Лекция №6-1 МНОГОГРАННИКИ

Лекция №6-1
МНОГОГРАННИКИ
Многогранником называется совокупность таких плоских многоугольников, у которых
каждая сторона одного является одновременно стороной другого (но только одного).
ВИДЫ МНОГОГРАННИКОВ
Кратко охарактеризуем геометрические свойства некоторых многогранников:
1. Пирамида - это многогранник, одна грань которого многоугольник, а остальные грани треугольники с общей вершиной. Пирамида называется правильной, если в основании лежит
правильный многоугольник и высота пирамиды проходит через центр многоугольника. Пирамида
называется усеченной, если вершина её отсекается плоскостью (рис.6.1.).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.1. Пирамида
2. Призма - многоугольник, две грани которого (основания призмы) представляют собой
равные многоугольники с взаимно параллельными сторонами, а все другие грани
параллелограммы. Призма называется прямой, если её ребра перпендикулярны плоскости
основания. Если основанием призмы является прямоугольник, призму называют
параллелепипедом (рис 6.2.).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.2. Призма
3. Призматоид - многогранник, ограниченный двумя многоугольниками, расположенными в
параллельных плоскостях (они являются его основаниями); его боковые грани представляют
собой треугольники и трапеции, вершины которых являются и вершинами многоугольников
оснований (рис.6.3.).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.3. Призматоид
4. Тела Платона. Многогранник, все грани которого представляют собой правильные и
равные многоугольники, называют правильными Углы при вершинах такого многогранника
равны между собой.
Существует пять типов правильных многогранников. Эти многогранники и их свойства были
описаны более двух тысяч лет назад древнегреческим философом Платоном, чем и объясняется
их общее название.
Каждому правильному многограннику соответствует другой правильный многогранник с
числом граней, равным числу вершин данного многогранника. Число ребер у обоих
многогранников одинаково.
Тетраэдр - правильный четырехгранник (рис 6.4.). Он ограничен четырьмя
равносторонними треугольниками (это правильная треугольная пирамида).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.4. Тетраэдр
Гексаэдр - правильный шестигранник (рис. 6.5.). Это куб состоящий из шести равных
квадратов.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.5. Гексаэдр
Октаэдр - правильный восьмигранник (рис.6.6.). Он состоит из восьми равносторонних и
равных между собой треугольников, соединенных по четыре у каждой вершины.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.6. Октаэдр
Додекаэдр - правильный двенадцатигранник, состоит из двенадцати правильных и равных
пятиугольников, соединенных по три около каждой вершины (рис. 6.7.).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.7. Додекаэдр
Икосаэдр - состоит из 20 равносторонних и равных треугольников, соединенных по пять
около каждой вершины (рис.6.8.).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.8. Икосаэдр
5. Звездчатые формы и соединения тел Платона. Кроме правильных выпуклых
многогранников существуют и правильные выпукло-вогнутые многогранники. Их называют
звездчатыми (самопересекающимися). Рассматривая пересечения продолжения граней
Платоновых тел, мы будем получать звездчатые многогранники.
Звездчатый октаэдр - восемь пересекающихся плоскостей граней октаэдра отделяют от
пространства новые "куски", внешние по отношению к октаэдру (рис. 6.9.). Это малые тетраэдры
основания которые совпадают с гранями октаэдра. его можно рассматривать как соединение двух
пересекающихся тетраэдров центры которых совпадают с центром исходного октаэдра. Все
вершины звездчатого октаэдра совпадают с вершинами некоторого куба, а ребра его являются
диагоналями граней (квадратов) этого куба. Дальнейшее продление граней октаэдра не приводит
к созданию нового многогранника. Октаэдр имеет только одну звездчатую форму. Такой
звездчатый многогранник в 1619 году описал Кеплер (1571-1630) и назвал его stella octangula восьмиугольная звезда.
Рисунок 6.9. Звездчатый октаэдр
Рисунок 6.10. Малый звездчатый додекаэдр
Малый звездчатый додекаэдр - (рис.6.10) звездчатый додекаэдр первого
продолжения. Он образован продолжением граней выпуклого додекаэдра до их первого
пересечения. Каждая грань выпуклого додекаэдра при продолжении образует правильный
звездчатый пятиугольник. Пересекающиеся плоскости граней додекаэдра отделяют от
пространства новые "куски", внешние по отношению к додекаэдру. Это двенадцать
правильных пятиугольных пирамид, основания которых совпадают с гранями додекаэдра.
При дальнейшем продолжении граней до нового пересечения образуется средний
звездчатый додекаэдр - звездчатый додекаэдр второго продолжения. Последней же
звездчатой формой правильного додекаэдра является звездчатый додекаэдр третьего
продолжения - большой звездчатый додекаэдр. Он образован продолжением граней
звездчатого додекаэдра второго продолжения до их нового пересечения.
Лекция №6-2
ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ПЛОСКОСТИ С МНОГОГРАННИКОМ
Построение сечения многогранника требует многократного решения задачи о нахождении
точки пересечении прямой с плоскостью. Точки, в которых ребра многогранника пересекаются с
заданной плоскостью, будут вершинами искомого сечения.
Тот же результат можно получить, сведя задачу к построению прямых пересечения
плоскости с гранями тела.
Дана призма и плоскость общего положения заданная двумя пересекающимися прямыми а
и в (рис.6.11). Необходимо найти сечение призмы данной плоскостью.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.11. Пересечение плоскости общего положения с призмой
Решим поставленную задачу нахождением точек пересечения ребер призмы с плоскостью.
Для чего, через горизонтальные проекции ребер проведем вспомогательные секущие плоскости
α, β и γ. Построив линии пересечения вспомогательных плоскостей с заданной, находим на
фронтальной проекции точки пересечения их с соответствующими ребрами призмы К2, М2 и N2 –
вершины фронтальной проекции сечения призмы. По линиям связи находим горизонтальные
проекции этих точек. Полученные точки соединяем прямыми линиями, с учетом видимости. При
решении вопроса о видимости сторон построенного сечения следует иметь в виду достаточно
очевидное правило: точка и линия, лежащие на поверхности многогранника, видимы только в том
случае, если они расположены на видимой грани.
ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ПРЯМОЙ ЛИНИИ С МНОГОГРАННИКОМ
Для определения точек пересечения прямой линии с многогранником, задача
сводится к нахождению точек пересечения прямой с плоскостями граней (рис.6.12).
Алгоритм решения задачи:
1. Провести плоскость : m.
2. Построить сечение многогранника
плоскостью .
Определить искомые точки К,М пересечения полученного сечения с прямой m.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.12. Пересечение прямой линии с пирамидой
ВЗАИМНОЕ ПЕРЕСЕЧЕНИЕ МНОГОГРАННИКОВ
Построение линии взаимного пересечения многогранных поверхностей можно производить
двумя способами, комбинируя их между собой или выбирая из них тот, который в зависимости от
условий задания дает более простые построения. Эти способы следующие:
1.Определяют точки, в которых ребра одной из многогранных поверхностей
пересекают грани другой и ребра второй пересекают грани первой (задача на пересечение
прямой с плоскостью). Через найденные точки в определенной последовательности проводят
ломаную линию, представляющую собой линию пересечения данных многогранников. При этом
можно соединять прямыми проекции лишь тех точек, полученных в процессе построения,
которые лежат в одной и той же грани.
2. Определяют отрезки прямых, по которым грани одной поверхности пересекают
грани другой (задача на пересечение двух плоскостей между собой); эти отрезки являются
звеньями ломаной линии, получаемой при пересечении многогранных поверхностей.
Если проекция ребра одной из
поверхностей не пересекает проекции
грани другой хотя бы на одной из проекций,
то данное ребро не пересекает этой
грани. Однако пересечение проекций ребра
и грани еще не означает, что ребро и грань
пересекаются в пространстве.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 6.13. Пересечение пирамиды с призмой
На примере (рис.6.13) показано пересечение поверхности треугольной призмы с
треугольной пирамидой. Построение основано на нахождении точек пересечения ребер одного
многогранника с гранями другого. На рисунке 6.13 б показано построение линии пересечения
пирамиды АВСS и треугольной призмы DEFD*E*F*.
Для нахождения точек 1 и 2 в которых ребро пирамиды AS пересекает грани DD*EE* и
EE*FF* призмы, через проекцию ребра A2S2 проведена фронтально проецирующая плоскость αП2,
которая пересекает ребра призмы в трех точках, горизонтальные проекции этих точек
пересечения плоскости α с ребрами призмы, образуют треугольник. Проекция ребра пирамиды
A1S1 пересекает полученный треугольник в точках 11 и 21.
С помощью фронтально - проецирующей плоскости β, находим точки 5 и 6 пересечения
ребра пирамиды SC с гранями призмы EE*FF* и EE*DD*, а при помощи горизонтально
проецирующей плоскости γ находим точки 3 и 4 пересечения ребра призмы с гранями пирамиды.
Соединив полученные точки, с учетом видимости, получим пространственную ломаную линию –
линию пересечения данных многогранников.
Лекция №7-1
КРИВЫЕ ЛИНИИ
Кривая линия - это множество точек пространства, координаты которых являются
функциями одной переменной. Термин «кривая» в разных разделах математики
определяется по-разному. В начертательной геометрии кривую рассматривают как
траекторию, описанную движущей точкой, как проекцию другой кривой, как линию
пересечения двух поверхностей, как множество точек, обладающих каким-либо
общим для всех их свойством и т.д.
Например, (рис.7.1) циклоида –
траектория движения точки окружности,
катящейся без скольжения по прямой линии.
Эта кривая состоит их ряда «арок», каждая
из которых соответствует полному обороту
окружности.
Кривые линии, все точки которых
принадлежат одной плоскости, называются
плоскими, остальные пространственными.
Каждая кривая включает в себя
геометрические элементы, которые
Рисунок 7.1 Циклоида
составляют её определитель, т.е.
совокупность независимых условий,
однозначно определяющих эту кривую.
Различны и способы задания кривых:
Аналитический – кривая задана математическим уравнением;
Графический – кривая задана визуально на носителе графической информации;
Табличный – кривая задана координатами последовательного ряда точек.
Уравнением кривой линии называется такое соотношение между переменными, которому
удовлетворяют координаты точки, принадлежащей кривой.
В основу классификации кривых положена природа их уравнений.
Кривые подразделяются на алгебраические и трансцендентные в зависимости от того,
являются ли их уравнения алгебраическими или трансцендентными в прямоугольной системе
координат.
Плоская кривая линия называется алгебраической, если её уравнение f (xy)=0. Функция f
(xy) является степенным множителем относительно переменных х и у; в остальных случаях кривая
называется трансцендентной.
