Entrades amb l'etiqueta ‘simetria’

El trencaclosques del besavi

dijous, 31/01/2019

Fa pocs dies vaig anar a veure l’avi dels meus fills (li diem avi, però de fet és besavi: ja té tres besnéts). Aquest any en farà 99, i realment els porta d’allò més bé. Durant la conversa vam parlar d’actualitat, d’ètica, de política, de ciència, d’energies renovables, d’internet, dels mòbils i del problema dels qui volen fer negoci amb les nostres dades i metadades.

En un cert moment, va treure quatre peces idèntiques que a primera vista semblaven troncs de piràmide de base trapezoïdal. Em va dir: “saps fer una piràmide, amb aquestes peces?”. Les peces, totes iguals, tenien base trapezoïdal i eren simètriques en el sentit-dreta-esquerra. El primer que vaig pensar és que la piràmide final havia de ser un tetraedre, perquè teníem 4 peces i sabem que el tetraedre té 4 vèrtexs i 4 cares. Vaig estar fent proves uns minuts, i finalment (sortosament) me’n vaig sortir. Certament, era un tetraedre regular. Les quatre peces i el resultat final eren com les que teniu a la imatge de dalt, però de fusta. L’avi va continuar amb preguntes: És antic, aquest trencaclosques? Qui el va inventar? Com s’han fabricat, aquestes peces? Com es pot calcular la seva forma? El cert és que en aquell moment no vaig saber contestar tot el que em preguntava.

No he trobat informació sobre qui va inventar aquest trencaclosques i sobre si és molt antic. Però les seves preguntes em van tenir ocupat uns dies. Vaig començar a pensar. És cert que cada peça té 8 vèrtexs, i és fàcil veure que tots menys un, a la construcció final, es veuen. Els quatre vèrtexs (un de cada peça) que queden amagats, han de coincidir en un sol punt interior al tetraedre. Per simetria, aquest punt ha de ser el centroide del tetraedre regular final. Les cares del tetraedre es construeixen a partir de determinades cares de les peces, cosa que comporta un bon grapat de relacions geomètriques que van determinant la forma d’aquestes peces…

El resum de tot plegat el teniu en aquest retallable que he preparat (vegeu la nota al final si teniu ganes de saber-ne més). Si voleu jugar-hi amb els vostres fills, nebots, néts o amics i reptar-los a fer el trencaclosques, només heu d’imprimir el retallable 4 vegades, dibuixar-li “ales” a algunes arestes per poder unir les peces, retallar-lo, doblegar-lo i enganxar les seves cares fins acabar fent les quatre peces de la imatge de dalt. He de dir que és un retallable que no he trobat a cap pàgina web. No he dibuixat “ales” al retallable per a mostrar la simplicitat i simetria de la forma desplegada. I bé, quan tingueu les quatre peces, si no veieu com muntar el tetraedre, podeu llegir el darrer paràgraf de la nota al final.

He de dir que, tot cercant per internet, el que sí he trobat són dos trencaclosques més per a construir un tetraedre. Els trobareu en aquest document de la Universitat de Rice. Un d’ells té només dues peces i l’altre en té 4, que en aquest cas són piràmides de base quadrangular que provenen de la subdivisió de les dues peces idèntiques del seu primer trencaclosques. El pdf de la Universitat de Rice conté també retallables per a construir els dos exemples.

En total teniu tres retallables amb els que podreu passar una tarda divertida fent primer deu peces (4+4+2 poliedres de cartolina o paper) i fabricant després un total de tres tetraedres regulars. Si en teniu ganes i ho feu, segurament gaudireu d’una excursió que endinsa els qui la fan en indrets d’un món tridimensional força desconegut mentre ens va descobrint lleis i valors universals d’aquesta disciplina que va meravellar Plató i que es diu geometria.

M’agraden els trencaclosques polièdrics tridimensionals. I el fet de la seva estructura 3D suposa un repte afegit perquè, malauradament, la nostra capacitat d’imaginació i raonament geomètric és molt més 2D que 3D. Feu només una prova (vegeu la nota al final): intenteu imaginar les direccions en 3D de les arestes amagades de les quatre peces quan el tetraedre ja està muntat. Els trencaclosques 3D són un repte, però també una lliçó de prudència: ens baixen els fums i ens ajuden a recordar, com bons aliments de la modèstia intel·lectual, que no tot és tan fàcil.

Que puguem continuar molt temps gaudint junts de trencaclosques com aquests i parlant de molts altres temes, avi!

