■もうひとつの14面体(その1)

 1887年,ケルビン卿(ウィリアム・トムソン)は14面体の集合によって空間を満たすことができ,そのときの界面積は菱形十二面体(rhombic dodecahedoron)で満たしたときより小さいことを発見しました.すなわち,14面体は表面張力を最小とする空間分割構造であると考えることができます.

 

 この14面体(α-14面体)は,3対の合同な四角形の面と4対の合同な6角形の面とで囲まれています.最も簡単な場合は,6個の正方形と8個の正六角形とからなり,すべての辺の長さが等しいもの,すなわち,切頂八面体(truncated octahedron)です.切頂八面体は16種ある準正多面体(アルキメデス体)のひとつです.

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 α-14面体は,長い間,単一の多面体で空間を隙間なく分割しうる唯一のものと信じられてきました.面を平面にするという条件下にはこれは今日でも通用することです.しかし,その条件を外せば,空間充填14面体にはもう1種類あることを,1968年になってウィリアムズが報告しています.これがβ-14面体ですが,この間,実に1世紀近い年月の隔たりがあります.

 

 β-14面体は,8個の合同な五角形と4個の合同な六角形と2個の合同な四角形をもち,それらの面は必ずしも平面である必要はありません.正方形の面は平面にできるのですが,その他の面はいずれも曲面(凸面,凹面,S字状の湾曲した曲面など)になります.

 

 α-14面体に比較しても,辺が曲線になったり,面が曲面を含む点で幾何学的性質の単純さは劣りますが,五角形の面をもつという利点があります.すでに説明したように,分割多面体では5角形の面が最も多いのですが,α-14面体はまったく5角形の面をもちませんから,β-14面体のほうが空間分割のある側面をよく表していると考えることができます.

 

 β-14面体のほうが形の上で実際に近いとはいっても,それだけでモデルの優劣を判断するわけにはまいりません.しかし,平面に投射した形を考えてみると,β-14面体による空間充填は,スケールを大きくとることによって,5角形による平面充填配列(タイル張り)に近づいていきます.一方,α-14面体を平面のタイル張りに還元するには,かなり著しい変形を加えなければなりません.このことは,血管の分岐様式が二分岐になるためのモデルとして,多面体が奇数の辺をもつβ-14面体のほうが都合がよいことを意味していて,諏訪氏はβ-14面体の存在理由を非常に重要なものと考えています.

 

 便宜のため,α-14面体とβ-14面体の主要な幾何学的性質をまとめて表示しておきます.

        【α-14面体】       【β-14面体】

面の形と数   平面6辺形(8)       曲面5辺形(8)

        平面平行4辺形(4)     曲面6辺形(4)

        平面正方形または矩形(2)  平面正方形または矩形(2)

稜の形と数   直線(36)         曲線(24)

                       直線(12)

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