会感受到,这样的形状,拼起来可真是方便呢!正六边形随便拼用其它形状试试,会发现,自己这只小蜜蜂,“建造”房子时,不仅要造出边边有长有短的形状,还在拼的时候,要考虑边边是不是对齐,能不能拼得无缝,实在是有点儿累。特意模仿了孩子随手拼不考虑的感觉看来,还是规规整整,每条边长度相等的好呀,又好做,拼的时候怎么拼都好拼,不用每次还要比一比,对对齐。第3步:试试蜜蜂可以用其它形状来做蜂巢吗?可以! 可以提供一些其它平面图形材料,让孩子试试做“不同形状”的蜂巢。还可以一边做,一边顺便讲讲故事:从前,可能有一只小蜜蜂,用“完美的圆形”来做蜂巢。不久,它发现,哎,中间的空间,啥东西也不能放,浪费我的蜂蜡哎!后来,有只小蜜蜂决定用三角形来试试,没问题,也可以做成一个个蜂房,彼此之间没有空隙了。再后来,另一只爱挑战的小蜜蜂想,能用“完美的三角形”,我再加一条,用“完美的四边形”试试呗~嘿,也可以,没有空隙,没有浪费我的蜂蜡,很好。接着,一只小蜜蜂决定,用“完美的五边形”试试看。哎呀,翻车了,连不起来,总是有缝,又浪费宝贵的蜂蜡了。最后,一只小蜜蜂决定试试“完美的六边形”,哇,也成功了! 第4步:为什么蜜蜂选择了“完美六边形”呢?——直接把大人们计算与研究的的结果告诉孩子。你可以继续讲那个故事:小蜜蜂们试了很多的造房子的方法,经过了一代又一代,终于发现,用“完美六边形”造出来的房子,又省材料,空间又大能放好多蜂蜜、花粉,蜜蜂宝宝也住得舒舒服服。而且,这种结构的房子还超级结实!连人类都向小蜜蜂学习,模仿它们“完美六边形”的结构,来制作各种板材。(当然,家里要是有一块儿类似的纸板就更好了)蜜蜂,真的是特别适合孩子观察,了解,学习的昆虫。我觉得它真是孩子探索学习对象中的绝绝子。它,日常生活中可见,可爱。想想大部分孩子,都是“以貌取虫”,除了蝴蝶,我感觉孩子们最喜欢的形象,就是蜜蜂了。它,联系广泛,勤劳传粉,辛苦酿蜜,与孩子喜欢吃的香甜蜂蜜相关,与孩子感兴趣的花开花落结果等植物生长变化有关。单单采蜜传粉的过程,就非常有趣。https://www.zhihu.com/video/1448667637337808896浪花朵朵科普绘本 《蜜蜂》它,社会人,以其社会性被大家关注,讲起来津津乐道,还特别可以和人类社会中的种种关系对应比较。它,跳舞高手,交流大师,建筑专家,种种身份,让形象无比立体丰富。https://www.zhihu.com/video/1448668553000493056它,身带尖刺,蜇人后自己也命不久矣,让小朋友们又害怕,又同情,更多了份复杂的好奇心与刺激感带来的吸引力。它,古老到起源可追溯到恐龙时代,古老至贯穿人类历史,却又被人驯化驯养,与人类又有无比多的渊源故事可以讲述。小学语文书中有它,科学书中有它,课本上的外国作品中有它,中国古诗文中有它……我们好像了解了蜜蜂,但其实并不了解蜜蜂。蜜蜂吃蜂蜜吗?人们取走蜂蜜蜜蜂会饿吗?蜜蜂会上厕所吗?在哪儿上?都说蜜蜂酿蜜,到底是怎么酿的?蜂巢都知道是正六边形结构,可是它的建造过程到底是怎样的?……很多有趣的问题,细细了解,会发现更有趣!如果你对它感兴趣,或者想和孩子一起探索更多,我必须分享下面几本书:浪花朵朵《蜜蜂》本文所有书籍插图均来自这本巨大开本的书,内容非常详细,因此我特意把目录放上。我在写课的时候,会把它作为内容索引,可以看出它涉及了蜜蜂相关的方方面面,是我今年的大爱。2.