杂耍的数学 [视频]

近几十年来,杂耍技术取得了巨大的进步,这部分归功于对可能模式的数学研究

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乔治·哈特的数学印象:自从数学家开始系统地研究非碰撞投掷的可能模式以来,杂耍在近几十年取得了巨大的进步。由于这项研究,杂耍者发现了许多新的尝试可能性。此外,杂耍与辫子代数之间的联系提供了另一种分析杂耍的方法。(相关:本系列的更多视频


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已故的计算机科学家克劳德·香农因其作为信息理论之父而享有名望,但他也是一位狂热的独轮车爱好者、杂耍者和修补匠。他甚至用埃里克特套装的零件制造了自己的机器人杂耍机,通过将三个金属球弹到鼓上来对其进行编程,使其可以杂耍三个金属球。

在 1980 年代初,香农发表了第一个正式的杂耍数学定理,将球在空中停留的时间与每个球在杂耍者手中停留的时间相关联。他的定理证明了手速对成功杂耍的重要性。

自那以后,数学家们一直对杂耍着迷。“我认为这关乎理解杂耍模式中的秩序,”俄亥俄州首都大学的数学教授乔纳森·斯塔德勒说,他从十几岁就开始玩杂耍。“这与理解事物如何结合在一起有关。”

分解香农方程

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

F = 球在空中停留的时间
D = 球在手中握住的时间
H = 手的数量
V = 手空着的时间
N = 被杂耍的球的数量

本质上,杂耍归结为简单的抛物运动,每个球在被抛出时都遵循一个整洁的抛物线弧线——只不过有多个球在周期性重复的模式中遵循相互交织的路径。对于单个杂耍者,有三种基本模式:瀑布式,其中奇数个球从一只手抛向另一只手;喷泉式,其中偶数个球在两个独立的列中杂耍;以及淋浴式,其中所有的球都抛成一个圆圈。更有经验的杂耍者可能会同时从一只手抛出多个物体,这种做法被称为多路复用。

投掷方式有很多种可能的组合,那么杂耍者如何决定哪些组合会产生有效的模式呢?他们通过一种称为站点交换的数学符号系统来实现,该系统将每个抛出的球与它在空中停留的时间联系起来,并用“节拍”来描述这一点。

例如,一拍投掷意味着杂耍者只是将球从一只手传递到另一只手。如果球被抛到空中,它到达的高度决定了球返回杂耍者手中所需的时间——两拍、三拍或更多拍。节拍越多,为了维持模式,球必须被抛得越高。由于有在线动画工具的可用性,杂耍者可以在现实世界中尝试技巧之前看到给定模式的外观。

最终,杂耍对数学家来说具有审美和智力上的吸引力。“当我看到一个漂亮的方程时,我的感觉与我看到一个漂亮的杂耍模式时的感觉是一样的,”澳大利亚莫纳什大学的伯卡德·波尔斯特说,他在 2002 年确实写了关于杂耍数学的书。“那里没有什么多余的东西。”

西蒙斯科学新闻西蒙斯基金会一个编辑独立的部门。其使命是通过报道数学以及物理和生命科学领域的研究进展和趋势来提高公众对科学的理解。

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