Кривая линия, представленная в декартовых координатах уравнением п- й степени,
называется алгебраической кривой п-го порядка.
Порядок плоской алгебраической кривой линии определяется наибольшим числом точек её
пересечения прямой линией. Любая прямая линия может пересекать алгебраическую кривую
линию п-го порядка не более чем в п точках.
Рассмотрим несколько примеров алгебраической кривой линии:
Рисунок 7.2. Парабола
Рисунок 8.3. Гипербола
1. Парабола – кривая второго порядка,
прямая пересекает ее в двух точках (рис.7.2).
При этом парабола может быть определена
как:
-множество точек М(xy) плоскости,
расстояние FM которых до определенной
точки F этой плоскости (фокуса параболы)
равно расстоянию MN до определенной
прямой АN - директрисы параболы;
-линия пересечения прямого кругового
конуса плоскостью, не проходящей через
вершину конуса и параллельная какой либо
касательной плоскости этого конуса;
-в прямоугольной системе координат
0ху с началом в вершине параболы и осью 0х
направленной по оси параболы уравнение
параболы имеет так называемый
канонический вид
y2=2px,
где р (фокальный параметр) расстояние от фокуса до директрисы.
2. Гипербола :
- множество точек М плоскости
(рис.7.3) разность (по абсолютной величине)
расстояний F1M и F2M которых до двух
определенных точек F1 и F2 этой плоскости
(фокусов гиперболы) постоянна:
F1M - F2M=2а<2с
Середина 0 отрезка F1F2 (фокусного
расстояния) называется центром гиперболы;
- линия пересечения прямого кругового
конуса плоскостью, не проходящей через
вершину конуса и пересекающая обе его
полости;
- в прямоугольной системе координат
0ху с началом в центре гиперболы, на оси 0х
которой лежат фокусы гиперболы уравнение
гиперболы имеет так называемый
канонический
х2/а2 - у2/в2=1, в2=с2 - а2,
где а и в длинны полуосей гиперболы.
3. Эллипс :
- множество точек М плоскости
(рис.7.4), сумма расстояний МF1 и МF2
которых до двух определенных точек F1 и F2
(фокусов эллипса) постоянна
Рисунок 7.4. Эллипс
МF1+МF2=2а.
Середина 0 отрезка F1F2 (фокусного
расстояния)называется центром эллипса;
- линия пересечения прямого кругового
конуса плоскостью, не проходящей через
вершину конуса и пересекающей все
прямолинейные образующие одной полости
этого конуса;
- в прямоугольной системе координат
0ху с началом в центре эллипса, на оси 0х
которой лежат фокусы эллипса уравнение
эллипса имеет следующий вид
х2/а2+у2/в2=1,
где а и в - длинны большой и малой
полуосей эллипса. При а=в фокусы F1 и F2
совпадают и указанное уравнение
Рисунок 7.5. Синусоида
определяет окружность, которая
рассматривается как частный случай
эллипса.
Рассмотренные плоские кривые линии,
получаемые при пересечении поверхности
прямого кругового конуса плоскостями,
различно расположенными по отношению к
оси конуса, называют кривыми конических
сечений.
Трансцендентные кривые в отличие от алгебраических могут иметь бесконечное
количество точек пересечения с прямой, точек перегиба, вершин и т.п.
Синусоида - трансцендентная плоская кривая линия (рис.7.5), получающаяся в
результате двойного равномерного движения точки - поступательного и возвратнопоступательного в направлении, перпендикулярном первому.
Синусоида - график функции у=sin x, непрерывная кривая линия с периодом Т=2п.
Наряду с этим у трансцендентных кривых могут быть характерные точки, которых не
существует у алгебраических кривых: точки прекращения, угловые точки (точки излома),
асимптотические точки. Простейшими примерами трансцендентных кривых служат графики
функций логарифмической, показательной тригонометрической, а также все спирали, циклоиды и
т.п.
Кривая линия как траектория движущейся точки должна быть непрерывной. Движущаяся
точка в любом положении должна иметь определенное направление движения. Это направление
указывает прямая (касательная), проходящая через рассматриваемую точку.
Длина отрезка кривой линии определяется в общем случае, как сумма длин отрезков
вписанной в нее ломаной линии, с заданной точностью передающей форму кривой.
Особый интерес представляют окружность и цилиндрическая винтовая линии, каждая из
которых является эталоном соответственно плоских и пространственных кривых линий.
В практике конструирования линий и поверхностей широко используются обводы. Это
кривые, составленные из дуг различных кривых, определенных парами смежных точек. Обводом
ряда точек плоскости является плоская кривая, пространства - пространственная. Точки стыка дуг
называются узлами. Обвод заданный координатами своих точек называется дискретным. Обвод
называется гладким, если дуги обвода в узлах имеют общие касательные.
Плоская кривая а построена в
плоскости  (рис.7.6). Через точку А
проведены секущие хорды АЕ и АD. Если
точку Еприближать к точке А, секущая
АЕповорачивается вокруг точки А. Когда
точка Е совпадет с точкой А (А≡Е) секущая
АЕдостигнет своего предельного положения
t. В этом предельном положении секущая
называется полукасательной к кривой а в
точке А. Секущая АD в предельном
положении А≡D также представлена
полукасательной t.
Рисунок 7.6. Касательные к кривой линии
Кривая линия в точке А имеет две
полукасательные прямые, которые совпадают и
определяют одну касательную к кривой линии в
точке А – кривая в этой точке называется
плавной.
Кривая плавная во всех её
называется плавной кривой линией.
точках
Нормалью п в точке А кривой линии
называется перпендикуляр к касательной.
На кривой линии могут быть точки где разнонаправленные полукасательные не
принадлежат одной прямой, а составляют между собой угол. Так на кривой а в точке В
угол δмежду полукасательными не равен 1800. Точка В в этом случае называется точкой
излома или выпадающей точкой.
Плоскую
кривую
линию
можно
рассматривать как траекторию движения точки в
плоскости (рис.8.7); точка движется по
касательной к кривой линии, обкатывая эту
кривую без скольжения.
Движение точки вдоль кривой а связано с
непрерывным изменением двух величин:
расстояния S, на которое удалена точка от
начального положения и угла α
поворота
касательной
относительно
начального
положения.
Если с увеличением пути S непрерывно
увеличивается и α, кривая называется простой.
Рисунок 7.7. Кривая линия как
траектория движения точки
Угол
α
(угол
смежности)
между
касательными в двух бесконечно близких точках
кривой, отнесенный к длине дуги между этими
точками, определяет степень искривленности
кривой линии, т.е. определяет кривизнукривой.
, предел отношения угла смежности касательных к соответствующей
дуге.
Кривизна прямой в любой её точке равна
нулю.
Кривизна произвольной кривой линии в
различных точках различна, в отдельных точках
она может быть равна нулю. Такие точки
называются точками спрямления.
Рисунок 7.8. Кривизна кривой
Кривизна в каждой из точек плоской
кривой а определяется с помощью
соприкасающейся в этой точке окружности
(рис.7.8).
Соприкасающейся окружностью или
кругом кривизны в данной точке называется
предельное положение окружности, когда
она проходит через данную точку и две
другие бесконечно близкие к ней точки.
Центр соприкасающейся окружности
называется центром кривизны кривой в
данной точке, а радиус такой окружности –
радиусом кривизны кривой линии в данной
точке.
Множество центров кривизны кривой
является кривая линия- её называют эволютой
данной кривой, а кривая по отношению к своей
эволюте называется эвольвентой.
Лекция №7-2
СВОЙСТВА ОРТОГОНАЛЬНЫХ ПРОЕКЦИЙ КРИВОЙ ЛИНИИ
1. Проекцией кривой линии является кривая линия;
2. Касательная к кривой линии проецируется в касательную к её проекции;
3. Несобственная точка кривой проецируется в несобственную точку её проекции;
4. Порядок линии – проекции алгебраической кривой равен порядку самой кривой или
меньше;
5. Число узловых точек ( в которых кривая пересекает сама себя) проекции равно числу
узловых точек самой кривой.
Случаи когда, плоская кривая проецируется в прямую (свойства 1,4,5), а касательная в точку
(свойство 2) не учитываются.
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КРИВЫЕ ЛИНИИ
Пространственные кривые линии в начертательной геометрии обычно рассматриваются как
результат пересечения поверхностей или траекторию движения точки.
Пространственную, так же как и плоскую, кривую линию на чертеже задают
последовательным рядом точек.
Классическим примером пространственных кривых линий являются цилиндрическая и
коническая винтовые линии.
Цилиндрическая винтовая линия.
Такую линию в пространстве описывает точка, которая движется по какой-либо
образующей прямого кругового цилиндра, вращающегося вокруг своей оси так, что путь
проходимый точкой по образующей пропорционален углу поворота цилиндра (рис. 7.9).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 7.9. Цилиндрическая винтовая линия (правая)
Смещение точки вдоль образующей за один оборот называется шагом
цилиндрической винтовой линии.
Различают правую и левую винтовые линии
Коническая винтовая линия.
Такую линию описывает точка, которая движется по какой-либо образующей
прямого кругового конуса, вращающегося вокруг своей оси так, что путь пройденный
точкой по образующей все время равен углу поворота конуса (рис.7.10).
Проекция на ось конуса смещения
точки вдоль образующей за один
оборот называется шагом конической
винтовой линии. Горизонтальной
проекцией конической винтовой
линии является спираль Архимеда одна из замечательных плоских
кривых линий.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 7.10 Коническая винтовая линия
Лекция №8 часть 1
Поверхность. Формообразование поверхностей. Поверхности вращения.
Винтовые поверхности. Линейчатые поверхности с плоскостью параллелизма
(Поверхности Каталана). Поверхности параллельного переноса.
ПОВЕРХНОСТЬ
"Поверхность, одно из основных геометрических понятий. При логическом
уточнении этого понятия в разных отделах геометрии ему придаётся различный смысл.
1) В школьном курсе геометрии рассматриваются плоскости, многогранники, а также
некоторые кривые поверхности. Каждая из кривых П. определяется специальным
способом, чаще всего как множество точек, удовлетворяющих некоторым условиям.
Например, поверхность шара - множество точек, отстоящих на заданном расстоянии от
данной точки. Понятие "Поверхность" лишь поясняется, а не определяется. Например,
говорят, что поверхность есть граница тела или след движущейся линии.
2) Математически строгое определение поверхности основывается на понятиях
топологии. При этом основным является понятие простой поверхности, которую можно
представить как кусок плоскости, подвергнутый непрерывным деформациям
(растяжениям, сжатиям и изгибаниям). ..."
*Большая советская энциклопедия.