《给蜜蜂一次机会》如果你的孩子害怕蜜蜂,或者不喜欢蜜蜂,这本书会让TA“给蜜蜂一次机会”,全书首先共情了孩子们出于种种原因对蜜蜂的误解,然后介绍了蜜蜂的世界与生活。最大的特点就是诙谐幽默。“掐了妹妹一下,自己就失去了一只手”这种夸张又搞笑的表达,贯穿全书,尤其适合4-5岁的孩子。3.DK《蜜蜂之书》这本我没买,但详细看了不同渠道的介绍。也很适合了解“蜜蜂”这个主题,涉及了关于蜜蜂孩子感兴趣和可以理解的所有主要内容。我没买的原因是先买了浪花的那本《蜜蜂》,且已经关注了蜜蜂一段时间,还有一些其它蜜蜂主题的书“先入为主”,就忍痛割对DK的爱了。4.《蜜蜂》这本书用独特的六角形设计吸引了我!名字倒是平平无奇的《蜜蜂》,可是作者是大名鼎鼎的卡尔·冯·弗里希~ 一提到蜜蜂就会津津乐道的“舞蹈语言”,就是他一个发现和研究的。作为一个动物行为学家,他从1919年后一直从事蜜蜂视觉、嗅觉和信息传递的研究。1973年获得了诺贝尔奖。这本书全名是《Bees: Their vision, chemical senses,and language》。不适合小朋友哈,适合大人感兴趣收藏与阅读。@知乎亲子 @知乎图书 }
一、蜂巢结构蜂巢的整体结构由巢脾构成,而巢脾则由大量紧密排列的巢室组成,单个巢室的性状为六棱柱(鼎鼎大名的“蜂窝结构”),但底部是由三个同的菱形构成,同时巢脾的两面都有巢室,这些巢室的底部相互错开,同时整个所有巢室都朝上呈9~14°的仰角以防止花蜜或蜂蜜流出,如此结构简直是自然界的鬼斧神工。二、蜂巢特征巢脾上巢室要完全紧密排列才能最大限度的节约材料和空间,从几何学可知平面内可以完全紧密排列的只有正三角形、正四边形、正六边形,同时图形的边数越多面积比周长的比值就越大,简单来说就是一根线如果围成的图形越接近圆形则这根线所围出的图形面积越大,反之则越小,因此正六边形是最合适的。三、筑巢材料蜂巢的主要材料是蜂蜡,而蜂蜡是蜂群中适龄工蜂(13~18日龄)蜡腺所分泌的脂肪性物质,蜂群中几乎所有的“建筑”都要用到蜂蜡,但蜂蜡是极为珍贵的(蜜蜂每生产1斤蜂蜡大约需要消耗3.5斤蜂蜜及半斤花粉),因此如何最大限度减少蜂蜡的消耗量并可保证巢室有足够的空间和稳定性便是蜜蜂需要研究的课题。四、筑巢原理六边形的蜂窝是由蜜蜂主观意志决定的吗?答案是否定的,事实上蜜蜂在修筑巢脾时只会建造近乎圆形的“毛坯房”,这些“毛坯房”建造好后蜜蜂会将蜂蜡加热到40℃左右,此时蜂蜡会融化变成可以自由改变形状的液体,受到液体表面的张力蜂蜡便会按照一些物理学与几何学原理自动以最节省材料的方式成型。总结:蜂巢的“蜂窝结构”虽然不是根据蜜蜂的主观意志来建造的,但蜂巢的这一结构的确给人们带来了很多启示,尤其在航天方面如飞机羽翼、人造卫星机壁等很多地方有“蜂窝结构”的具体应用。}
蜜蜂的相关问题,个个都不简单,个个都可以深挖。但因为要给4岁孩子解释,就得选择这个年龄孩子可以理解的范围与程度。好难啊……咱们大人先聊聊吧:工蜂建造的巢由成千上万个装着蜂蜜,花粉,蜜蜂宝宝的蜂房组成。蜂房的“墙壁”是用蜜蜂身体分泌的蜂蜡制作的,蜜蜂生产蜂蜡非常费力,所以会尽最大可能,让蜂蜡造出又结实又宽敞的蜂房,一点儿都不能浪费。对我们大人来说,一般会从平面镶嵌的角度去理解。如果全用同一种正多边形来铺满整个平面,那正多边形只会是正三角形、正方形、正六边形。在铺满同等面积的情况下,使用正六边形所需要的周长之和最小。