———

Per cert, l’Oriol Junqueras, en un article inusual, diu que hi ha dues lliçons de la física quàntica que ens poden orientar en el compromís polític. Aquestes són la modèstia intel·lectual i la prudència. Ara bé, malgrat la modèstia i la prudència, hem d’intervenir. Cal compromís, diu, per intentar millorar el món i intentar fer justícia: uns valors que ens són universals, en la mesura que són compartits per tots els humans en qualsevol lloc del món i en qualsevol moment de la nostra història com a espècie.

———

NOTA: Com bé mostra el retallable, les quatre peces són idèntiques i tenen un eix de simetria dreta-esquerra. Això fa que el tetraedre final admeti dues construccions diferents amb les mateixes peces. Una, que podríem dir que “gira en el sentit de les agulles del rellotge, és la que mostra la imatge de dalt: a qualsevol de les cares del tetraedre, si ens situem en el trapezi de mida més gran i en sortim per l’aresta més petita de les dues que són paral·leles per a visitar la peça petita i finalment anar a la peça mitjana, estarem movent-nos en el sentit de les agulles del rellotge. Ara bé, és fàcil veure que podem disposar les peces de manera que el recorregut sigui anti-horari. Només cal que, a la cara més frontal de la imatge per exemple, fem que la peça gran contingui el vèrtex inferior esquerra del tetraedre en lloc d’incloure el seu vèrtex superior.

Si suposem que la mida de les arestes del tetraedre és 1, sabem que la seva alçada és 1/3 de l’arrel de 6. És fàcil veure a més que, a la construcció final, cada una de les 4 peces queda amb 7 vèrtexs visibles i un d’amagat. Lògicament i per simetria, els 4 vèrtexs amagats (un de cada peça) coincideixen en un punt O de l’espai que justament és el centroide del tetraedre final (punt a distància 1/12*arrel(6) de la base i que es troba a la intersecció dels sis plans de simetria que passen per cada una de les arestes del tetraedre). En aquest punt O convergeixen 4 arestes, totes amagades, en direcció a cada una de les 4 cares del tetraedre, cada una d’elles paral·lela a alguna de les arestes externes del tetraedre. Ara bé, si pensem en la silueta externa del tetraedre que es forma quan el mirem en una direcció arbitrària, ens adonarem que és un quadrilàter amb quatre arestes que anomenaré a, b, c i d. I justament, a, b, c i d defineixen les direccions de les quatre arestes amagades que conflueixen al punt O. Pensem en una d’elles (la a, per exemple). Com que a pertany a dues de les 4 cares del tetraedre, només pot definir la direcció que va de O a alguna de les dues cares que no la contenen (perquè la direcció de la recta que va d’un punt O a una cara que no conté O mai pot ser una direcció de la cara). Resumint, podem escriure una taula que indica, per a cada una de les 4 arestes a, b, c i d, les dues cares del tetraedre que són candidates a ser connectades amb O amb un segment que tingui la seva direcció. Però, curiosament, moltes de les possibilitats combinatòries que dona aquesta taula són invàlides i tot plegat permet arribar a la conclusió que només hi ha 2 configuracions acceptables, que corresponen a les construccions horària i anti-horària que hem comentat abans. En resum: un tetraedre, quatre peces idèntiques i simètriques que connecten entre elles en el centroide, dues úniques maneres de construir el trencaclosques: segons les agulles del rellotge o en sentit contrari.

Amb tot el que hem dit és fàcil veure que, al retallable, la dimensió de les 5 línies horitzontals (per a construir un tetraedre final d’aresta unitat) ha de ser de 1/4, 1/4, 3/4, 1/2 i 1/4. D’altra banda, la distància en vertical entre aquestes línies (indicant amb la lletra A l’arrel de 3) ha de ser de 1/4, (1/4)*A, (1/8)*A i (1/8)*A. I és fàcil comprovar que, amb aquestes mides, a la construcció final, els vèrtexs amagats coincideixen en el centroide O. No deixa de ser curiós que les 4 peces tinguin cada una d’elles una cara perfectament quadrada que evidentment quedarà amagada en el muntatge final.

Per a fer el trencaclosques i muntar un tetraedre regular, una bona estratègia és primer agrupar les peces dues a dues, connectant-les per les seves cares quadrades per així amagar-les. Veureu que, per cada conjunt de dues peces, només hi ha dos girs al voltant de la cara quadrada comú que construeixen un tros del tetraedre final. Ara bé, cal tenir en compte, com ja hem comentat, que una d’aquestes dues configuracions ens porta al tetraedre de sentit horari, mentre que l’altra condueix a la construcció anti-horària. Per tant, hem d’assegurar-nos que un i altre conjunt de dues peces siguin coherents entre sí pel que fa a la seva configuració “horària”. Evidentment, només en aquest cas els dos conjunts de dues peces encaixaran bé entre ells i ens donaran el tetraedre que cerquem.

