圆周率日:从航天计算到癌症研究,圆周率在科研中的多重应用

每年3月14日,数学爱好者与甜点爱好者都会庆祝“圆周率日”。这一日期对应数学常数圆周率(π)的前三位数字“3.14”。圆周率表示圆的周长与直径之比,近似为3.14159,但其小数位会无限延伸。在基础教育中,它常用于计算圆的面积或圆柱体体积,而在科研与工程领域,圆周率也被广泛用于各类计算与建模。

圆周率日的起源可追溯至1988年。旧金山探索馆(Exploratorium)科学博物馆的物理学家拉里·肖(Larry Shaw)在当年发起相关活动。探索馆公共项目主管萨姆·沙克兰(Sam Shaklan)回忆称,肖希望借助这一数学概念吸引公众参与并感受数学学习的乐趣。肖于2017年去世。

据介绍,圆周率日最初是馆内员工的小型庆祝活动,并配有派点心。随后活动规模扩大,逐渐发展为游行形式:数百名游客围绕被称为“圆周率圣地”的区域行进,每人举着一个数字。沙克兰表示,参与者常会提前到场以选择自己偏好的数字;其中一名颈部纹有圆周率符号的女性每年都会到场,并举着圆周率旗帜走在队伍前列。庆祝活动通常在下午1点59分开始,以呼应圆周率数字中的“159”。

航天计算中的圆周率

在航天与航空航天工程中,圆周率被视为基础常数之一。加州大学洛杉矶分校(UCLA)机械与航空航天工程教授阿图尔·达沃扬(Artur Davoyan)表示,圆周率几乎出现在用于各类计算的公式中,包括航天器运动、材料及其性能评估,以及推进系统相关计算。

达沃扬指出,任何与圆形或周期性、重复性质相关的现象——例如无线电波——都会涉及圆周率。即便是正方形或不规则形状,也可分解为一系列逐渐变小的圆并据此进行计算。

达沃扬的研究方向之一是探索新型推进系统,以帮助航天器更快抵达太阳系更远区域并将信息传回地球。他提到,美国国家航空航天局(NASA)于1977年发射的旅行者1号与旅行者2号,分别在2012年和2018年进入星际空间。

在深空通信中,NASA需要计算地球绕太阳公转轨道的精确位置,并在通信天线设计中使用圆周率;当科学家接收并解析探测器传回的复杂信号时,也会再次用到圆周率。达沃扬还表示,如果接收到未知来源的信息,研究人员往往会尝试将其分解为更简单的函数形式,而在这一过程中圆周率会自然出现。

微流体与生物医学研究中的圆周率

在微量流体研究中,圆周率同样频繁出现。UCLA塞缪尔工程学院生物工程系主任迪诺·迪卡洛(Dino Di Carlo)介绍,其研究涉及利用聚合物制造微小颗粒,用作承载细胞的“微型试管”,以便观察细胞功能及其内部结构。

迪卡洛表示,圆周率常用于计算液滴形成过程、描述液滴分裂的表面张力相关计算,以及研究人员对液滴体积大小的控制。

在应用层面,迪卡洛利用相关技术寻找抗体——即人体内用于对抗疾病的小蛋白质——以期阻断癌细胞发出的信号。此外,圆周率在液体通过管道与障碍物流动的计算中也具有重要作用,例如居家新冠病毒检测中样本缓慢侧向流动的过程。

迪卡洛还据此设计了一种新的莱姆病检测方法,可在20分钟内完成检测,而此前相关检测通常需要数天或数周。他表示,作为工程师与科学家,圆周率已成为日常工作的一部分。

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