也就是说,蜜蜂用等量的蜂蜡制作蜂房,正六边形的结构,能提供最大面积(空间)去储存蜂蜜,花粉和养育幼虫,因此正六边形就成为了蜜蜂的选择。实际的蜂巢中,也会由于种种原因,并不都是正六边形。例如,野外的蜂巢不是个平面板子,而是成为一个椭球形挂在树上或其它地方,当蜜蜂筑巢遇到挑战时,或者需要连接两片巢脾时,工蜂就会自己调整策略,制作一些非正六边形蜂房去“衔接”[1]。但以上对于4岁小朋友,尤其是可能连真的蜂巢都没见过的小朋友来说,当然不适合什么都说,都照原样说。那么,关于蜂窝为什么是“完美六边形”的问题,对4岁的孩子,可以怎么解释呢?从上面大人理解的解释中,再选择更简单些的内容,和更浅的程度,并利用手边的一些材料,带孩子观察和体验,也许可行。准备一些多边形材料,试试下面的方法。我在家中瞅了瞅,正好有桶几何积木,里面有边长相同的三角形,正方形,以及更大一点儿的正六边形。 第1步:基于孩子提出的“蜂房形状”问题,先聊一聊“蜂房”。一定要先讨论下,蜂巢是什么做的,用来做什么。这样,孩子可以理解,蜂巢需要很多很多个蜂房,制作蜂巢的材料是蜜蜂分泌的蜂蜡制作的,蜂蜡对蜜蜂来是说很辛苦获得的材料,不希望浪费。这可是蜜蜂选择正六边形的初心之一呢,所以不能忽略。感兴趣的话,还可以为孩子提供不同角度下蜂巢观察的机会,例如,平面的,可以观察六边形的特点。侧面视角的,可以看到蜂巢是立体的,有深度的,可以让孩子感受下蜂房内部的空间感。网上还可以买到蜂巢蜜,可以感受下真实的蜂蜡,及蜂蜜在蜂巢中的状态:第2步:用一些正六边形材料,去体验一下“完美六边形”的蜂房。我这里进行的是用六边形积木去进行一个平面上的拼的过程。孩子会感受到,这样的形状,拼起来可真是方便呢!正六边形随便拼用其它形状试试,会发现,自己这只小蜜蜂,“建造”房子时,不仅要造出边边有长有短的形状,还在拼的时候,要考虑边边是不是对齐,能不能拼得无缝,实在是有点儿累。特意模仿了孩子随手拼不考虑的感觉看来,还是规规整整,每条边长度相等的好呀,又好做,拼的时候怎么拼都好拼,不用每次还要比一比,对对齐。第3步:试试蜜蜂可以用其它形状来做蜂巢吗?可以! 可以提供一些其它平面图形材料,让孩子试试做“不同形状”的蜂巢。还可以一边做,一边顺便讲讲故事:从前,可能有一只小蜜蜂,用“完美的圆形”来做蜂巢。不久,它发现,哎,中间的空间,啥东西也不能放,浪费我的蜂蜡哎!后来,有只小蜜蜂决定用三角形来试试,没问题,也可以做成一个个蜂房,彼此之间没有空隙了。再后来,另一只爱挑战的小蜜蜂想,能用“完美的三角形”,我再加一条,用“完美的四边形”试试呗~嘿,也可以,没有空隙,没有浪费我的蜂蜡,很好。接着,一只小蜜蜂决定,用“完美的五边形”试试看。哎呀,翻车了,连不起来,总是有缝,又浪费宝贵的蜂蜡了。最后,一只小蜜蜂决定试试“完美的六边形”,哇,也成功了! 第4步:为什么蜜蜂选择了“完美六边形”呢?——直接把大人们计算与研究的的结果告诉孩子。你可以继续讲那个故事:小蜜蜂们试了很多的造房子的方法,经过了一代又一代,终于发现,用“完美六边形”造出来的房子,又省材料,空间又大能放好多蜂蜜、花粉,蜜蜂宝宝也住得舒舒服服。而且,这种结构的房子还超级结实!连人类都向小蜜蜂学习,模仿它们“完美六边形”的结构,来制作各种板材。(当然,家里要是有一块儿类似的纸板就更好了)蜜蜂,真的是特别适合孩子观察,了解,学习的昆虫。我觉得它真是孩子探索学习对象中的绝绝子。它,日常生活中可见,可爱。