Поверхности составляют широкое многообразие нелинейных фигур трехмерного
пространства. Инженерная деятельность человека связана непосредственно с
конструированием, расчетом и, изготовлением различных поверхностей. Большинство
задач прикладной геометрии сводится к автоматизации конструирования, расчета и
воспроизведения сложных технических поверхностей. Способы формообразования и
отображения поверхностей, начертательной геометрии составляют основу
инструментальной базы трехмерного моделирования современных графических
редакторов.
Рассматривая поверхности как непрерывное множество точек, между
координатами которых может быть установлена зависимость, определяемая уравнением
вида F(x,y,z)=0, можно выделить алгебраические поверхности (F(x,y,z)- многочлен n-ой
степени) и трансцендентные (F(x,y,z)- трансцендентная функция).
Если алгебраическая поверхность описывается уравнением n-й степени, то
поверхность считается поверхностью n-го порядка. Произвольно расположенная секущая
плоскость пересекает поверхность по кривой того же порядка ( иногда распадающейся
или мнимой), какой имеет исследуемая поверхность. Порядок поверхности может быть
определен также числом точек ее пересечения с произвольной прямой, не принадлежащей
целиком поверхности, считая все точки (действительные и мнимые).
В начертательной геометрии фигуры задаются графически, поэтому целесообразно
поверхность рассматривать как совокупность всех последовательных положений
некоторой перемещающейся в пространстве линии.
ОБРАЗОВАНИЕ И ЗАДАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НА ЧЕРТЕЖЕ.
Поверхность можно рассматривать, как совокупность последовательных положений l1,l2…
линии l, перемещающейся в пространстве по определенному закону (рис.8.1). В процессе
образования поверхности линия l может оставаться неизменной или менять свою форму изгибаться или деформироваться. Для наглядности изображения поверхности на эпюре Монжа
закон перемещения линии l целесообразно задавать графически в одной линии или целого
семейства линий (m, n, p...). Подвижную линию принято называть образующей, неподвижные направляющими. Такой способ образования поверхности принято называть кинематическим.
Примером такого способа могут
служить все технологические процессы
обработки металлов режущей кромкой,
когда поверхность изделия несет на
себе «отпечаток» режущей кромки
резца, т.е. её поверхность можно
рассматривать как множество, линий
конгруэнтных профилю резца.
По виду образующей различают
поверхности линейчатые и
нелинейчатые, образующая первых –
прямая линия, вторых – кривая.
Линейчатые поверхности в свою
очередь разделяют на так называемые
развертывающие, которые можно без
складок и разрывов развернуть на
плоскость и неразвертывающиеся.
Значительный класс поверхностей
Рисунок 8.1. Поверхность образованная движением
формируется
движением окружности
линии
постоянного или переменного радиуса.
Это так называемые циклические
поверхности (рис.8.2).
Если же группировать поверхности
по закону движения образующей линии и
производящей
поверхности,
то
большинство встречающихся в технике
поверхностей можно разделить на:
Поверхности вращения;
Винтовые поверхности;
Поверхности
параллелизма;
с
плоскостью
Поверхности переноса.
Рисунок 8.2. Циклическая поверхность
Особое место занимают такие
нелинейные поверхности, образование
которых, не подчинено ни какому закону.
Оптимальную форму таких поверхностей
определяют теми физическими условиями,
в которых они работают и устанавливают
ее форму экспериментально (поверхности
лопастей турбин, обшивка каркасов
морских судов и самолетов).
Множество линий, заполняющих
поверхность так, что через каждую точку
поверхности проходит в общем случае
одна линия этого множества, называется
каркасом поверхности.
Поверхность может быть задана и
конечным множеством точек, которое
Рисунок 8.3. Образование циклической поверхности принято называть точечным каркасом.
Проекции каркаса могут быть
построены, если задан определитель
поверхности – совокупность условий,
задающих поверхность в пространстве и на
чертеже.
Различают две части определителя:
геометрическую и алгоритмическую.
Геометрическая часть определителя
представляет собой набор постоянных
геометрических элементов (точек, прямых,
плоскостей и т.п.), которые могут и не
входить в состав поверхности.
Вторая часть – алгоритмическая
(описательная) – содержит перечень
операций, позволяющий реализовать
переход от фигуры постоянных элементов
к непрерывному каркасу.
Например, циклическая поверхность,
каркас которой состоит из окружностей
(рис.8.3), может быть задан следующим
образом:
Геометрическая
часть
определителя: три направляющих l, m,
n, ось i пучка плоскостей
Алгоритмическая
часть:
выделяем из пучка плоскостей с осью i
плоскость α; находим точки А, В, С, в
которых α пересекает соответственно
направляющие l, m, n. Строим
окружность, определяемую тремя
найденными точками. Переходим к
следующей
плоскости
пучка
и
повторяем построение.
ПОВЕРХНОСТИ ВРАЩЕНИЯ.
Поверхности вращения – это поверхности созданные при вращении образующей m вокруг
оси i (рис.8.4).
Геометрическая часть определителя состоит из двух линий: образующей m и оси i (рис 8.4.а).
Алгоритмическая часть включает две операции:
1. На образующей m выделяют ряд точек A, B, C, …F;
2. Каждую точку вращают вокруг оси i.
а) эпюр
б) модель
Рисунок 8.4. Образование поверхности вращения
Так создается каркас поверхности,
состоящей из множества окружностей
(рис.8.5),
плоскости
которых
расположены перпендикулярно оси i. Эти
окружности называются параллелями;
наименьшая
параллель
называется
горлом, наибольшая – экватором.
Из закона образования
поверхности вращения вытекают
два основных свойства:
1. Плоскость перпендикулярная
оси
вращения,
пересекает
поверхность
по
окружности
–
параллели.
2. Плоскость, проходящая через
ось
вращения,
пересекает
поверхность по двум
Рисунок 8.5 Поверхность вращения
симметричным
относительно
оси линиям – меридианам.
Плоскость проходящая через ось
параллельно фронтальной плоскости
проекций называется плоскостью
главного меридиана, а линия,
полученная в сечении, – главным
меридианом.
Рисунок 8.6. Образование сферы
Рисунок 8.7. Образование сфероида
Рассмотрим наиболее распространенные
поверхности вращения с криволинейными
образующими:
Сфера – образуется вращением окружности
вокруг её диаметра (рис.8.6).
Рисунок 8.8. Образование вытянутого
эллипсоида
При сжатии или растяжении сферы она
преобразуется в эллипсоиды, которые могут быть
получены вращением эллипса вокруг одной из
осей: если вращение вокруг большой оси то
эллипсоид называется вытянутым (рис.8.8),
если вокруг малой – сжатым или сфероидом
(рис.8.7).
Тор – поверхность тора формируется при
вращении окружности вокруг оси, не проходящей
через центр окружности (рис.8.9).
Параболоид вращения – образуется при
вращении параболы вокруг своей оси (рис.8.10).
Рисунок 8.8. Тор
Рисунок 8.10. Параболоид вращения
а) однополостной
б) двуполостной
Рисунок 8.11. Гиперболоид вращения
Гиперболоид вращения – различают одно (рис.8.11а) и двух (рис.8.11б) полостной
гиперболоиды вращения. Первый получается при вращении вокруг мнимой оси, а второй –
вращением гиперболы вокруг действительной оси.
ВИНТОВЫЕ ПОВЕРХНОСТИ.
Винтовые поверхности образуются винтовым движением некоторой линии –
образующей.
Под винтовым движением понимается совокупность двух движений: поступательного
параллельно некоторой оси, и вращательного, вокруг той же оси.
При этом поступательное и угловое
перемещение находятся в определенной
зависимости
∆h=k∆v,
где ∆h – линейное перемещение за время
∆t, ∆v – угловое перемещение за то же время, k
– коэффициент пропорциональности. Если
k=Const, то шаг поверхности постоянный.
Геометрическая
часть
определителя
винтовой поверхности ни чем не отличается от
поверхности вращения и состоит из двух линий:
образующей m, и оси i (рис.8.12).
Алгоритмическая часть:
1. На образующей m выделяют ряд
точек А, В, С, …
Рисунок 8.12. Винтовая поверхность
2. Строят винтовые линии заданного
шага
и
направления,
по
которым
перемещаются заданные точки.
ЛИНЕЙЧАТЫЕ ПОВЕРХНОСТИ С ПЛОСКОСТЬЮ ПАРАЛЛЕЛИЗМА (ПОВЕРХНОСТИ
КАТАЛАНА).
Поверхность с плоскостью параллелизма
представляет собой множество прямых линий l
(образующих), параллельных некоторой
плоскости α (плоскости параллелизма) и
пересекающих две данные направляющие m, n
(рис. 8.13).
В зависимости от формы
направляющих образуются три частных вида
поверхностей.
Цилиндроид. Цилиндроидом
называется поверхность, образованная
движением прямолинейной образующей по
двум направляющим кривым линиям, при
этом образующая во всех положениях
параллельна плоскости параллелизма
(рис.8.13).
Коноид. Коноидом называется
поверхность, образованная движением
прямолинейной образующей по двум
направляющим, одна из которых кривая
Рисунок 8.13. Цилиндроид
линия, а другая прямая, при этом
образующая во всех положениях
параллельна плоскости параллелизма
(рис.8.14).
Гиперболический параболоид. Гиперболическим параболоидом или косой
плоскостью называется поверхность, образованная движением прямолинейной
образующей, параллельной плоскости параллелизма, по двум направляющим линиям –
скрещивающимся прямым (рис.8.15).
Рисунок 8.14. Коноид
Рисунок. 8.15. Гиперболический параболоид
ПОВЕРХНОСТИ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА.
Рисунок 8.16. Поверхность параллельного
переноса
Поверхностью параллельного переноса
называется поверхность, образованная
поступательным плоскопараллельным
перемещением образующей - плоской кривой
линии m по криволинейной направляющей n
(рис.8.16).
Геометрическая часть определителя
состоит из двух кривых линий образующей m и направляющей – n.
Алгоритмическая часть определителя
содержит перечень операций:
1. На направляющей п выбираем ряд
точек А, В, С,…
2. Строим векторы АВ , ВС,…
3. Осуществляем параллельный перенос
линии т по векторам АВ, ВС , …
Наглядным примером плоскости
параллельного переноса может служить
скользящая опалубка, применяемая в
строительстве.
Лекция №8 часть 2
Линия и точка, принадлежащие поверхности. Пересечение поверхности
плоскостью. Конические сечения.
ЛИНИЯ И ТОЧКА, ПРИНАДЛЕЖАЩИЕ
ПОВЕРХНОСТИ
Для определения принадлежности точки и линии поверхности рассмотрим следующие
позиционные задачи:
Задача 1. Построение линии принадлежащей поверхности, если одна из проекций
линии задана (рис. 8.17).
