雜耍的數學 [影片]

近幾十年來,雜耍技術取得了巨大的進步,這部分歸功於對可能模式的數學研究

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喬治·哈特的數學印象:自從數學家開始系統地研究非碰撞投擲的可能模式以來,雜耍在近幾十年取得了巨大的進步。由於這項研究,雜耍者發現了許多新的嘗試可能性。此外,雜耍與辮子代數之間的聯絡提供了另一種分析雜耍的方法。(相關:本系列的更多影片


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已故的計算機科學家克勞德·夏農因其作為資訊理論之父而享有名望,但他也是一位狂熱的獨輪車愛好者、雜耍者和修補匠。他甚至用埃里克特套裝的零件製造了自己的機器人雜耍機,透過將三個金屬球彈到鼓上來對其進行程式設計,使其可以雜耍三個金屬球。

在 1980 年代初,夏農發表了第一個正式的雜耍數學定理,將球在空中停留的時間與每個球在雜耍者手中停留的時間相關聯。他的定理證明了手速對成功雜耍的重要性。

自那以後,數學家們一直對雜耍著迷。“我認為這關乎理解雜耍模式中的秩序,”俄亥俄州首都大學的數學教授喬納森·斯塔德勒說,他從十幾歲就開始玩雜耍。“這與理解事物如何結合在一起有關。”

分解夏農方程

(F + D) H = (V + D) N

F = 球在空中停留的時間
D = 球在手中握住的時間
H = 手的數量
V = 手空著的時間
N = 被雜耍的球的數量

本質上,雜耍歸結為簡單的拋物運動,每個球在被丟擲時都遵循一個整潔的拋物線弧線——只不過有多個球在週期性重複的模式中遵循相互交織的路徑。對於單個雜耍者,有三種基本模式:瀑布式,其中奇數個球從一隻手拋向另一隻手;噴泉式,其中偶數個球在兩個獨立的列中雜耍;以及淋浴式,其中所有的球都拋成一個圓圈。更有經驗的雜耍者可能會同時從一隻手丟擲多個物體,這種做法被稱為多路複用。

投擲方式有很多種可能的組合,那麼雜耍者如何決定哪些組合會產生有效的模式呢?他們透過一種稱為站點交換的數學符號系統來實現,該系統將每個丟擲的球與它在空中停留的時間聯絡起來,並用“節拍”來描述這一點。

例如,一拍投擲意味著雜耍者只是將球從一隻手傳遞到另一隻手。如果球被拋到空中,它到達的高度決定了球返回雜耍者手中所需的時間——兩拍、三拍或更多拍。節拍越多,為了維持模式,球必須被拋得越高。由於有線上動畫工具的可用性,雜耍者可以在現實世界中嘗試技巧之前看到給定模式的外觀。

最終,雜耍對數學家來說具有審美和智力上的吸引力。“當我看到一個漂亮的方程時,我的感覺與我看到一個漂亮的雜耍模式時的感覺是一樣的,”澳大利亞莫納什大學的伯卡德·波爾斯特說,他在 2002 年確實寫了關於雜耍數學的書。“那裡沒有什麼多餘的東西。”

西蒙斯科學新聞西蒙斯基金會一個編輯獨立的部門。其使命是透過報道數學以及物理和生命科學領域的研究進展和趨勢來提高公眾對科學的理解。

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