La simetria i els missatges

dimecres, 5/02/2014

Simetries_PujarBaixar.jpg Rafael, Miquel Àngel i Leonardo da Vinci són la coneguda “trinitat” de grans mestres de l’alt renaixement Italià. Rafael va pintar el quadre que representa la sagrada família i l’anyell l’any 1507. Desprès de pertànyer a la col·lecció reial espanyola, el quadre va quedar dipositat al museu del Prado l’any 1837, on ara es pot veure.

Les dues versions que podeu observar aquí al costat són diferents, és clar. Si les mireu i compareu, tal vegada estareu d’acord amb mi que una i altra ens transmeten emocions diverses. En el quadre de l’esquerra el nen mira els seus pares, i la situació traspua tendresa. En el la dreta en canvi, Sant Josep mira el nen Jesús i sembla que l’estigui renyant mentre que el nen pot semblar que estigui demanant perdó.

De fet, l’única diferència entre ambdós quadres és que un és simètric respecte l’altre. El de l’esquerra és el quadre original de Rafael mentre que “la versió” de la dreta és la seva imatge en el mirall. Hi ha simetria respecte la línia vertical que passa pel mig dels dos. Si imprimiu i retalleu el conjunt dels dos quadres i després doblegueu el paper per aquesta línia vertical del mig, veureu que tots els detalls d’un i altre es superposen. Comento tot això perquè la setmana passada vaig assistir a una conferència que donava un bon amic: en José Martín Pereda, doctor honoris causa per la UPC i pare de la fotònica i de la recerca en làsers a Espanya. Ens va parlar d’aquest fenomen, de molts altres paranys perceptius i de la seva potencial utilitat en l’estudi dels nostres mecanismes cognitius. Com bon científic, va plantejar moltes més preguntes que respostes.

Mireu aquests trams rectes: / / / /

I observeu aquests altres: \ \ \ \

Quins trams diríeu que “pugen”? Els primers o els segons? I quins “baixen”? Els de dalt, o els de baix? Jo diria que els de dalt sembla que pugin mentre que els de baix sembla que baixin. És clar que es tracta d’una interpretació subjectiva, perquè les línies inclinades ni pugen ni baixen. És un tret perceptiu. És perquè, de manera inconscient, mirem el món, les fotos i els quadres amb un recorregut visual d’esquerra a dreta. Per això pensem que les primeres línies pugen i que les segones baixen. Fixeu-vos que si ens forcem a “llegir-les” de dreta a esquerra, tot canvia. En aquest cas, ens semblarà que les línies de dalt baixen i que les quatre línies de sota són les que pugen. Rafael va pintar el quadre de l’esquerra i no el de la dreta perquè volia transmetre la sensació que és el nen qui mira els seus pares en una situació de tendresa, i va intuir que aquesta era la millor manera de fer-ho. En les situacions pictòriques en que dues persones es miren, la recta que uneix els ulls d’un i altre no està orientada, i la geometria no prioritza cap de les dues mirades. Però el nostre cervell sí. Si aquesta línia que uneix els ulls d’un i altre és de les que pugen, “/”, tindrem la sensació que la persona de sota mira la de dalt; si en canvi és de les que baixen, “\”, pensarem que la persona que mira és la de dalt. El missatge en un i altre cas és diferent perquè la inclinació ens defineix qui és el subjecte actiu.

Encara falta molt temps i molta experimentació, anàlisi i estudi fins que puguem arribar a entendre la influència de les simetries en els nostres mecanismes perceptius. El cervell filtra i fa interpretacions. Moltes vegades encerta, per això els nostres avantpassats van sobreviure i nosaltres ara som aquí. Algunes vegades podem entendre com es fa aquest filtrat si estudiem petits fenòmens com l’efecte d’aquestes simetries.

Els sistemes perceptiu i cognitiu humà són el resultat de moltíssims anys d’evolució en un món que és quasi-simètric entre dreta i esquerra però que en canvi no ho és en la direcció dalt-baix. El Sol a dalt i la gravetat que ens manté a terra han esculpit éssers vius amb un dalt i un baix ben diferenciats. Si capgirem la foto d’un arbre, tothom se’n adona. Però el canvi dreta-esquerra de les imatges en el mirall és molt més subtil. Per això els miralls els posem al costat i no a dalt. I per això disposem de mecanismes inconscients per a analitzar sistemàticament i amb cura aquesta dimensió lateral. La mirada que escombra d’esquerra a dreta ens ajuda a entendre i interpretar la realitat.

