合同な菱形だけでできている多面体について考えます.ケプラーは対角線の比が白銀比になっている菱形十二面体と対角線の比が黄金比になっている菱形三十面体を発見しました.菱形十二面体,菱形三十面体はいずれも準正多面体の双対ですから球に外接します(内接球をもちます).
先日,鎌倉の金原博昭さんより菱形十二面体の白銀菱形を黄金比二等辺三角形2枚で置き換えた24面体と菱形三十面体の黄金菱形を白銀比二等辺三角形2枚で置き換えた60面体について教えていただきました.山口の中川宏さんにお願いしてそれらを木工製作することになったのですが,その設計中,これらの黄金比三角多面体と白銀比三角多面体には相互補完的な関係にあることが判明しました.
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【1】菱形十二面体の黄金化
黄金菱形を2分割した三角形で24面体を作ります.2分割する方法は2通りあり,長い方の対角線で2分割した鈍角二等辺三角形24枚からは凸24面体,短い方の対角線で2分割した鋭角二等辺三角形24枚からは凹24面体ができあがります.凸24面体は内接球をもちます.
凸24面体は三方八面体の亜種で正八面体の星形化,凹24面体は四方六面体の亜種で立方体の星形化と考えられます.計算してみたところ,長い方の対角線で2分割した凸24面体では正八面体の各面に二面角144°(底面に対する二面角20.9052°)の三角錐を貼り付ける,短い方の対角線で2分割した凹24面体では立方体の各面に底面に対する二面角51.8273°の四角錐を貼り付ければよいことがわかりました.
ただし,凸24面体は三角錐を貼り付けるよりも菱形十二面体を削って作る方が手っ取り早いようです.以下に,中川宏さんの木工模型を掲げます.
[1]凸24面体
[2]凸24面体と菱形十二面体
[3]凹24面体
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【2】菱形三十面体の白銀化
白銀菱形を2分割した三角形で60面体を作ります.2分割する方法は2通りあり,長い方の対角線で2分割した鈍角二等辺三角形60枚からは凹60面体,短い方の対角線で2分割した鋭角二等辺三角形60枚からは凸60面体ができあがります.凸60面体は内接球をもちます.
凹60面体は五方十二面体の亜種で正十二面体の星形化,凸60面体は三方二十面体の亜種で正二十面体の星形化と考えられます.計算してみたところ,長い方の対角線で2分割した凹60面体では正二十面体の各面に二面角120°(底面に対する二面角35.2644°)の三角錐を貼り付ける,短い方の対角線で2分割した凸60面体では正十二面体の各面に底面に対する二面角13.2825°の五角錐を貼り付ければよいことがわかりました.
しかし,13.2825°は薄すぎて木工製作困難です.その替わりとして,正十二面体の各面に底面に対する二面角31.7175の五角錐を貼り付けて,菱形三十面体を製作して頂きました.
[1]菱形三十面体
[2]凹60面体
凸24面体の二面角には144°と151.281°の2通りあります.151.281°の凸部は凹60面体にぴったりはまりこむはまりこむことがわかりました.
[3]凹60面体と凸24面体
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【3】まとめ
このように黄金比三角多面体と白銀比三角多面体には相互補完的な関係にあることはがわかりました.黄金と白銀は対比されるばかりでこれまで接点が論じられたことがなかったように思われますから,金原博昭さんのユニークなアイディアの賜物といってよいでしょう.ひょっとすると初めての発見かもしれません.
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ところで,ケプラーは複合多面体から,すべての面が合同な菱形である菱形多面体は菱形十二面体と対角線の比が黄金比になっている菱形を30個組み合わせてできる菱形三十面体以外にはないことを証明しようとしましたが,球には外接しないものの合同な菱形だけでできている多面体には2種類の菱形六面体を除いて実はあと2つ,1885年にフェドロフが発見した菱形二十面体と1960年にビリンスキーが発見した菱形十二面体(第2種)があることがわかりました.
菱形三十面体からあるゾーン(菱形の連なった帯)を抜き取って押しつぶすと菱形二十面体,菱形二十面体からあるゾーンを抜くと菱形十二面体(第2種)になるので,これらは各面の対角線の長さの比が黄金比の菱形からなる一連のゾーン多面体と考えることができます.
凸24面体は凹60面体にはぴったりはまりこむのに対して,凸60面体の凸部は凹24面体にははまりこまないようです.しかし,金原博昭さんのお話によると,菱形二十面体を短い方の対角線で白銀化した凸40面体と菱形十二面体(第2種)を短い方の対角線で白銀化した凸22面体は両方とも凹24面体にはまりこむ,また,凸24面体は菱形二十面体を長い方の対角線で白銀化した凹30面体にもはまりこむが,菱形十二面体(第2種)を長い方の対角線白銀化した凹22面体にははまりこまないそうです.
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