Дано:
1.Поверхность Ф , заданная
проекциями каркаса состоящих из
образующих линий l и направляющей
n.
2.
Проекция
линии
m2 ,
принадлежащей поверхности Ф.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.17. Линия на поверхности
Алгоритм решения задачи:
1. Находим точки 12, 22, 32, 42 пересечения проекции линии m2 с проекцией
каркаса поверхности, т.е. соответственно с проекциями линий l12, l22, l32, l42 .
2. По линиям связи находим проекции точек 11, 21, 31, 41, как точки лежащие
на проекциях образующих каркаса соответственно l11, l21, l31, l41 и определяющих
положение проекции линии т1 на поверхности Ф.
Задача 2. По одной проекции точки, принадлежащей поверхности, найти точку на
поверхности (рис. 8.18).
Дано:
1. Поверхность Ф , заданная
проекциями каркаса состоящего из
образующих l и направляющих n.
2. Проекция точки К1,
принадлежащей поверхности Ф.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.18. Точка на поверхности
Алгоритм решения задачи:
1. Через заданную проекцию точки К1 проводим одноименную проекцию
произвольной вспомогательной линии принадлежащей поверхности т1.
2. Находим точки 11, 21, 31, 41, пересечения проекции линии m1 с проекцией каркаса
поверхности, т.е. соответственно с проекциями линий l11, l21, l31, l41.
3. По линиям связи находим проекции точек 12, 22, 32, 42 как точки лежащие
на проекциях образующих каркаса соответственноl12, l22, l32, l42 и определяющих
положение проекции линии т2 на поверхности Ф.
4. По линии связи находим положение проекции точки К2, как точку принадлежащую
вспомогательной линии т2.
ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКОСТЬЮ
В зависимости от положения плоскости по отношению к плоскостям проекций,
сложность решения позиционной задачи, по определению линии пересечения ее с
поверхностью существенно меняется. Наиболее простым представляется случай, когда
плоскость проецирующая. Рассмотрим решение задачи по определению линии
пересечения сферы фронтально - проецирующей плоскостью α (рис.8.19).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.19. Пересечение сферы фронтально - проецирующей плоскостью
Окружность, по которой плоскость α пересекает сферу, проецируется на плоскости
П1 и П3 в виде эллипса, а на плоскость П2 в прямую линию ограниченную очерком сферы.
Охарактеризуем выбранные для построения точки:
1, 8две вершины эллипса, определяющие положение малой оси, их
фронтальные проекции определяют пересечение следа плоскости α с очерком сферы, а
горизонтальные проекции являются соответственно высшей и низшей точками
сечения
2, 3- фронтальные проекции этих точек лежит на вертикальной оси сферы, а
профильные проекции будут лежать на очерке сферы и определять зону видимости
при построении эллипса на П3.
 4, 5- две вершины эллипса, определяющие положение большой оси эллипса,
положение их фронтальной проекции определяет перпендикуляр, опущенный из
центра сферы к следу плоскости α.
 6, 7- Фронтальные проекции этих точек лежат на горизонтальной оси сферы,
т.е. принадлежат экватору сферы, их горизонтальная проекция лежит на очерке сферы
и определяет зону видимости при построении эллипса на П1.
Линия пересечения плоскости α и сферы на фронтальной плоскости проекций
совпадает со следом плоскости на ней отмечаем точки 12…82. Для нахождения
горизонтальных проекций этих точек в общем случае используется метод
вспомогательных секущих плоскостей (β- горизонтальные плоскости уровня) .
Например, через точки 22, 32 проведем след плоскости β12 , на горизонтальной
плоскости проекций линией пересечения плоскости β1 и сферы будет окружность m11 ,
а точки 21 и 31 лежат на этой окружности по линии связи ( в данном случае осевой
линии). Таким образом находятся все точки, кроме 11 и 81 , которые ввиду своего
положения на очерке фронтальной проекции сферы будут принадлежать
горизонтальной осевой линии на плоскости П1. Построенные точки 11…81 соединим
плавной кривой линией с учетом видимости.
Задача, когда сферу пересекает плоскость общего положения, например заданная
двумя пересекающимися прямыми α(h∩f) решается следующим образом:
Рисунок 8.20. Пересечение сферы плоскостью общего положения
1. Произведем замену плоскостей проекций таким образом, чтобы плоскость α стала
проецирующей, т.е. переведем плоскость общего положения в частное. h – горизонталь, fфронталь, чтобы перевести плоскость α в положение проецирующей плоскости
необходимо выбрать новую плоскость проекций, либо перпендикулярно горизонтальной
проекции горизонтали h1, либо перпендикулярно фронтальной проекции фронталь – f2
(рис.8.20).
2. Дальнейшее решение аналогично предыдущей задаче.
Рассмотрим еще один способ решения позиционной задачи по определению линии,
пересечения поверхности вращения и плоскости общего положения, заданной двумя
пересекающимися прямыми α(h∩f) (рис.8.21).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.21. Пересечение параболоида вращения плоскостью общего положения
Сечение поверхности Ф плоскостью α(h∩f) и проекции этого сечения на плоскость,
перпендикулярную оси i, являются кривыми, имеющими ось симметрии. Для
доказательства этого утверждения проведем вспомогательную плоскость β,
перпендикулярную оси i. Вспомогательная плоскость пересечет заданную поверхность по
параллели p, фронтальная проекция которой p2, совпадает со следом плоскости β2, а
горизонтальная проекция p1- является окружностью. Линией пересечения
вспомогательной плоскости с заданной плоскостью α(h∩f) является горизонталь h1.
Параллель p и горизонталь h1, находясь в одной плоскости β, пересекаются в точках
1 и 2, которые принадлежат искомой линии. Полученные точки симметричны друг другу
относительно плоскости σ, перпендикулярной хорде 1-2 и проходящей через ее середину.
Заметим, что плоскость σ, являясь множеством точек, равноудаленных от концов хорды 1
- 2, пройдет через ось i поверхности вращения, все точки которой также равноудалены от
точек 1 и 2.
Очевидно, что для любой другой пары точек, расположенных на концах хорд других
окружностей (но параллельных хорде 1-2), плоскость σ будет также являться плоскостью
симметрии. Следовательно, кривая сечения поверхности вращения плоскостью α
представляет собой кривую симметричную, осью симметрии которой служит линия
пересечения плоскостей α и σ – прямая, пересекающая поверхность в точках 3 и 4 (линия
наибольшего ската плоскости α проходящая через ось поверхности вращения).
Таким образом, используя вспомогательные горизонтальные секущие плоскости
можно получить необходимое множество точек для построения линии пересечения
плоскости α и поверхности Ф, которой является эллипс. Поэтому для более точного
построения необходимо учитывать точки, определяющие положение осей эллипса (3,4,5 и
6)
Однако, если не учитывать характерные точки, определяющие границу зоны
видимости линии пересечения и высшую и низшую точки этой линии, построение будет
неточным.
Точки, определяющие зону видимости- 7 и 8, расположены на главном меридиане
поверхности. Для построения их, через главный меридиан проведем вспомогательную
секущую плоскость γ, параллельную фронтальной плоскости проекций. Плоскость γ
пересекает плоскость α по фронтали f1, которая, в свою очередь, находясь в одной
плоскости с главным меридианом, пересекается с ним в искомых точках 7 и 8.
Высшая и низшая точки сечения - 3 и 4 находятся на линии наибольшего ската
плоскости α, проходящей через ось поверхности Ф т.е. на прямой s. Эту прямую и
меридиан поверхности, плоскость которого совпадает с прямой s, повернем вокруг оси i
до положения s1, когда прямая s и плоскость меридиана окажутся параллельными П2.
Отметим при этом, что точка К пересечения прямой s и осью i остается неподвижной, а
вращаемый меридиан в итоге совместится с главным меридианом- очерком фронтальной
проекции поверхности вращения. Отметим точки пересечения фронтальной проекции
главного меридиана и повернутой прямой. Возвращая обратным поворотом прямую s с
найденными точками в исходное положение, находим положение точек 3 и 4.
Соединив, полученные точки кривой с учетом видимости получим линию
пересечения плоскости α с поверхностью Ф.
КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ.
Рисунок 8.22. Конические сечения
В зависимости от положения
секущей плоскости линиями
сечения конической поверхности
могут быть (рис.8.22): эллипс,
парабола, гипербола, а в частных
случаях: окружность, прямая, две
пересекающиеся прямые и точка.
Если плоскость Ф пересекает
все образующие
поверхности
конуса вращения, т.е. если φ>α, то
линией сечения является эллипс
(рис.8.23) В этом случае секущая
плоскость не параллельна ни
одной из образующих поверхности
конуса.
В частном случае (φ=900)
такая
плоскость
пересекает
поверхность
конуса
по
окружности (рис.8.24); и сечение
вырождается в точку, если
плоскость
проходит
через
вершину конуса.
Если
плоскость
Ф
параллельна одной образующей
поверхности конуса, т.е. φ=α, то
линией
пересечения
является
парабола (рис.8.25). В частном
случае
(плоскость
является
касательной к поверхности конуса)
сечение вырождается в прямую.
Рисунок 8.23. Эллипс
Рисунок 8.24. Окружность
Рисунок 8.25. Парабола
Рисунок 8.26. Гипербола
Если плоскость Ф параллельна двум
образующим поверхности конуса (в частном
случае параллельна оси конуса), т.е. φ<α, то
линией сечения является
гипербола(рис.8.26). В случае прохождения
плоскости через вершину конической
поверхности фигурой сечения могут быть
сами образующие, т.е. гипербола
вырождается в две пересекающие прямые
(рис.8.27).
Рисунок 8.27. Пересекающиеся прямые
Лекция №8 часть 3
Метод вспомогательных секущих плоскостей. Метод вспомогательных
секущих сфер.
Частные случаи пересечения поверхностей второго порядка.
ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ЛИНИИ С ПОВЕРХНОСТЬЮ
Рисунок 8.28. Пересечение линии с
поверхностью
В общем случае для графического
определения точек пересечения линии с
поверхностью
(рис.8.28)
необходимо
выполнить ряд геометрических построений,
описываемых следующим алгоритмом:
1. Заключаем линию l в некоторую
вспомогательную поверхность Δ;
1. Строим линию m пересечения
данной поверхности Ф и вспомогательной
поверхности Δ;
2. Определяем искомую точку К
пересечения линии l и m (точка может
быть не единственная).
В
качестве
вспомогательной
поверхности целесообразно использовать
проецирующую
цилиндрическую
поверхность, направляющей которой должна
служить заданная линия, а –прямолинейными
образующими – проецирующие прямые.