Per cert, Eric Labuske diu que no es creu que estiguem sortint de la recessió. Comenta que el que importa a la gent és si podrà trobar feina i si podrà menjar.

Per què els miralls permuten dreta i esquerra?

divendres, 24/08/2012

Mirall2.jpg Tots ho sabem. Quan ens mirem al mirall, veiem l’anell que portem a la mà esquerra, a la mà dreta de la nostra imatge reflectida. I si mirem un llibre a través d’un mirall (com a la foto) ens costa llegir el text perquè ho hem de fer d’esquerra a dreta.

Però en un mirall gran, de paret, quasi tots els objectes de l’habitació es veuen igual, sense canvis. Això és perquè molts dels nostres objectes (cadires, taules, gerros) tenen la seva part dreta idèntica a la seva part esquerra. Només els llibres, els rellotges i pocs altres objectes ens fan adonar que estem observant l’habitació a través d’un mirall. Coneixeu aquest poema de Joan Brossa?:

A L’ESQUERRA
ATERD AL A

Fixeu-vos ara en aquest text:

DECIDEIX: HO DEIXO DE BOIX

Què passa si el poseu davant del mirall? I si ara, davant del mirall, doneu mitja volta a la pàgina (o a la pantalla de l’ordinador) tot capgirant-la? Què està passant?

Perquè els miralls permuten dreta i esquerra però en canvi no permuten dalt i baix? Perquè, en un text, les paraules de cada línia es veuen invertides en el sentit dreta-esquerra però en canvi la línia de dalt continua veient-se sobre la de sota? Perquè els miralls prefereixen el sentit dreta-esquerra al sentit dalt-baix?

Aquest és un cas on el nostre coneixement acumulat en base a l’experiència ens és insuficient. Ens ho va explicar molt bé en Martin Gardner al seu llibre “The Ambidextrous Universe”.  Els miralls no permuten dreta i esquerra: permuten davant i darrera. Qualsevol imatge en un mirall, nostra, d’una cadira o d’un llibre, ens apareix amb el davant i el darrera permutats. En termes geomètrics, el que veiem és l’objecte simètric, respecte al pla de simetria del mirall. El que passa és que nosaltres, que som quasi simètrics en el sentit dreta-esquerra, ho interpretem (incorrectament) com que el mirall ens està permutant la dreta amb l’esquerra. Però quan ho repensem tot plegat des de l’òptica de que el que s’inverteix és el davant amb el darrera, tot lliga. El raonament serveix tant per persones i animals com per cadires, rellotges, llibres o qualsevol altre objecte.

La regla dels miralls és simple, encara que una mica sorprenent. Qualsevol objecte simètric (que tingui algun pla de simetria) el veiem bé, a la seva imatge reflectida al mirall. Els objectes simètrics els podrem sempre girar de manera que coincideixin amb la seva imatge reflectida. En canvi, la imatge en el mirall d’un objecte no simètric, és la imatge d’un altre objecte; d’un objecte alguns cops absurd i inexistent com en el cas dels rellotges. En els objectes no simètrics, l’objecte i la seva imatge reflectida formen una parella d’objectes semblants però diferents, com les nostres mans dreta i esquerra. Se’ls anomena enantiomorfs (del grec “enantios”, oposat i “morph”, forma). L’entorn d’Alicia al país de les meravelles és el dels enantiomorfs…

Al mon microscòpic, al de les molècules, la no simetria i els enantiomorfs son molt habituals. Per posar només un exemple, la molècula del sucre del raïm (la dextrosa) és enantiomorfa de la molècula del sucre d’altres fruites i de la mel (la levulosa). La hèlix o escala de cargol d’una és la inversa, la imatge reflectida de l’altra. Tots els àtoms són idèntics, simplement estan disposats en hèlixs inverses. El nostre cos ho sap detectar perfectament: la dextrosa o glucosa és l’aliment de les cèl·lules, mentre que la levulosa no. La levulosa ha de ser processada pel fetge, abans.

Acabo amb un petit entreteniment. Es tracta d’escriure frases curtes, utilitzant només les lletres A, H, I, M, O, T, U, V, X (en majúscules). Després, intenteu escriure frases només amb les lletres B, C, D, E, H, I, O, X, K (les primeres són simètriques en sentit dreta-esquerra, mentre que les segones ho son en sentit dalt-baix). Podeu provar d’escriure palíndroms, i d’escriure els texts en horitzontal i en vertical. Podeu preveure en quins casos el text es llegirà bé quan el mirem a través del mirall?