Pět Platónových těles


Platónova tělesa

Pravidelný mnohoúhelník má všechny strany stejně dlouhé a všechny úhly stejně velké. Lze mu opsat i vepsat kružnici. Obdobou pravidelných mnohoúhelníků v rovině jsou v prostoru pravidelné mnohostěny. Pravidelný mnohostěn je takový mnohostěn, jehož všechny stěny jsou shodné pravidelné n-úhelníky, a v každém jeho vrcholu se stýká stejný počet m hran.


Připomeňme si také, že pro každé celé číslo n ≥ 3 existuje pravidelný n-úhelník. Jistě by bylo možné předpokládat, že obdobně pro každé celé číslo n ≥ 4 by měl existovat pravidelný n-stěn. Ale není tomu tak. Pravidelných mnohostěnů, samozřejmě pokud máme na zřeteli jen jejich tvar a nikoliv velikost, známe pouze pět. Které to jsou, vyplývá z tabulky.

Zajímavé je, že těchto pět pravidelných mnohostěnů znali již starořečtí matematici počátkem 4.století př.n.l. Řecký filozof Platón (427-347 př.n.l.) jich dokonce používal k objasňování svého učení o podstatě hmotného světa tím, že krychli, osmistěn, čtyřstěn a dvacetistěn považoval za představitele čtyř základních živlů, jimiž byly podle jeho učení země, vzduch, oheň a voda, a dvanáctistěn za představitele jsoucna neboli všeho, co existuje.
Podobně bychom mohli rozvést i učení známého hvězdáře Johanna Keplera (1571-1630), podle něhož se tehdy šest známých planet pohybovalo okolo Slunce po kulových plochách vepsaných nebo opsaných pravidelným mnohostěnům. Například Země obíhá po kulové ploše procházející středy stěn pravidelného dvanáctistěnu (vepsaná kulová plocha) a Mars po kulové ploše procházející vrcholy pravidelného dvanáctistěnu (opsaná kulová plocha). Tuto Keplerovu teorii rozbil fakt, že vzájemná vzdálenost kulových ploch neodpovídala skutečným vzdálenostem planet od Slunce. Kromě toho známe dnes další tři planety: Uran, Neptun a Pluto.


Jak je možné, že pravidelných mnohostěnů je právě pět. Není možné, že jsme tvary některých mnohostěnů zatím neobjevili? Dokažme si, že tomu tak není.
Pro pravidelné mnohostěny můžeme odvodit vztah
kde je počet hran jednoho vrcholu a n ≥ 3 počet hran jedné stěny. Vyřešíme nerovnici pro všechna celá čísla m  ≥ 3 a n  ≥ 3. Řešením jsou pouze hodnoty uvedené v tabulce o mnohostěnech.
Nejjednodušší mnohostěn má roh tvořený třemi rovnostrannými trojúhelníky, další jich mají čtyři nebo pět. Šest rovnostranných trojúhelníků s jedním společným vrcholem poskládáme do roviny, takže nemohou tvořit povrch mnohostěnu. Stejné to bude, když spojíme čtyři čtverce. Podobně tři pravidelné pětiúhelníky v jednom vrcholu jsou maximum. Šestiúhelníky a mnohoúhelníky s více než šesti stranami jsou také vyloučeny.
V 18.století formuloval Leonard Euler (1707-1783) vztah pro každý konvexní mnohostěn:
vztah mezi počtem vrcholů v, hran h a stěn s. Byl to empirický objev získaný pozorováním, kterému vyhovují i údaje uvedené v naší tabulce pro pravidelné mnohostěny.
Jistě jste si v tabulce všimli této symetrie:


O krychli a osmistěnu říkáme, že jsou duální mnohostěny. Všimněte si, že středy stěn krychle jsou vrcholy pravidelného osmistěnu a naopak středy stěn pravidelného osmistěnu jsou vrcholy krychle. Podobně jsou navzájem duální i pravidelný dvanáctistěn a pravidelný dvacetistěn. Pravidelný čtyřstěn je duální sám se sebou.