Пример: Определить точки пересечения
прямой линии с поверхностью конуса
вращения и определить видимость прямой по
отношению к конусу.
Если в качестве вспомогательной
секущей
плоскости
можно
выбрать
горизонтально
проецирующую
или
фронтально проецирующую плоскости, то в
сечении получатся соответственно гипербола
(рис.8.29а)
или
эллипс
(рис.8.29б).
Построение кривых линий значительно
усложняет задачу.
а) горизонтально проецирующая плоскость
б) фронтально проецирующая плоскость
Рисунок 8.29 Пересечение прямой линии с конусом
(вспомогательная секущая плоскость- проецирующая плоскость )
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.30. Пересечение прямой линии с конусом
(вспомогательная секущая плоскость-плоскость общего положения)
Поэтому в качестве вспомогательной секущей плоскости целесообразно выбрать
такую плоскость, которая бы включала прямую l и пересекала конус по образующим
(рис.8.30). Очевидно, что такая плоскость определяется прямой l и точкой S- вершиной
конуса. Пусть основание конуса лежит в горизонтальной плоскости проекций, тогда
линия пересечения вспомогательной секущей плоскости и горизонтальной плоскости
проекций ВС пересекает основание конуса в точках D и F. Таким образом в сечении
конуса вспомогательной секущей плоскостью получится треугольник DFS. Так как
полученный треугольник и прямая l лежат в одной плоскости, точки их пересечения К и
Ми есть точки пересечения прямой с конусом.
ВЗАИМНОЕ ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Линией пересечения двух поверхностей является множество точек, общих для
данных поверхностей. Из этого множества выделяют характерные (опорные, или главные)
точки, с которых следует начинать построение этой линии. Они позволяют увидеть, в
каких границах можно изменять положение вспомогательных секущих поверхностей для
определения остальных точек.
К таким точкам относятся: экстремальные точки- верхняя и нижняя точки
относительно той или иной плоскости проекций; точки, расположенные на очерковых
образующих некоторых поверхностей точки границы зоны видимости и т.д.
Следует имеет в виду, что линия пересечения двух поверхностей в проекциях всегда
располагается в пределах контура наложения проекций двух пересекающихся
поверхностей.
Иногда целесообразно воспользоваться преобразованием чертежа, чтобы
представить пересекающиеся поверхности (или одну из них) в частном положении.
Для определения этих точек часто пользуются вспомогательными секущими
поверхностями. Поверхности-посредники пересекают данные поверхности по линиям,
которые, в свою очередь, пересекаются в точках линии пересечения данных поверхностей.
Секущие поверхности-посредники выбираются так, чтобы они, пересекаясь с
данными поверхностями, давали простые для построения линии, например прямые и
окружности.
Из общей схемы построения линии пересечения поверхностей выделяют два
основных метода - метод секущих плоскостей и метод секущих сфер.
В общем случае решение задачи по построении линии пересечения двух
поверхностей может быть сведено к рассмотренным ранее задачам по определению:
1. Точек пересечения линии с поверхностью;
2. Линии пересечения плоскости и поверхности;
3. Комбинации первой и второй задачи.
МЕТОД ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СЕКУЩИХ ПЛОСКОСТЕЙ.
Вспомогательные секущие плоскости чаще всего выбирают проецирующими и
параллельными одной из плоскостей проекций - плоскостями уровня.
Этот способ рекомендуется применять, если сечения заданных поверхностей одной и
той же плоскостью являются прямыми линиями или окружностями. Такая возможность
существует в трех случаях:
1. Если образующие (окружности) расположены в общих плоскостях уровня;
2. Если в общих плоскостях уровня оказываются прямолинейные образующие
линейчатой поверхности и окружности циклической;
3. Линейчатые каркасы заданных поверхностей принадлежат общим плоскостям
уровня или пучкам плоскостей общего положения.
Пример 1: Рассмотрим построение
линии пересечения треугольной призмы с
конусом (рис.8.31) . Пусть ось вращения
конуса перпендикулярна плоскости П1, а
грани призмы перпендикулярны плоскости
П2 .
В этом случае призму можно
рассматривать, как три плоскости α, β, γ,
проходящие через ее грани, а задача
сводится к нахождению линий пересечения
этих плоскостей с конусом. При этом в
соответствии с характерными сечениями
конуса известно, что плоскость α пересекает
конус по окружности параллельной П1, βпо гиперболе параллельной П3, а γ- по
эллипсу.
На плоскость П2 линии пересечения от
всех плоскостей проецируются в прямые,
совпадающие со следами плоскостей α, β, и
γ.
Для построения проекций этих линий
на плоскости П1 и П3 отметим характерные
точки на уже имеющейся фронтальной
проекции линий пересечения:
б) эпюр
а) модель
Рисунок 8.31. Пересечение конуса и призмы
Точки 12 и 62 – пересечения плоскости γ с очерком проекции конуса на плоскость П2
(главным меридианом), эти точки определяют положение большой оси эллипса, кроме
того точка 12 –проекция точки вершины гиперболы и одновременно принадлежит конусу
(лежит на очерке фронтальной проекции конуса) и ребру призмы (линии пересечения
плоскостей α и β), а точка 62- проекция точки, одновременно принадлежащей конусу и
ребру призмы (линии пересечения плоскостей α и γ); точки 2, 3, 7 и 8 – характерны тем,
что их профильные проекции лежат на очерке проекции конуса; 42, 52- точки, лежащие на
середине отрезка 1262 (большой оси эллипса) и определяют положение малой оси эллипса;
9,10 – точки одновременно принадлежащие конусу и ребру призмы (образованному
пересечением плоскостей α и β).
Рассмотрим последовательность нахождения проекций точек 4 и 5. Через
фронтальные проекции этих точек проведем вспомогательную секущую плоскость φ. Эта
плоскость пересекает конус по параллели p, а грань призмы по прямой линии m,
параллельной ребру. На горизонтальной плоскости проекций пересечение p 1 и m 1
определяют положение точек 41 и 51. Для точного построения кривых линий пересечения
поверхностей обозначенных точек не достаточно. После нахождения проекций всех точек
их необходимо соединить с учетом видимости.
Пример 2: Пересечение
сферы и цилиндра (рис.8.32).В
данном примере
вспомогательные плоскости
уровня могут быть
параллельными плоскостям П2
и П1. В первом случае
фронтальные плоскости
пересекают сферу по
окружности, а цилиндр по
прямолинейным образующим.
Одна из таких
плоскостей α пересекается с
поверхностями по дуге
окружности a и прямой линии b.
Точка 1 пересечения дуги
окружности а и прямой b
принадлежат искомой кривой.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.32. Пересечение полусферы и эллиптического цилиндра
С помощью вспомогательной секущей плоскости  (плоскости главного фронтального
меридиана полусферы) найдены точки 2 и 3, как точки пересечения главного фронтального
меридиана полусферы - дуги окружности с с линиями d и g. Плоскость - плоскость главного
фронтального меридиана цилиндра, пересекает полусферу по дуге окружности - k которая в свою
очередь пересекаясь с фронтальным меридианом цилиндра l и m определяет положение точек 4
и 5. Аналогично, с помощью плоскости  найдены точки 6 и 7.
Точка 8 найдена с помощью фронтально проецирующей плоскости параллельной
горизонтальной плоскости проекций, которая пересекает полусферу по окружности - экватору h, а
цилиндр по окружности основания s.
Характерными точками, в данном случае, являются точки 1- 5 и 8, лежащие на
очерках проекций поверхностей. Кроме того, точки 1 и 8 определяют границу зоны
видимости кривой на плоскость П1, а точки 4 и 5 – границу зоны видимости на плоскость
П2 .
МЕТОД ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СЕКУЩИХ СФЕР.
При определении линии пересечения двух поверхностей вращения, при их особом
взаимном расположении, не всегда рационально применять вспомогательные секущие
плоскости. В некоторых случаях применяют метод вспомогательных секущих сфер –
концентрических или эксцентрических.
Концентрические
сферические
посредники
применяются при определении
линии
пересечения
двух
поверхностей
вращения
с
пересекающимися осями.
Каждая из этих поверхностей
имеет семейство окружностей,
являющихся линиями сечения их
концентрическими
сферами.
Применению
метода
концентрических сфер должно
предшествовать
такое
преобразование
чертежа
в
результате которого оси обеих
поверхностей
должны
быть
расположены параллельно одной и
той же плоскости проекций
(рис.8.33) или одна из осей
становиться
проецирующей
прямой, а вторая - линией уровня
(рис.34).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.33. Пересечение поверхностей вращения, оси которых параллельны фронтальной
плоскости проекций.
Оси поверхностей G и Q параллельны фронтальной плоскости проекций и
пересекаются в точки А (рис.8.33). Эта точка принимается за центр всех вспомогательных
концентрических сфер. Каждая из концентрических сфер пересекает поверхности по
окружностям - параллелям (а, b, c, d, n), фронтальные проекции которых являются
прямыми линиями (а2, b2, c2, d2, n2). Проекции точек 12, 22, 32, 42, 52 и 62 пересечения
проекций параллелей принадлежат проекции искомой линии пересечения поверхностей.
Пересечение главных меридианов определяет крайние точки 7 и 8.
Для точного построения линии
пересечения поверхностей необходимо
найти точки 9 и 10, которые
определяют границу зоны видимости
линии пересечения поверхностей на
горизонтальной проекции. Для этой
цели использовалась вспомогательная
секущая плоскость  которая
пересекает поверхность Q по линии m,
а поверхность G по образующим,
горизонтальные проекции которых
пересекаясь определяют положение
искомых точек.
Соединив найденные точки 1...10
с учетом видимости получим линию
пересечения поверхностей.
Вторым примером использования
в качестве вспомогательных
поверхностей посредников
концентрических сфер рассмотрим при
определении линии пересечения
поверхностей предложенных на
рисунке 8.34. Оси поверхностей
вращения G и Q пересекаются в точки
А , при этом ось поверхности Q фронтально проецирующая прямая, а
ось поверхности G - горизонталь.
Точка А принимается за центр всех
вспомогательных концентрических
сфер.
Точки 1 и 2 линии пересечения
построены с помощью сферы радиуса
R. Эта сфера пересекает поверхность
Q по окружности а, а поверхность G
по окружности в, которая показана
только на горизонтальной проекции.
Пересечение горизонтальных проекций
окружностей а1 и в1 определяют
проекции 11 и 21 точек линии
пересечения. Их фронтальные
проекции 12 и 22 построены на а2
пересечении с линиями связи.
Рисунок 8.34. Пересечение
Аналогично найдены точки 3 и 4.
