Talento Matemático 2002/2003. Real Academia de Ciencias

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1 Volvemos al hermoso tema de la simetría. Además de la imágenes de multitud de objetos y de seres vivos que poseen simetrías recuerdas en qué consistía una simetría desde el punto de vista matemático?, y a qué llamábamos movimiento? Teníamos una lista de todos los movimientos posibles en un plano... 1

2 1. Mundo tridimensional Saltamos al espacio: un objeto geométrico bien conocido es el dado o cubo puedes encontrar los movimientos que lo dejan tal como es? Y la lista de movimientos, será la misma en el espacio que en el plano? Tendremos reflexiones y giros pero con respecto a qué objetos? Además, en tres dimensiones hay muchas más posibilidades que en dos, seguro que aparece algún movimiento nuevo... Encuentra la lista completa y para cada movimiento piensa en algún objeto que se quede quieto cuando se lo aplicas. 2

3 En el mundo de la química, existe una molécula con una estructura increíblemente inusual y con el mayor número de simetrías entre todas las moléculas conocidas. Esto la hace ser especialmente bella y además le aporta propiedades físicas y químicas inusuales. El buckminsterfulereno está formadopor60átomos de carbono, cada uno de los cuales ocupa una posición equivalente. Las uniones químicas entre estos átomos siguen el mismo patrón que las costuras de una pelota de fútbol, como se muestra en la figura. 3

4 Te atreves a encontrar algunas de (o todas) sus simetrías? Pista: Posee las mismas que un icosaedro regular, porque se obtiene de él cortando cada vértice para obtener las 12 caras pentagonales y 20 hexagonales de un icosaedro truncado. Si te sigue resultando difícil, prueba primero con las de una molécula que tenga 6 átomos, pensando que cada uno es una pequeña esfera situada en un vértice de un hexágono regular. 4

5 2. Los grupos de simetría Volvemos a la estrella de mar: si te has fijado bien, hay diez posibles movimientos que la dejan quieta : las rotaciones de ángulo 360/5 =72, 2 72 = 144, 3 72 = 216, 4 72 = 288 y 5 72 = 360 alrededor de su centro y las reflexiones respecto a las rectas que parten de cada una de sus puntas. Imagina que aplicas dos de estas transformaciones seguidas. Por ejemplo, una rotación de ángulo 72 seguida de otra rotación de ángulo 144. Qué le ocurre a la estrella? Qué transformación obtienes al combinar o componer esas dos rotaciones? Pasará lo mismo con otras combinaciones? Acabas de comprobar que la colección de simetrías que posee un objeto no es una colección cualquiera, tiene una estructura especial: la combinación de dos simetríasesotravezunasimetría. Matemáticamente, a esto se le llama tener estructura de grupo. El de las simetríasdelaestrellademar(odeunpentágono regular) se llama grupo diédrico de orden 5, D 5. En un grupo debe cumplirse además que: existe un elemento inofensivo, llamado elemento neutro, que al ser combinado con cualquier otro, no lo altera. Es como el 0 al sumar o el 1 al multiplicar. Quién hace de elemento neutro en el grupo de simetrías de un objeto? cada elemento tiene su media naranja, llamada elemento inverso del elemento original: al combinar los dos, en cualquier orden se 5

6 obtiene el elemento neutro. Encuentra el inverso de cada una de las simetrías de la estrella de mar. También tienen la propiedad asociativa. Peroatención, no tiene por qué cumplirse la propiedad conmutativa. Podríamos pensar de repente que cualquier conjunto va a ser un grupo. Considera, por ejemplo, en el cuadrado, todas las reflexiones en los ejes de simetría. Qué ocurre al combinar dos de ellas? Grupos famosos: Además de Estopa, Mago de Oz... claro. El propio Leonardo da Vinci estudió todas las posibles simetrías de un edificio con capillas adyacentes, demostrando un resultado matemático: todos los grupos de transformaciones del plano con un número finito de elementos son, o bien algún grupo diédrico D n, oalgún grupo de los llamados cíclicos de orden n o simplemente Z n (un ejemplo de Z 3 son las rotaciones de ángulo múltiplo de 360/3 = 120). Antes hemos trabajado con poĺıgonos regulares. Euclides demostró que existen exactamente 5 sólidos regulares (sus caras son poĺıgonos regulares idénticos y el conjunto de caras compartido por un vértice es siempre el mismo). De hecho, Platón ya los conocía y por eso se les llama sólidos platónicos. 6

7 Las esferas de Kepler Losgruposdesimetría de los sólidos platónicos son especialmente interesantes. Ya hemos visto que, para el cubo, el grupo de simetría tiene 48 elementos De ellos, 24 son rotaciones y 24 reflexiones. El resto tienen grupos de: 48 elementos (octaedro), 120 (dodecaedro e icosaedro) y 24 (tetraedro). De hecho, en vez de cinco grupos diferentes, existen sólo tres, llamados octaédrico, icosaédrico y tetraédrico respectivamente. Por qué razón cubo y octaedro, por ejemplo, tienen el mismo grupo de simetría? Piensa en el sólido que obtienes al considerar los centros de las caras del cubo como centros de un nuevo sólido. Encuentras la razón por la que el tetraedro baila solo? 7

8 3. La geometría es simetría Poniendo el mundo al revés, la simetría no es una casualidad o un accidente de la geometría..., ah! no? Desempeña un papel muchísimo más importante. Empecemos diciendo que se puede hablar de diferentes geometrías. Probablemente, todos conocemos la de Euclides: la primera. En ella se habla de ángulos, longitudes, áreas, etc. A todos nos parece natural pensar en esos términos y a todos nos suena que la suma de los ángulos de un triángulo es 180 o. Pero, por ejemplo, la geometría de la superficie de una esfera, es igual que la anterior? Si dibujamos un triángulo en la cáscara de una naranja, nos parece que sus ángulos suman 180 o? Quéestápasando?Lageometría esférica es una geometría diferente de la eucĺıdea, pero igual de lógica y consistente. Simplemente parte de premisas diferentes. 8

9 ...Nosevayantodavía, aún hay más...lageometría proyectiva, por ejemplo, modeliza la manera de ver del ojo humano y, entre otras cosas, distorsiona las longitudes: lo lejano lo vemos pequeño, etc. En ella, dos rectas en un plano siempre se cortan, no existen las rectas paralelas de la geometría eucĺıdea. Por ejemplo, cómo vemos dos vías del tren al mirar al horizonte? Esta geometría ha sido utilizada frecuentemente por los artistas para recrear la perspectiva. Y qué tiene que ver todo esto con la simetría? Pues que las diferentes geometrías surgen como consecuencia de las simetrías. Pero... qué estamos diciendo? Por ejemplo, si pensamos en los grupos de simetría y tomamos el de los movimientos del plano, sabemos que la distancia, propiedad típica de la geometría eucĺıdea,seconserva.si,encambio,consideramos el grupo de las proyecciones, ya no se conserva la distancia pero sí por ejemplo el hecho de dos rectas se corten o varios puntos estén alineados, y entonces estas propiedades son las típicas de la geometría proyectiva... 9

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