Zkusme uvažovat, proč byl právě dvanáctistěn oblíbenou hračkou etruských dětí před 2500 lety, jak ukázaly vykopávky v Monte Loffa u Padovy. Pythagorejcům mohl být znám pravidelný osmistěn a dvanáctistěn - dvanáctistěn proto, že v tomto tvaru krystalizují pyrity vyskytující se v Itálii a že s modely takových tvarů jako s ornamenty nebo s magickými symboly se setkáváme právě u Etrusků.
Krychle a čtyřstěn také slouží lidem při jejich budovatelském úsilí i hráčských vášních. Dosvědčují to dětské kostky i konstruktivistická architektura. Proč má hrací kostka z Ptolemaiovy doby vystavená v egyptologických sbírkách Britského muzea právě tvar dvacetistěnu? Proč se od dávných dob až po naše časy užívají svítilny ve tvaru pravidelného osmistěnu, i když jejich vnitřek prodělal vývoj od svíčky k výbojce?
Pěti pravidelným mnohostěnům se ve své knize "O božském poměru" věnuje i jeden z nejvýznamnějších matematiků své doby Luca Pacioli (1445-1514). Kniha nazvaná podle "zlatého řezu" byla podle Vitruvia věnována architektuře, pěti Platonovým tělesům a také proporcím lidského těla. Vyobrazení mnohostěnů na 59 tabulkách pro svého přítele zhotovil Leonardo da Vinci, který si s oblibou vyráběl dřevěné kostry mnohostěnů.
Co božského našel na pěti jednoduchých tělesech Luca Pacioli, který žil více než dva tisíce let po Platonovi? Je to jen ozvěna Platonova okřídleného rčení "Bůh činí vždy geometricky"? Nikoliv, mnich Luca Pacioli myslil realističtěji: Bůh se jako geometr neprojevuje vždy, ale jen někdy. Zejména v případě tzv. zlatého řezu. Pacioli zjistil, že je třináct projevů této božské proporce, a hledal je v nejdokonalejších matematických výtvorech, pěti platonovských tělesech. Zhotovil je ze skleněných destiček a věnoval různým velmožům do jejich sbírek. Kapitola "O dvanácté, téměř nadpřirozené vlastnosti" pojednává o pravidelném dvacetistěnu.
Podívejme se na tuto dávnou hrací kostku pozorněji. V každém vrcholu se stýká pět trojúhelníků a jejich třetí strany tvoří pravidelný pětiúhelník. Spojíme-li dvě protilehlé hrany dvacetistěnu, dostaneme obdélník, který také bezprostředně souvisí s božskou proporcí: Jeho delší strana je k menší ve stejném poměru jako součet stran k delší.


Dvanáct vrcholů dvacetistěnu tedy tvoří dvanáct vrcholů tří zlatých obdélníků, které leží ve třech navzájem kolmých rovinách.

Jeho model tedy můžeme jednoduše udělat ze tří stejných čtvrtek papíru s poměrem stran j. Jejich společný průsečík je střed dvacetistěnu. Hrany, které se protínají v jednom vrcholu tohoto tělesa, náleží pravidelnému pětibokému jehlanu, jehož podstavu tvoří strany zlatého obdélníku, jehož delší strana je uhlopříčkou pravidelného pětiúhelníku tvořícího podstavu jednoho z jehlanů.
Dvacetistěn souvisí s ještě jednou matematickou perličkou, problémem líbajících se koulí, který se stal předmětem sporu Isaaca Newtona s oxfordským astronomem Davidem Gregorym.
Newton nedokázal Gregoryho přesvědčit, že maximální počet shodných koulí, které se všechny dotýkají jedné další s nimi shodné koule, je nanejvýš třináct včetně koule líbané.


Škoda, že se tenkrát ještě nehrál pingpong, mohli si udělat pokus. Bez ohledu na pověry vzít třináct míčků a stáhnout je průhlednou gumovou blánou. Přesvědčili by se, že dvanáct koulí se rozmístí do vrcholů pravidelného dvacetistěnu a obklopí třináctou. Mezi nimi však zůstane trochu vůle. Je dost velká, aby se tam vmáčkla ještě čtrnáctá koule? O to vlastně jde. Koule můžeme všelijak přeskupovat, ale pro čtrnáctou se místo neuvolní.
Ale i ostatní mnohostěny mají mnoho zajímavých vlastností:
Osmistěn. Dvacetistěn může být vepsán do osmistěnu tak, že každý vrchol dvacetistěnu rozdělí hrany osmistěnu v poměru zlatého řezu.
Dvanáctistěn. Vepíšeme-li do pravidelného dvanáctistěnu tři navzájem kolmé zlaté obdélníky, budou jejich vrcholy ležet ve středech dvanácti pětiúhelníkových ploch.


Estetické působení těchto těles nemůžeme ničím vysvětlit, avšak skutečnost, že tato tělesa byla užívána po celé generace lidstva, je dostatečným důkazem.


Popular Posts

Most Popular