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깎은 정이십면체

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1. 개요

깎은 정이십면체는 정이십면체의 각 꼭짓점을 잘라내어 얻는 아르키메데스의 다면체이다. 32개의 면(12개의 정오각형과 20개의 정육각형), 90개의 변, 60개의 꼭짓점을 가지며, 깎은 정이십면체 그래프는 60개의 정점과 90개의 모서리를 갖는 평면 그래프이다. 겉넓이와 부피는 특정 공식을 통해 계산되며, 구형성은 약 0.9504로 구에 가까운 형태이다. 축구공, 측지선 돔, 풀러렌 분자, 핵무기 기폭 장치, 클라트린 단백질 등 다양한 분야에서 활용된다. 정이십면체, 이십이십이면체, 깎은 십이면체와 연관되어 있다.

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깎은 정이십면체
개요
깎은 정이십면체
깎은 정이십면체
종류아르키메데스 고체, 균일 다면체, 골드버그 다면체
면의 수32
면의 종류정오각형: 12개, 정육각형: 20개
모서리
모서리의 수90
꼭짓점
꼭짓점의 수60
꼭짓점 배열5, 62 (정오각형 1개와 정육각형 2개가 만남)
깎은 정이십면체의 꼭짓점 도형
깎은 정이십면체의 꼭짓점 도형
성질
성질볼록 집합
깎은 정이십면체의 전개도
깎은 정이십면체의 전개도

2. 구조

깎은 정이십면체는 정이십면체의 모든 꼭짓점을 깎아내어 만들 수 있다. 이 과정에서 각 변의 1/3 지점에 있는 12개의 꼭짓점이 12개의 정오각형 면을 형성하며, 원래의 20개의 삼각형 면은 정육각형으로 변환된다. 결과적으로, 이 다면체는 32개의 면(12개의 정오각형, 20개의 정육각형), 90개의 변, 그리고 60개의 꼭짓점을 가지게 된다.

골드버그 다면체는 12개의 오각형과 10의 배수만큼의 육각형으로 이루어진 다면체이다. 골드버그 다면체에는 세 가지 종류가 있는데, 그 중 하나는 모든 꼭짓점을 반복적으로 깎아서 만들며, 깎은 정이십면체는 \operatorname{GP}(1,1) 로 표시된다.

3. 특성

한 모서리의 길이가 a인 깎은 정이십면체의 겉넓이 A와 부피 V는 다음과 같다.


  • '''겉넓이''': A = 3 \left ( 10\sqrt{3} + \sqrt{5} \sqrt{5 + 2\sqrt{5}} \right ) a^2 \approx 72.607253a^2
  • '''부피''': V = \frac{1}{4} (125+43\sqrt{5}) a^3 \approx 55.287731a^3


구형성(sphericity)은 다면체가 와 얼마나 유사한지를 나타낸다. 같은 부피를 가지는 구의 표면적과 다면체의 표면적의 비율로 정의되며, 0과 1 사이의 값을 가진다. 깎은 정이십면체의 구형성은 약 0.9504로, 에 매우 가까운 형태이다.

\Psi = \frac{6\pi^{1/2} V}{A^{3/2}} \approx 0.9504.

깎은 정이십면체에서 인접한 육각형 면 사이의 이면각(dihedral angle)은 약 138.18°이며, 오각형과 육각형 사이의 이면각은 약 142.6°이다.

깎은 정이십면체는 아르키메데스의 다면체 중 하나로, 정이십면체와 같은 이십면체 대칭성을 가지며 꼭짓점 전이성을 가진다. 모든 꼭짓점에서 만나는 다각형 면은 하나의 오각형과 두 개의 육각형이며, 깎은 정이십면체의 꼭짓점 도형\mathrm{5\cdot6^2}이다. 깎은 정이십면체의 쌍대 다면체는 카탈랑의 다면체인 오각십이면체(펜타키스 십이면체)이다.

