飛蛾為什麼要撲火?

飛蛾撲火看似一個普遍的自然現象,但其實是存在一定的科學依據的,而且並不是飛蛾自願要撲火的,想知道飛蛾撲火的原因就需要弄明白下面的一個概念,

對數螺線

大自然中存在著一種神奇的法則,那就是有趣的對角螺線法則。

提及對數螺線,可能很多人都是一頭霧水,但它在自然中卻是廣泛存在的,甚至與我們的生活和行為都密切相關,下面就由我來一一敘述。

對數螺線(Logarithmic spiral),又叫等角螺線。等角螺線即在座標中,螺線和射線的夾角始終是一個固定值。如上圖所示,紅線和從原點射出的任意一條射線的夾角都是固定的。

飛蛾為什麼要撲火?

對數螺線

上圖所描述的就是一個等角螺線。

其實早在2000多年以前,古希臘數學家阿基米德就對螺旋線進行了研究。

公元1638年,著名數學家笛卡爾首先描述了對數螺旋線(等角螺旋線),並列出了螺旋線的解析式。這種螺旋線有很多特點,其中最突出的一點就是它的形狀,無論你把它放大或縮小它都不會有任何的改變。就像我們不能把角放大或縮小一樣。

其實二維螺旋線分很多種類,像:

阿基米德螺線

費馬螺線

等角螺線

雙曲螺線

連鎖螺線

斐波那契螺線

歐拉螺線

等等......

既然提到了等角螺線,就不能不提斐波那契螺線,簡單的說一下斐波那契螺旋線

首先是斐波那契數列:

1,1,2,3,5,8,13,21,34,55......

斐波那契螺線:

飛蛾為什麼要撲火?

斐波那契螺線

在自然界中有很多類似等角螺線的自然現象:

最常見的像鸚鵡螺的貝殼,

菊的種子玫瑰花的花瓣排列成等角螺線,

昆蟲以等角螺線的方式接近光源,

蜘蛛網的構造與等角螺線相似,

旋渦星系的旋臂差不多是等角螺線,

低氣壓(熱帶氣旋、溫帶氣旋等)的外觀像等角螺線,等等

飛蛾為什麼要撲火?

星系和氣旋

其實不僅在在自然界中,也有很多現象和我們人類的自身行為有關,在實際應用中非常有趣的等角螺線。

飛蛾為什麼要撲火?

甩頭髮甩出的水珠軌跡類似對數螺線

下面我們就來說一說為什麼飛蛾撲火與等角螺線相關了

在自然條件下,夜晚活動的蛾子等昆蟲都是靠月光和星光來導航,因為月亮距離地球很遠,所以這些光都看作是近似的平行光,這些昆蟲可以作為參照來做直線飛行。蛾子只要按照固定夾角飛行,就可以飛成直線,這樣飛才最節省能量,符合自然規律。

飛蛾為什麼要撲火?

正常光線下飛蛾的飛行軌跡

但當自然界中出現明火,等人造光源時,這就是點光源,光線從中心放射出去,這些小昆蟲還以為按照與光線的固定夾角飛行就是直線運動,省能量,但卻飛成了等角螺線,最後飛到火裡去了,額。

飛蛾為什麼要撲火?

人造光源等點光源下蛾子的飛行軌跡


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