想想大部分孩子,都是“以貌取虫”,除了蝴蝶,我感觉孩子们最喜欢的形象,就是蜜蜂了。它,联系广泛,勤劳传粉,辛苦酿蜜,与孩子喜欢吃的香甜蜂蜜相关,与孩子感兴趣的花开花落结果等植物生长变化有关。单单采蜜传粉的过程,就非常有趣。https://www.zhihu.com/video/1448667637337808896浪花朵朵科普绘本 《蜜蜂》它,社会人,以其社会性被大家关注,讲起来津津乐道,还特别可以和人类社会中的种种关系对应比较。它,跳舞高手,交流大师,建筑专家,种种身份,让形象无比立体丰富。https://www.zhihu.com/video/1448668553000493056它,身带尖刺,蜇人后自己也命不久矣,让小朋友们又害怕,又同情,更多了份复杂的好奇心与刺激感带来的吸引力。它,古老到起源可追溯到恐龙时代,古老至贯穿人类历史,却又被人驯化驯养,与人类又有无比多的渊源故事可以讲述。小学语文书中有它,科学书中有它,课本上的外国作品中有它,中国古诗文中有它……我们好像了解了蜜蜂,但其实并不了解蜜蜂。蜜蜂吃蜂蜜吗?人们取走蜂蜜蜜蜂会饿吗?蜜蜂会上厕所吗?在哪儿上?都说蜜蜂酿蜜,到底是怎么酿的?蜂巢都知道是正六边形结构,可是它的建造过程到底是怎样的?……很多有趣的问题,细细了解,会发现更有趣!如果你对它感兴趣,或者想和孩子一起探索更多,我必须分享下面几本书:浪花朵朵《蜜蜂》本文所有书籍插图均来自这本巨大开本的书,内容非常详细,因此我特意把目录放上。我在写课的时候,会把它作为内容索引,可以看出它涉及了蜜蜂相关的方方面面,是我今年的大爱。2.《给蜜蜂一次机会》如果你的孩子害怕蜜蜂,或者不喜欢蜜蜂,这本书会让TA“给蜜蜂一次机会”,全书首先共情了孩子们出于种种原因对蜜蜂的误解,然后介绍了蜜蜂的世界与生活。最大的特点就是诙谐幽默。“掐了妹妹一下,自己就失去了一只手”这种夸张又搞笑的表达,贯穿全书,尤其适合4-5岁的孩子。3.DK《蜜蜂之书》这本我没买,但详细看了不同渠道的介绍。也很适合了解“蜜蜂”这个主题,涉及了关于蜜蜂孩子感兴趣和可以理解的所有主要内容。我没买的原因是先买了浪花的那本《蜜蜂》,且已经关注了蜜蜂一段时间,还有一些其它蜜蜂主题的书“先入为主”,就忍痛割对DK的爱了。4.《蜜蜂》这本书用独特的六角形设计吸引了我!名字倒是平平无奇的《蜜蜂》,可是作者是大名鼎鼎的卡尔·冯·弗里希~ 一提到蜜蜂就会津津乐道的“舞蹈语言”,就是他一个发现和研究的。作为一个动物行为学家,他从1919年后一直从事蜜蜂视觉、嗅觉和信息传递的研究。1973年获得了诺贝尔奖。这本书全名是《Bees: Their vision, chemical senses,and language》。不适合小朋友哈,适合大人感兴趣收藏与阅读。@知乎亲子 @知乎图书 ^Imperfect comb construction reveals the architectural abilities of honeybees Michael L. Smith, Nils Napp, Kirstin H. Petersen Proceedings of the National Academy of Sciences Aug 2021, 118 (31)}

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