4. 깎은 정이십면체 그래프

슈타이니츠 정리에 따르면, 깎은 정이십면체의 골격은 모든 볼록 다면체와 마찬가지로 다면체 그래프로 나타낼 수 있으며, 이는 평면 그래프(가장자리가 교차하지 않게 그릴 수 있는 그래프)이며 3-정점 연결 그래프(두 정점을 제거해도 연결된 상태 유지)이다. 이 그래프는 '''깎은 정이십면체 그래프'''라고 알려져 있으며, 60개의 정점과 90개의 모서리를 가지고 있다. 이는 아르키메데스 그래프의 일종으로, 각 정점이 정확히 세 개의 모서리에 인접해 있다는 점에서 3차 그래프이기도 하다.

깎은 정이십면체 그래프

5. 활용

축구와 팀 핸드볼에서 사용하는 공은 깎은 정이십면체와 유사한 구형 다면체의 가장 잘 알려진 예시이다. 이 공은 구형에 가까운 검은색 오각형과 흰색 육각형 패턴으로 이루어져 있다.

깎은 정이십면체(왼쪽)와 축구공 비교
측지식 돔은 주로 이 기하학의 삼각형 면 분할에 기반을 두고 있으며, 버크민스터 풀러가 대중화한 구조이다. 예를 들어, 1985년에 발견된 풀러렌의 한 형태인 버크민스터 풀러렌(C₆₀)은 깎은 정이십면체 모양의 측지식 돔 구조를 가지는 탄소 원소의 동소체이다.
풀러렌 분자


다른 공학 및 과학 응용 분야에서도 이 모양은 핵무기가젯팻 맨의 폭발성 충격파를 집중시키기 위해 사용된 렌즈 구성에서 발견된다. 또한, 이 구조는 클라트린 단백질에서도 발견된다.

6. 근연

(깎아내기를 깊게 함)]]

깎은 십이면체
(깎아내기를 더욱 깊게 함)

참조

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[2] 서적 The Jahn-Teller Effect in C60 and Other Icosahedral Complexes https://books.google[...] Princeton University Press
[3] 서적 Polyhedra https://archive.org/[...] Cambridge University Press
[4] 서적 Multi-shell Polyhedral Clusters https://books.google[...] Springer
[5] 논문 Rediscovering the Archimedean polyhedra: Piero della Francesca, Luca Pacioli, Leonardo da Vinci, Albrecht Dürer, Daniele Barbaro, and Johannes Kepler
[6] 서적 Algebraic Graph Theory Springer-Verlag
[7] 서적 Shaping Space Springer
[8] 서적 Soccer Science Human Kinetics
[9] 서적 Shapes, Space, and Symmetry https://books.google[...] Courier Corporation
[10] 논문 Convex polyhedra with regular faces
[11] 서적 Nanostructured materials for solar energy conversion Elsevier
[12] 간행물 Art, Science, and Technology: Interaction Between Three Cultures, Proceedings of the First International Conference https://www.research[...]
[13] 서적 Mathematical Physics: Proceedings of the 13th Regional Conference, Antalya, Turkey, 27–31 October 2010 World Scientific
[14] 논문 The Graph of the Truncated Icosahedron and the Last Letter of Galois http://www.ams.org/n[...]
[15] 논문 The Topology and Combinatorics of Soccer Balls https://www.american[...] 2006-07
[16] 서적 Symmetries in Graphs, Maps, and Polytopes: 5th SIGMAP Workshop, West Malvern, UK, July 2014 Springer
[17] 서적 Geometry In Our Three-dimensional World https://books.google[...] World Scientific
[18] 서적 Dark Sun: The Making of the Hydrogen Bomb https://archive.org/[...] Touchstone Books
[19] 서적 An Atlas of Graphs Oxford University Press
[20] 서적 The Geometrical Foundation of Natural Structure: A Source Book of Design https://archive.org/[...] Dover Publications, Inc.



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