поверхностей вращения, ось одной - горизонтально
Для нахождения точек 5 и 6
проецирующая прямая, а второй - горизонталь
определяющих границу зоны
видимости на горизонтальной
проекции использовалась
вспомогательная секущая плоскость ,
которая пересекает поверхность Q по
окружность n, а коническую
поверхность G по треугольнику
определяющему ее очерк на
горизонтальной проекции.
Точки 7 и 8 находятся на границе
зоны видимости фронтальной
проекции, для их нахождения
используется вспомогательная секущая
плоскость .
Соединив найденные точки 1...8 с
учетом видимости получим линию
пересечения поверхностей G и Q.
Эксцентрические сферические
посредники применяются при
определении точек линии пересечения
поверхностей вращения с
поверхностью несущей на себе
непрерывное множество окружностей.
Обе поверхности должны иметь общую
плоскость симметрии.
Вспомогательные эксцентрические
сферы пересекаются с данными
поверхностями по окружностям.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.35. Пересечение конуса и сферы
Определения линии пересечения конуса и сферы применение эксцентричных сфер,
как поверхностей - посредников. Центры сфер - точки расположены на оси конуса.
Сфера пересекает конус и сферу по окружностям , которые пересекаются в двух точках,
принадлежащих искомой линии пересечения (рис.8.35а).
Верхняя и нижняя точки линии пересечения найдены с помощью вспомогательной
секущей плоскости - плоскости главного фронтального меридиана, пересекающая конус и
сферу по треугольнику и окружности, являющимися очерками поверхностей на
фронтальной плоскости проекций.
Точки определяющие границу зоны видимости линии пересечения на
горизонтальной плоскости проекций, найдены с помощью вспомогательной секущей
плоскости - горизонтальной плоскости уровня, пересекающей сферу по экватору окружности являющейся очерком шара на горизонтальной проекции, а конус по
окружности - параллели.
Найденные с помощью вспомогательных поверхностей посредников точки
определяют линию пересечения конуса и шара.
Рассмотрим на примере определения линии пересечения конуса Q и сферы G
(рис.8.35б) применение эксцентричных сфер, как поверхностей - посредников. Центры
сфер - точки А1, А2 и А3 расположены на оси конуса. Сфера радиуса R1 с центром в точке
А1 пересекает конус и сферу по окружностям аи в, которые пересекаются в точках 1 и 2,
принадлежащих искомой линии пересечения. С помощью сферы R2 с центром А2 исферы
R3 с центром А3 определено положение точек 3, 4 и 5,6 соответственно. Точки 7 и 8
найдены с помощью вспомогательной секущей плоскости  (плоскости фронтального
меридиана), пересекающая конус и сферу по главном фронтальном меридианам k и l.
Точки 9 и 10, определяющие границу зоны видимости линии пересечения на
горизонтальной плоскости проекций, найдены с помощью вспомогательной секущей
плоскости  (горизонтальной плоскости уровня), пересекающей сферу G по экватору s, а
конус Q по окружности p. Найденные с помощью вспомогательных поверхностей
посредников точки 1...10 определяют линию пересечения конуса и шара.
ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ВТОРОГО ПОРЯДКА
Поверхностью второго порядка называется множество точек пространства,
декартовы координаты, которых удовлетворяют алгебраическому уравнению второй
степени.
Две поверхности второго порядка в общем случае пересекаются по
пространственной линии четвертого порядка, которую называют биквадратной кривой.
В некоторых случаях биквадратная кривая распадается на две плоские кривые
второго порядка, причем одна из них может быть мнимой.
Опуская доказательства, приведем некоторые теоремы и примеры, иллюстрирующие
их применение.
Теорема 1. Если две поверхности второго порядка пересекаются по одной
плоской кривой, то существует и другая плоская кривая, по которой они
пересекаются.
Рассмотрим пример, к которому приложима теорема.
Фронтальные проекции 2 сферы  и 2 эллиптического цилиндра , имеющих
общую окружность m(m2) с центром О(О2) (рис.8.36).
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.36. Пересечение сферы и эллиптического цилиндра
Плоскость σ, определяемая центром сферы С и осью i цилиндра, является
плоскостью симметрии заданных поверхностей, и параллельна фронтальной плоскости
проекций.
Общая окружность радиуса r – это одна из плоских кривых второго порядка
распавшейся линии пересечения. Остается построить вторую кривую, плоскость α
которой должна быть в условиях данного примера перпендикулярна плоскости симметрии
σ, а следовательно и П2. Вторая линия пересечения (окружность) проецируется на П2 в
виде отрезка прямой n2. Для ее построения следует воспользоваться точками А2 и В2,
принадлежащими очеркам заданных поверхностей.
Теорема 2.(о двойном касании). Если две поверхности второго порядка имеют
касание в двух точках А и В, то линия их пересечения распадается на две плоские
кривые второго порядка, плоскость которых проходит через отрезок АВ,
соединяющий точки касания.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.37 Пересечение сферы и эллиптического цилиндра
имеющих две точки касания
Например, по двум окружностям m и n пересекается сфера  и эллиптический
цилиндр  (рис.8.37). Точки касания и касательные плоскости обозначены
соответственно через А, В, α, β. Окружности, на которые распалась линия пересечения
поверхностей, расположены во фронтально- проецирующих плоскостях γ и δ.
Теорема 3. (теорема Г. Монжа). Если две поверхности второго порядка описаны
около третьей или вписаны в нее, то линия их пересечения распадается на две
плоские кривые второго порядка. Плоскости этих кривых проходят через прямую,
соединяющую точки линий касания.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.38. Пересечение конуса и цилиндра имеющих общую вписанную сферу
В соответствии с этой теоремой линия пересечения конуса Σ и цилиндра 
(рис.8.38), описанных около сферы , будут плоскими кривыми – эллипсами
(расположенными в плоскостях  и ), фронтальные проекции которых изображаются
прямыми А2В2 и С2Д2,
Теорема Монжа находит эффективное применение при конструировании
трубопроводов.
Теорема 4. Если две поверхности второго порядка имеют общую плоскость
симметрии, то линия их пересечения проецируется на эту плоскость в виде кривой
второго порядка.
а) модель
б) эпюр
Рисунок 8.39. Пересечение сферы и цилиндра
Плоскость симметрии определена осью симметрии цилиндра  и центром сферы 
(рис.8.39). Плоскости принадлежат и симметричные сами себе точки A, B, C иD линий
пересечения. Проекция же линий на фронтальную плоскость имеет форму параболы m2 и
аналитически описывается формулой параболы.
Лекция №8 часть 4
Развертка поверхности. Основные свойства развертки. Развертка
поверхности многогранников. Развертка цилиндрической поверхности.
Развертка конической поверхности. Задание касательной плоскости на эпюре
Монжа. Поверхность касательная к поверхности.
РАЗВЕРТКА ПОВЕРХНОСТИ
Разверткой называется плоская фигура, полученная при совмещении поверхности
геометрического тела с одной плоскостью (без наложения граней или иных элементов
поверхности друг на друга).
Приступая к изучению развертки поверхности, последнюю целесообразно рассматривать как
гибкую, нерастяжимую пленку. Некоторые из представленных таким образом поверхностей
можно путем изгибания совместить с плоскостью. При этом, если отсек поверхности может быть
совмещен с плоскостью без разрывов и склеивания, то такую поверхность называют
развертывающейся, а полученную плоскую фигуру – ее разверткой.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАЗВЕРТКИ
1.Длины двух соответствующих линий поверхности и ее развертки равны между
собой;
2.Угол между линиями на поверхности равен углу между соответствующими им
линиями на развертке;
3.Прямой на поверхности соответствует также прямая на развертке;
4.Параллельным прямым на поверхности соответствуют также параллельные
прямые на развертке;
5.Если линии, принадлежащей поверхности и соединяющей две точки поверхности,
соответствует прямая на развертке, то эта линия является геодезической.
РАЗВЕРТКА ПОВЕРХНОСТИ МНОГОГРАННИКОВ
Разверткой многогранной поверхности называется плоская фигура, получаемая
последовательным совмещением всех граней поверхности с плоскостью.
Так как все грани многогранной поверхности изображаются на развертке в
натуральную величину, построение ее сводится к определению величины отдельных
граней поверхности – плоских многоугольников.
Существует три способа построения развертки многогранных поверхностей:
1. Способ нормального сечения;
2. Способ раскатки;
3. Способ треугольника.
Пример 1. Развертка пирамиды (рис. 8.40).
Рисунок 8.40. Пирамида и её развертка
При построении развертки пирамида применяется способ треугольника. Развертка
боковой поверхности пирамиды представляет собой плоскую фигуру, состоящую из
треугольников – граней пирамиды и многоугольника - основания. Поэтому построение
развертки пирамиды сводится к определению натуральной величины основания и граней
пирамиды. Грани пирамиды можно построить по трем сторонам треугольников, их
образующих. Для этого необходимо знать натуральную величину ребер и сторон
основания.
Рисунок 8.41. Определение истинной величины основания и ребер пирамиды
Алгоритм построения можно
сформулировать следующим образом
(рис. 8.41):
1. Определяют натуральную
величину основания пирамиды (например
методом замены плоскостей проекций);
2. Определяют истинную величину
всех ребер пирамиды любым из известных
способов (в данном примере натуральная
величина всех ребер пирамиды
определена методом вращения вокруг оси
перпендикулярной горизонтальной
плоскости проекций и проходящей через
вершину пирамиды S);
3. Строят основание пирамиды и по
найденным трем сторонам строят какуюлибо из боковых граней, пристраивая к
ней следующие (рис.8.42).
Точки, расположенные внутри
контура развертки, находят во взаимно
однозначном соответствии с точками
поверхности многогранника. Но
каждой точке тех ребер, по которым
многогранник разрезан, на развертке
соответствуют две точки,
Рисунок 8.42. Построение развертки пирамиды принадлежащие контуру развертки.
Примером первой точки на
рисунках служит точка К0 и КSАD, а
иллюстрацией второго случая
являются точки М0 и М0*. Для
определения точки К0 на развертке
пришлось по ее ортогональным
проекциям найти длины отрезков АМ (
метод замены плоскостей проекций) и
SК (метод вращения). Эти отрезки
были использованы затем при
построении на развертке сначала
прямой S0М0 и, наконец, точки К0.
Пример 2. Развертка призмы (рис.8.43).
Рисунок 8.43. Развертка призмы способом нормального сечения
В общем случае развертка призмы выполняется следующим образом. Преобразуют эпюр
так, чтобы ребра призмы стали параллельны новой плоскости проекций. Тогда на эту плоскость
ребра проецируются в натуральную величину.
Пересекая призму вспомогательной плоскостью α, перпендикулярной ее боковым ребрам
(способ нормального сечения), строят проекции фигуры нормального сечения – треугольника 1, 2,
3, а затем определяют истинную величину этого сечения. На примере она найдена методом
вращения.
