你肯定見(jiàn)過(guò)這種粗大的水泥管子，但不知道它們?yōu)樯抖奸L(zhǎng)這樣

我們常常會(huì)在工廠或者發(fā)電站附近看到這樣的建筑。它們?yōu)槭裁撮L(zhǎng)相如此奇特，還會(huì)冒白煙，有什么說(shuō)法嗎？

今天，我們就來(lái)通過(guò)一個(gè)小制作，解答這個(gè)問(wèn)題。

關(guān)鍵概念

直紋曲面

材料和操作

2根吸管（12.5厘米長(zhǎng)）

1根牙簽

白紙

1 看上面的視頻，把兩根吸管用牙簽連在一起。

2 把模版打印出來(lái)，然后按照視頻里的方式制作。

如何獲取模版？

在 把科學(xué)帶回家 微信公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù) 雙曲

原理

乍看之下，吸管似乎不能穿過(guò)這個(gè)曲線形狀的擋板是嗎？但實(shí)際上它可以。

吸管旋轉(zhuǎn)時(shí)畫出的三維曲面叫做雙曲面，而雙曲面上的二維橫截面，也就是我們的模版上的曲線——雙曲線。

雙曲面有沒(méi)有讓你想到什么？和許多塔狀物體是不是很像？

沒(méi)錯(cuò)，這種奇怪的物體就是發(fā)電站和工廠的冷卻塔（通過(guò)水分蒸發(fā)降低溫度的裝置），而它們常常采用雙曲面的設(shè)計(jì)。

為什么冷卻塔喜歡雙曲面設(shè)計(jì)呢？

從實(shí)驗(yàn)中你可以看到，既然棍子能描繪出雙曲面，那么雙曲面就可以由筆直的材料搭建。

生活中的各種雙曲面

因?yàn)榭梢允褂霉P直的材料搭建，雙曲面的制造成本和建造難度就不高。再加上雙曲面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)荷重強(qiáng)，許多核電站的以及火力發(fā)電廠冷卻塔都采用了雙曲面的結(jié)構(gòu)。

另外，雙曲面還可以加速對(duì)流，因此特別適用于冷卻塔。當(dāng)水蒸氣上升時(shí)，雙曲面狹窄的腰可以加速層流，而上方更寬的口子可以促使湍流的形成，有助于降溫。

世界上最早的雙曲面建筑是俄國(guó)工程師 Vladimir Shukhov 在19世紀(jì)末設(shè)計(jì)的，位于俄國(guó)利佩茨克州的 Polibino。

Vladimir Shukhov 設(shè)計(jì)的雙曲面建筑

@wikipedia

西班牙著名建筑師高迪在圣家堂中也試驗(yàn)了雙曲面的設(shè)計(jì)。高迪采用的雙曲面既可以讓陽(yáng)光均勻散射，也可以讓聲音向教堂的四處發(fā)散。

圣家堂頂部的雙曲面的設(shè)計(jì)

@Julien Butruille

像雙曲面這樣能用筆直的建材構(gòu)建的形狀叫做直紋曲面（ruled surface）。馬鞍形屋頂（點(diǎn)我查看為什么品客薯片是馬鞍形的），莫比烏斯環(huán)也是直紋曲面。

莫比烏斯環(huán)是直紋曲面

說(shuō)到直紋曲面，就不得不提意大利佛羅倫薩的圣母百花圣殿的穹頂。

意大利佛羅倫薩的圣母百花圣殿

@wikipedia

圣母百花圣殿穹頂是建筑史上的一大疑案之一，建筑學(xué)家們直到現(xiàn)在也沒(méi)有完全搞明白這座成型于15世紀(jì)的穹頂是怎么被造出來(lái)的。

圣母百花圣殿穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)師 Filippo Brunelleschi 本來(lái)是個(gè)制表匠，沒(méi)有接受過(guò)正統(tǒng)的建筑學(xué)訓(xùn)練。在他的年代，穹頂一般是半球形。但是當(dāng)時(shí)佛羅倫薩市政廳要求 Brunelleschi 造一個(gè)八面穹頂出來(lái)。

