ГоловнаСтаттіЯдерна фізика

Кишеньковий реактор: Створення мініатюрного реактора

Створіть власний компактний реактор, щоб дослідити основні принципи ядерної фізики та отримати уявлення про енергетичний потенціал атомів.

mysimulator teamОновлено — червень 2026≈ 0 хв читання▶ Відкрити симуляцію

Calculating Packing Fraction

Packing fraction, denoted by φ (phi), represents the ratio of the volume occupied by objects to the total available volume. It's a fundamental concept in materials science and physics, describing how efficiently space is utilized.

The formula for calculating packing fraction is: φ = V_occupied / V_total

This value depends on whether the packing is ordered (e.g., a crystalline lattice) or disordered (e.g., randomly poured). Ordered packing typically achieves higher packing fractions than disordered packing, as the objects arrange themselves in a more efficient manner.

The gap between these two extremes is significant and well-measured, impacting the overall density of the material.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

2D: square packing loses to hexagonal

Lay equal circles on a square grid, each touching its four neighbours, and they cover π/4 ≈ 0.7854 of the plane — the rest is the four little curved gaps at every grid cell's corners.

Shift alternate rows so each circle nests into the notch between two circles below it (hexagonal packing, six neighbours per circle) and the fraction rises to π/(2√3) ≈ 0.9069.

Hexagonal packing is provably optimal for the plane — proved by Axel Thue in 1892 and rigorously by László Fejes Tóth in 1940 — which is also why bees build honeycomb from hexagonal cells rather than squares: it is the most material-efficient way to tile a plane with equal-size cells.

3D: five packings worth knowing

Simple cubic (SC) φ = π/6 ≈ 0.5236 (6 neighbours) Body-centred cubic (BCC) φ = π√3/8 ≈ 0.6802 (8 neighbours) Random close packing (RCP) φ ≈ 0.64 (disordered, jammed) Face-centred cubic (FCC) φ = π/(3√2) ≈ 0.7405 (12 neighbours) Hexagonal close-packed (HCP) φ = π/(3√2) ≈ 0.7405 (12 neighbours) FCC and HCP tie for the densest lattice packing, and the tie is not a coincidence — both are built by stacking hexagonal layers of spheres, each new layer nestling into the hollows of the one below; the only difference is whether the third layer repeats the position of the first (HCP, sequence ABAB…) or offsets it again (FCC, sequence ABCABC…). Many real metals — copper, aluminium and gold form FCC crystals; magnesium and zinc form HCP — sit at exactly this density for the same geometric reason a fruit seller stacks oranges in a pyramid.

Simple cubic (SC)             φ = π/6            ≈ 0.5236   (6 neighbours)
Body-centred cubic (BCC)      φ = π√3/8         ≈ 0.6802   (8 neighbours)
Random close packing (RCP)    φ                    ≈ 0.64     (disordered, jammed)
Face-centred cubic (FCC)      φ = π/(3√2)       ≈ 0.7405   (12 neighbours)
Hexagonal close-packed (HCP)  φ = π/(3√2)       ≈ 0.7405   (12 neighbours)

The Kepler conjecture

Johannes Kepler conjectured in 1611 that no arrangement of equal spheres — ordered or disordered — can exceed π/(3√2) ≈ 0.7405, the FCC/HCP density. It looks obvious from a stack of cannonballs, but proving that no cleverer, irregular arrangement could possibly do better resisted rigorous proof for almost four centuries. Thomas Hales announced a proof in 1998 using exhaustive computer verification of thousands of geometric cases; the community's difficulty checking such a large case analysis by hand led Hales to launch the Flyspeck project, which formally verified every step in a proof assistant and confirmed the result beyond doubt in 2014.

Random packing never reaches the lattice maximum

Pour identical spheres into a container and shake them and they jam at a packing fraction of roughly 0.64 — random close packing — well short of the 0.7405 ordered maximum. The gap exists because disordered jamming gets trapped in a local mechanical equilibrium: no small rearrangement can squeeze the spheres tighter without first pulling some of them apart to make room, and physically shaking a real container rarely provides enough energy to escape that local trap and reorganise into a crystal. This 0.64 figure recurs constantly in materials science, from powder metallurgy to how tightly ball bearings settle in a bag.

The Kissing Number

A related question asks not how much space is filled but how many neighbours a single sphere can simultaneously touch — the kissing number. In 2D it is exactly 6, easy to see and to prove. In 3D it is 12, achieved by FCC and HCP alike, but proving that a 13th sphere cannot be squeezed in took until 1953: 12 touching spheres leave just enough slack room around the central sphere that the impossibility of a 13th is genuinely subtle, unlike the tight 2D case.

Frequently asked questions

Яке найбільш щільне розташування рівних сфер?

Кубічна центрована (КЦ) та гексагональна плотно упакована (ГПУ) структури досягають щільності пакування π/(3√2) ≈ 0,7405, і жодне розташування рівних сфер, як упоряджене, так і безпорядне, не може його перевершити. Це була кон’єктура Кеплера 1611 року, яка була строго доведена Томасом Хелесом з використанням комп'ютерного підтвердження, завершеного у 2014 році.

Чому випадкове пакування досягає піку приблизно на рівні 64%, значно нижче за упоряджений максимум?

Випадкове заливання сфер і їх збовтування (випадкова щільно упакована структура, ≈0,64) призводить до укладання сфер в безладну конфігурацію, де неможливо збільшити щільність без першого роз'єднання сфер. Досягнення максимальної щільності КЦ/ГПУ 0,7405 вимагає організації сфер у кристалічну структуру, що випадкове укладання не досягає самостійно.

Що таке число поцілунків і чому воно відрізняється в 2D та 3D?

Число поцілунків – це кількість рівних сфер, які одночасно можуть дотикнутися до центральної сфери без перекриття. У 2D (коло навколо кола) воно дорівнює точно 6. У 3D воно становить 12, досягнуте як КЦ, так і ГПУ, хоча доведення неможливості 13 зайняло до 1953 року через те, що навколо 12 сфер залишається достатньо місця, щоб зробити випадок не очевидним.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Sphere and Circle Packing і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Sphere and Circle Packing

Що ви знайшли?

Додати кроки відтворення (опційно)