В дальнейшем строям отрезок 10-10*, равный периметру нормального сечения. Через точки
10, 20, 30 и 10* проводят прямые, перпендикулярные 10-10*, на которых откладывают
соответствующие отрезки боковых ребер призмы, беря их с новой фронтальной проекции. Так, на
перпендикуляре, проходящем через точку 10, отложены отрезки 10D0=14D4 и 10А0=14А4.
Соединив концы отложенных отрезков, получают развертку боковой поверхности призмы.
Затем достраивают основание.
Пример 3. Развертка призмы, частный случай, когда основание призмы на одну из
плоскостей проекций проецируется в натуральную величину (рис. 8.44).
Рисунок 8.44. Развертка призмы способом раскатки
Развертка боковой поверхности такой призмы осуществляется способом раскатки. Этот
способ заключается в следующем. Сначала, как и в предыдущем примере, преобразуют эпюр так,
чтобы боковые ребра призмы стали параллельны одной из плоскостей проекций.
Затем новую проекцию призмы вращают вокруг ребра С4F4 до тех пор пока грань ACDF не
станет параллельной плоскости П4. При этом положение ребра С4F4 остается неизменным, а точки
принадлежащие ребру AD перемещаются по окружностям, радиус которых определяется
натуральной величиной отрезков AC и DF (так как основания призмы параллельны П1 то на эту
плоскость проекций они проецируются без искажения т.е. R=A1C1=D1F1), расположенных в
плоскостях, перпендикулярных ребру С4F4. Таким образом, траектории движения точек A и D на
плоскость П4 проецируются в прямые, перпендикулярные ребру С4F4.
Когда грань ACDF станет параллельна плоскости П4, она проецируется на неё без искажения
т.е. вершины A и D окажутся удаленными от неподвижных вершин C и F на расстояние, равное
натуральной величине отрезков AC и DF. Таким образом, засекая перпендикуляры, по которым
перемещаются точки A4 и D4 дугой радиуса R=A1C1=D1F1, можно получить искомое положение
точек развертки A0 и D0.
Следующую грань АBDE вращают вокруг ребра AD. На перпендикулярах, по
которым перемещаются точки B4 и E4 делают засечки из точек A0 и D0 дугой радиуса
R=A1B1=D1E1. Аналогично строится развертка последней боковой грани призмы.
Процесс последовательного нахождения граней призмы вращением вокруг ребер
можно представить как раскатку призмы на плоскость параллельную П4 и проходящую
через ребро С4F4.
Построение на развертке точки К, принадлежащей боковой грани АBDE, ясно из рисунка.
Предварительно через эту точку по грани провели прямую NМ, параллельную боковым ребрам,
которая затем построена на развертке.
РАЗВЕРТКА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Развертка цилиндрической поверхности выполняется аналогично развертке призмы.
Предварительно в заданный цилиндр вписывают n-угольную призму (рис.8.45). Чем
больше углов в призме, тем точнее развертка ( приn →∞призма преобразуется в
цилиндр).
Рисунок 8.45. Развертка цилиндрической поверхности
РАЗВЕРТКА КОНИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Развертка конической поверхности выполняется аналогично развертке пирамиды,
предварительно вписав в конус n-угольную пирамиду (рис.8.46).
Рисунок 8.46. Развертка конической поверхности
Если задана поверхность прямого конуса, то развертка его боковой поверхности
представляет круговой сектор, радиус которого равен длине образующей конической
поверхности l, а центральный угол φ=360о r / l, где r – радиус окружности основания
конуса.
ПЛОСКОСТЬ КАСАТЕЛЬНАЯ К ПОВЕРХНОСТИ
Касательные плоскости играют большую роль в геометрии. В теоретическом плане
плоскости, касательные к поверхности, используются в дифференциальной геометрии при
изучении свойств поверхности в районе точки касания.
Решение задач, возникающих при проектировании и конструировании поверхностейоболочек, требует проведения касательных плоскостей и нормалей к поверхности. При
построении на проекционном чертеже очерков поверхностей по заданному направлению
проецирования, при определении контуров собственных теней также необходимо строить
касательные плоскости к поверхности. Построение касательной плоскости к поверхности
представляет частный случай пересечения поверхности плоскостью.
Плоскость, касательная к поверхности,
имеет общую с этой поверхностью точку,
прямую или плоскую кривую линию. Плоскость в
одном месте может касаться поверхности, а в
другом пересекать эту поверхность. Линия
касания
может одновременно являться и
линией пересечения поверхности плоскостью.
Плоскость α (рис.8.47), представленную
двумя касательными, проведенными в точке А
поверхности Ф, называется касательной
плоскостью к поверхности в данной ее точке.
Любая кривая поверхности проходящая
через точку А, имеет в этой точке касательную
прямую, принадлежащую плоскости α.
Рисунок 8.47. Плоскость, касательная к
поверхности
Не в каждой точке поверхности можно
провести касательную плоскость. В некоторых
точках касательная плоскость не может быть
определена или не является единственной.
Такие точки называются особыми точками
поверхностей, например вершина конической
поверхности.
Прямую линию, проходящую через точку
касания и перпендикулярную касательной
плоскости, называют нормалью поверхности в
данной точке.
В зависимости от вида поверхности, касательная плоскость может иметь с поверхностью как
одну общую точку, так и множество точек. В зависимости от того, с каким случаем касания, мы
имеем дело, точки, принадлежащие поверхности подразделяют на эллиптические,
параболические и гиперболические:
1. Если касательная плоскость имеет с поверхностью только одну общую точку, то все
принадлежащие поверхности линии, проходящие через эту точку, будут расположены по одну
сторону от касательной плоскости (рис.8.47). Такие точки называются эллиптическими.
2. В случае проведения касательной плоскости к торсовой поверхности, образованной
непрерывным перемещением касательной прямой к некоторой пространственной кривой линии
(частный случай - коническая поверхность), плоскость будет касаться поверхности по прямой
линии – образующей. Точки, принадлежащие этой образующей, называются параболическими
(рис.8.48).
3. Точки поверхности, касательная плоскость, к которым пересекает поверхность, называют
гиперболическими (рис.8.49). Гиперболическая точка принадлежит линии, по которой
касательная плоскость пересекает поверхность.
Рисунок 8.48. Параболические точки касания
Рисунок 8.49. Гиперболические точки касания
ЗАДАНИЕ КАСАТЕЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ НА ЭПЮРЕ МОНЖА
Так как плоскость однозначно
определяется двумя пересекающимися
прямыми, то для построения касательной
плоскости к поверхности в данной точке,
достаточно через эту точку провести две
линии принадлежащие поверхности и к
каждой из них провести касательные в
заданной точке.
Касательной прямой к поверхности
называется прямая, касательная к какойлибо кривой принадлежащей поверхности.
Рассмотрим на примере (рис.8.50)
построение касательной плоскости к
параболоиду вращения Ф в точке М.
Для решения этой задачи через точку
М проведем две кривые плоские линии n и
m принадлежащие поверхности Ф. Линия n окружность, лежащая в горизонтальной
плоскости уровня проведенной через точку
М, линия m – парабола, лежащая в
горизонтально проецирующей плоскости
проведенной через вершину параболоида и
точку М. Чтобы построить касательную
плоскость достаточно провести к данным
линиям касательные.
Касательная к плоской кривой линии
лежит в одной плоскости с ней. Так как
линия n лежит в горизонтальной плоскости
то на плоскость П1 она проецируется в
натуральную величину n1, что позволяет
сразу построить горизонтальную проекцию
касательной к ней t11. На плоскость П2 Рисунок 8.50. Построение касательной окружность проецируется в прямую n2, а
фронтальная проекция касательной t21 будет
плоскости к параболоиду вращения
с ней совпадать.
Линия m лежит в горизонтально
проецирующей плоскость, поэтому её
горизонтальная проекция m1 – прямая,
определяющая и горизонтальную проекцию
касательной t12.
На плоскость П2 парабола проецируется с искажением m2, поэтому для построения
касательной, повернем поверхность Ф вокруг оси, до совмещения плоскости параболы с
фронтальной плоскостью проекций, проекция точки М2 при этом переместиться в
положение точки М2*.
Через эту точку проведем касательную t22* к очерку параболоида. И обратным
вращением находим проекцию касательной t22.
Две пересекающиеся в точке М2 прямые t21 и t22 определяют положение фронтальной
проекции касательной плоскости α2, а прямые t11 и t12 – горизонтальную проекцию
касательной плоскость α1.
Таким образом на эпюре получена плоскость α касательная к поверхности
параболоида вращения в точке М.
ПОВЕРХНОСТЬ КАСАТЕЛЬНАЯ К ПОВЕРХНОСТИ
Две поверхности могут соприкасаться одна с другой в точке (рис.8.51), по прямой
(рис.8.52) или по кривой линии (рис.8.53). Соприкасание может быть внешнее (рис.8.51)
или внутреннее (рис.8.53).
Рисунок 8.51.Внешнее касание шара и
конуса
Рисунок 8.52. Касание цилиндра и конуса
Соприкасание поверхностей 2-го порядка
можно рассматривать как частный случай их
пересечения. При этом справедливо следующее
положение: если биквадратная кривая линия
пересечения двух поверхностей второго порядка
распадается на пару совпавших кривых 2-го
порядка или на четыре совпавшие прямые, то
имеется касание поверхностей по линии 2-го или
1-го порядка соответственно.
Отметим без доказательства следующие
следствия частных случаев касания поверхностей
второго порядка:
1. Если две поверхности 2-го порядка касаются
в трех точках, то они соприкасаются по кривой 2-го
порядка;
2. Если две поверхности 2-го порядка касаются
друг друга по кривой линии, то эта линия является
кривой 2-го порядка;
3. Если две поверхности 2-го порядка описаны
около третьей поверхности 2-го порядка (или
Рисунок 8.53. Внутреннее касание шара
вписаны в неё), то они пересекаются по линии,
и конуса
распадающейся на две кривые 2-го порядка (теорема
Монжа).
Лекция № 9
Аксонометрические проекции. Стандартные аксонометрические проекции.
Основная теорема аксонометрии (теорема Польке). Окружность в
аксонометрии.
Построение аксонометрических изображений.
АКСОНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИИ
Аксонометрические изображения широко применяются благодаря хорошей
наглядности и простоте построений.
Слово «аксонометрия» в переводе с греческого означает измерение по осям.
Аксонометрический метод может сочетаться и с параллельным, и с центральным
проецированием при условии, что предмет проецируется вместе с координатной системой.
Сущность метода параллельного аксонометрического проецирования заключается в
том, что предмет относят к некоторой системе координат и затем проецируют
параллельными лучами на плоскость вместе с координатной системой.