圣母百花圣殿穹頂?shù)牡撞啃螒B(tài)

@national geographic

這個(gè)穹頂非常巨大，沒(méi)人知道應(yīng)該怎么造，而且市政廳的限制很多。最終，Brunelleschi 用了一種人字斜紋圖案（herringbone）搭建穹頂。豎著的磚塊相當(dāng)于書立，差不多一周能建一層，所以這個(gè)穹頂花了16年才建完。

圣母百花圣殿穹頂?shù)娜俗中奔y圖案

@national geographic

可是問(wèn)題來(lái)了，在建造的時(shí)候，Brunelleschi 沒(méi)有采用支撐系統(tǒng)——支模（falsework），就是說(shuō)圣母百花圣殿穹頂是架空造的，磚頭不是在一個(gè)基座上碼起來(lái)的。

利用支模建造拱頂

@Federico Fallavollita & Marta Salvatore

此外，這個(gè)穹頂?shù)牡撞繉?shí)際上是一個(gè)不完美的八邊形，幾何中心不在正中。

那么，Brunelleschi 是怎么防止磚頭滑落，并且還要以完美的精準(zhǔn)度堆砌磚塊呢？Brunelleschi 死的時(shí)候沒(méi)有留下任何相關(guān)藍(lán)圖和文本，這給后人的研究造成了很大困難。

@national geographic

一些人認(rèn)為他采用了繩子作為空間輔助線，不過(guò)導(dǎo)繩怎么用則有各種各樣的說(shuō)法。

幾種可能的導(dǎo)繩設(shè)計(jì)

@national geographic

其中一種方式，就是利用圣母百花圣殿的隱藏花朵。

意大利佛羅倫薩市的公共檔案和檔案館里藏著目前唯一關(guān)于穹頂設(shè)計(jì)的文件。這是當(dāng)時(shí)的一位評(píng)論家 Giovanni di Prato 抨擊 Brunelleschi 的羊皮紙文件。原來(lái)，這位評(píng)論家為了手撕 Brunelleschi 的設(shè)計(jì)，非常詳細(xì)地記錄了 Brunelleschi 的導(dǎo)繩工作平臺(tái)的一種花形設(shè)計(jì)。他認(rèn)為這種設(shè)計(jì)會(huì)讓穹頂坍塌。

Giovanni di Prato 抨擊 Brunelleschi 的羊皮紙文件。左下角是 Brunelleschi 采用的導(dǎo)繩平臺(tái)的導(dǎo)軌，外側(cè)有一圈花樣圖案。

@wikipedia

但是佛羅倫薩大學(xué)的建筑學(xué)家 Massimo Ricci 卻認(rèn)為，這朵隱藏的8瓣花實(shí)際上就是 Brunelleschi 導(dǎo)繩的秘密參照物。Ricci 推測(cè)，當(dāng)時(shí)，Brunelleschi 利用這朵花，讓導(dǎo)繩在虛空中畫出了一個(gè)直紋曲面，而導(dǎo)繩另一段就畫出了磚頭的參考線。工人們拉著導(dǎo)繩鋪設(shè)磚塊，所以穹頂才能變得這么堅(jiān)固整齊。

佛羅倫薩大學(xué)的建筑學(xué)家 Massimo Ricci 推測(cè)，Brunelleschi 利用百花構(gòu)造雙曲面，從而得到堅(jiān)固的穹頂。

這朵花可能就是 Brunelleschi 想要掩埋的真相吧。

那個(gè)，雙曲面也可以由圓柱體扭成。

如果把其中一端卷起來(lái)的話，從上方看是這樣的——

對(duì)了，這個(gè)雙曲面馬克杯叫做 twizz mug ，也被網(wǎng)友叫做屁股杯 butt mug，也是生動(dòng)形象了。