■空間充填14面体(その6)

 14面体というと,ケルビンの14面体,ウィリアムスの14面体の他に,重角錐台型(4^126^2)やねじれ重角錐台型(5^126^2)も考えられます.ねじれ重角錐台型はケルビンの14面体と区別するために「ゴールドバーグの14面体」と呼ばれています.ゴールドバーグの14面体はspace fillerではありませんが,ウィア・フェランの14面体にでてくる多面体です.

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【1】ゴールドバーグの14面体

                 五角形面  平均会合面数  空間分割

  α−14面体(4^66^8)    なし    5.143    可

  β−14面体(4^25^86^4)  あり    5.143    可

  重角錐台 (4^126^2)     なし    4.286   不可

  ねじれ重角錐台 (5^126^2)  あり    5.143   不可

  m≦6−12/f<m+1

とおいて,どの面もm角形またはm+1角形からなる多面体をメディアル多面体と呼びます.6−12/fが多面体の平均辺数になっているからです.

 f≧12のとき,メディアル多面体の構成は5^126^(f-12)になります.f=11のときf4=1,f5=10,f=13のときf5=12,f6=1となるのですが,f=11,13のときメディアル多面体は存在しません.

 また,4≦f≦15(f≠11,13)のとき,メディアル多面体はちょうどひとつあります.とくにf=4,6,12に対し,メディアル多面体は正四面体,立方体,正12面体になっています.f≧16のとき,メディアル多面体は少なくとも2種類あります.

 f=14のときメディアル多面体は5^126^2型のねじれ重角錐台(truncated double skew pyramid)となります.もし,ゴールドバーグの予想が正しければ,f=14のときの等周比の最小値はケルビンの14面体(4^66^8)ではなく,ゴールドバーグの14面体(5^126^2)によって達成されることになります.

  M. Goldberg: The isoperimetric problem for polyhedra, Tohoku Math. J. 40, 226-236(1935)

によれば

          等周比

  4^66^8    150.123

  5^126^2    143.89   (軸の傾き:26°50′)

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【4】ウィア・フェランの極小曲面

 同じ体積の泡が集まっているときに,境界面積が最小となる泡の形は何だろうかという問いに対して,ケルビンの14面体(4^66^8)は100年以上もの間,最も効率よく空間を充填する多面体として最善の答であったが,本当に表面積を最小化する多面体であるのかというと否定的であって,実はこの問題はいまでも未解決問題となっている.

 もし,体積が同じで形の異なる2種類の多面体を組み合わせてみたら,ケルビン問題の反例がみつかるのでは・・・.そして,1994年,アイルランドの物性物理学者,ウィアは合金構造をヒントにもっと面積が小さくなる解を発見した.それは同じ体積の2種類の多面体による空間充填であって,不等辺五角形の面をもつ12面体(5角形12枚)と14面体(5角形12枚と6角形2枚:ゴールドバーグの14面体)が1:3の割合で並ぶものである.

 もちろん,この12面体は正十二面体ではないし14面体もケルビンの14面体ではない.そして,ウィアの空間充填ではウィリアムズの14面体(4^25^86^4)の場合と同様に辺や面には微妙な曲がりが含まれている.また,ウィアの空間充填ではウィリアムズの14面体よりも多くの五角形の面をもつという特徴もあげられる.

 そしてこれらの多面体の表面積はケルビンの14面体よりも0.3%小さいことが判明したのである.曲面の高精度計算がコンピュータでできるようになったことがこの新発見に繋がったのであるが,辺や面を微妙に調節することによって空間充填が可能となる.

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