На рисунке 9.1 показана точка А,
отнесенная к системе прямоугольных
координат xyz. Вектор S определяет
направление
проецирования
на
*
плоскость проекций П .
Аксонометрическую проекцию
горизонтальной проекции точки А
принято
называть
вторичной
проекцией.
А1*
Искажение
отрезков
осей
координат при их проецировании на П'
характеризуется
так
называемым
коэффициентом искажения.
Коэффициентом
искажения
называется
отношение
длинны
проекции отрезка оси на картине к
его истинной длине.
Так по оси x* коэффициент
искажения составляет u=0*x*/0x, а по
оси y* и z* соответственно υ=0*y*/0y и
ω=0*z*/0z.
В зависимости от отношения
коэффициентов
искажения
аксонометрические проекции могут
быть:
Рисунок 9.1. Сущность метода аксонометрического
проецирования
Изометрическими,
если
коэффициенты искажения по всем трем
осям равны между собой; в этом случае
u=υ=ω;
Диметрическими, если коэффициенты искажения по двум любым осям равны между
собой, а по третьей – отличается от первых двух;
Триметрическими, если все три коэффициента искажения по осям различны.
Аксонометрические проекции различаются также и по тому углу φ, который образуется
проецирующим лучом с плоскостью проекций. Если φ≠ 90o, то аксонометрическая проекция
называется косоугольной, а если φ= 90o – прямоугольной.
ОСНОВНАЯ ТЕОРЕМА АКСОНОМЕТРИИ (теорема ПОЛЬКЕ)
Рассмотрев общие сведения об аксонометрических проекциях, можно сделать
следующие выводы:
- аксонометрические чертежи обратимы;
- аксонометрическая и вторичная проекции точки вполне определяют её
положение в пространстве.
Аксонометрические проекции обратимы, если известна аксонометрия трех главных
направлений измерений фигуры и коэффициенты искажения по этим направлениям.
Аксонометрические проекции фигуры являются её проекциями на плоскости
произвольного положения при произвольно выбранном направлении проецирования.
Очевидно возможно и обратное. На плоскости можно выбрать произвольное
положение осей с произвольными аксонометрическими масштабами.
В пространстве всегда возможно такое положение натуральной системы
прямоугольных координат и такой размер натурального масштаба по осям,
параллельной проекцией которых является данная аксонометрическая система.
Немецкий ученый Карл Польке (1810-1876) сформулировал основную теорему
аксонометрии: три отрезка прямых произвольной длины, лежащих в одной плоскости
и выходящих из одной точки под произвольными углами друг к другу, представляют
параллельную проекцию трех равных отрезков, отложенных на координатных осях
от начала.
Согласно этой теореме, любые три прямые в плоскости, исходящие из одной точки и
не совпадающие между собой, можно принять за аксонометрические оси. Любые отрезки
произвольной длинны на этих прямых, отложенные от точки их пересечения, можно
принять за аксонометрические масштабы. Эта система аксонометрических осей и
масштабов является параллельной проекцией некоторой прямоугольной системы
координатных осей и натуральных масштабов.
В практике построения аксонометрических изображений обычно применяют лишь
некоторые определенные комбинации направлений аксонометрических осей и
аксонометрических масштабов: прямоугольная изометрия и диметрия, косоугольная
фронтальная диметрия, кабинетная проекция и др.
СТАНДАРТНЫЕ АКСОНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИИ
Согласно ГОСТ 2.317-69, из прямоугольных аксонометрических проекций рекомендуется
применять прямоугольные изометрию и диметрию.
Между коэффициентами искажения и
углом
φ,
образованным
направлением
проецирования и картинной плоскостью,
существует следующая зависимость:
u2+υ2+ω2=2+ctq2φ,
если φ=90o, то u2+υ2+ω2=2,
В изометрии u=υ=ω и, следовательно,
3u2=2, откуда u=2/3 ≈ 0,82.
Таким образом, в прямоугольной
изометрии размеры предмета по всем трем
измерениям сокращаются на 18 %. ГОСТ
рекомендует изометрическую проекцию
Рисунок 9.2. Расположение осей в изометрии строить без сокращения по осям координат
(рис.9.2), что соответствует увеличению
изображения против оригинала в 1,22 раза.
При
построении
прямоугольной
диметрической проекции сокращение длин по
оси y' (рис.9.3) принимают вдвое больше, чем по
двум другим, т.е. полагают, что
u=ω, а υ=0,5u.
Тогда 2u2+(0,5u)2=2, откуда u2=8/9 и u≈0,94,
а υ=0,47.
В практических построениях от таких
дробных коэффициентов обычно отказываются,
вводя масштаб увеличения, определяемый
соотношением
1/0,94=1,06,
и
тогда
коэффициенты искажения по осям x' и z' равны
единице, а по оси y' вдвое меньше υ=0,5.
Рисунок 9.3. Расположение осей в диметрии
Из
косоугольных
аксонометрических
проекций ГОСТом предусмотрено применение
фронтальной и горизонтальной изометрии и
фронтальной диметрии (последнюю ещё
называют кабинетной проекцией).
ОКРУЖНОСТЬ В АКСОНОМЕТРИИ
При
параллельном
проецировании
окружности
на
какую-нибудь
плоскость
П*
получаем ее изображение в общем
случае в виде эллипса (рис. 9.4).
Как бы ни была расположена
плоскость
окружности,
сначала
целесообразно
построить
параллелограмм
A*B*C*D*
–
параллельную проекцию квадрата
ABCD, описанного около данной
окружности, а затем с помощью
восьми точек и восьми касательных
вписать в него эллипс.
Точки 1, 3, 5 и 7 – середины
сторон параллелограмма. Точки 2, 4,
6 и 8 расположены на диагоналях
так, что каждая из них делит
полудиагональ в соотношении 3:7.
Рисунок 9.4. Проецирование окружности на плоскость
Действительно, на основании
свойств
параллельного
проецирования можно записать, что
А2/1О=A*2*/2*O*, Но А1/1О=(r√2r)/r≈3/7.
Из восьми касательных к
эллипсу первые четыре – это
стороны
параллелограмма,
а
остальные t2, t4, t6 иt8– прямые,
параллельные его диагоналям. Так
касательная
t2*
к
эллипсу
параллельна
диагонали
C*D*,
*
Объясняется это тем, что t2 и C*D*
являются
проекциями
двух
параллельных прямых t2 и CD.
Графические построения, предшествующие вычерчиванию самого эллипса, целесообразно
выполнять в следующей последовательности (рис.9.5):
Рисунок 9.5. Построение эллипса
1.
Построи
ть аксонометрическую проекцию
квадрата - параллелограмм A*B*C*D* и
провести диагонали A*C* и B*D*;
2.
Отметит
ь середины сторон параллелограмма –
точки 1*, 3*, 5* и 7* ;
3.
На
отрезке 3*B*, как на гипотенузе,
построить прямоугольный
равнобедренный треугольник 3*KB*;
4.
Из
точки 3* радиусом 3*K описать
полуокружность, которая пересечет
A*B* в точках L и M; эти точки делят
отрезок 3*A* и равный ему отрезок 3*B*
в отношении 3:7 ;
5.
Через
точки L и М провести прямые
параллельные боковым сторонам
параллелограмма, и отметить точки 2*,
4*, 6* и 8* расположенные на
диагоналях;
6.
Построи
ть касательные к эллипсу в найденных
точках. Касательных t2 и t6 параллельны
BD, а касательных t4 и t8 параллельны
AC.
7.
Получив
восемь точек и столько же касательных,
можно с достаточной точностью
вычертить эллипс.
ГОСТ 2.317-69 определяет положение окружностей, лежащих в плоскостях,
параллельных плоскостям проекций для прямоугольной изометрической проекции
(рис.9.6) и для прямоугольной диметрии (рис.9.7).
Рисунок 9.6. Изометрические проекции
Рисунок 9.7. Диметрические проекции
окружностей,
окружностей,
расположенных в плоскостях параллельных расположенных в плоскостях параллельных
плоскостям проекций
плоскостям проекций
Если изометрическую проекцию выполняют без искажения по осям x, y, z, то
большая ось эллипсов 1,2, 3 равна 1,22, а малая ось -0.71 диаметра окружности.
Если изометрическую проекцию выполняют с искажением по осям x, y, z, то большая
ось ось эллипсов 1, 2, 3 равна диаметру окружности, а малая - 0.58 диаметра окружности.
Если димметрическую проекцию выполняют без искажения по осям x и z то большая
ось эллипсов 1, 2, 3 равна 1,06 диаметра окружности, а малая ось эллипса 1 - 0.95,
эллипсов 2 и 3 - 0.35 диаметра окружности.
Если диметрическую проекцию выполняют с искажения по осям x и z, то большая
ось эллипсов 1, 2, 3 равна диаметру окружности, а малая ось эллипса 1 - 0.9, эллипсов 2 и
3 - 0,33 диаметра окружности.
1-эллипс (большая ось расположена под углом 900 к оси y); 2-эллипс (большая ось
расположена под углом 900 к оси z); 3-эллипс (большая ось расположена под углом 900 к
оси x).
ПОСТРОЕНИЕ АКСОНОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Переход от ортогональных проекций
предмета
к
аксонометрическому
изображению рекомендуется осуществлять
в такой последовательности (рис. 9.8):
1.
На
ортогональном
чертеже
размечают оси прямоугольной системы
координат, к которой и относят данный
предмет. Оси ориентируют так, чтобы они
допускали удобное измерение координат
точек предмета. Например, при построении
аксонометрии тела вращения одну из
координатных
осей
целесообразно
совместить с осью тела.
Рисунок 9.8. Построение аксонометрического
изображения
2. Строят аксонометрические оси с
таким
расчетом,
чтобы
обеспечить
наилучшую наглядность изображения и
видимость тех или иных точек предмета.
3. По одной из ортогональных
проекций предмета чертят вторичную
проекцию.
4.
Создают
аксонометрическое
изображение, для наглядности делают
вырез четверти.
ГОСТ 2.317-69 определяет условности и способы нанесения размеров при построении
аксонометрического изображения, основное внимание следует обратить на следующих:
Рисунок 14.9 Штриховка в аксонометрии
Линии штриховки сечения в аксонометрических проекциях наносят параллельно одной
из диагоналей проекций квадратов, лежащих в соответствующих координатных плоскостях,
стороны которых параллельны аксонометрическим осям.
При нанесении размеров выносные линии проводят параллельно аксонометрическим
осям, размерные линии – параллельно измеряемому отрезку.
В аксонометрических проекциях спицы маховиков и шкивов, ребра жесткости и
подобные элементы штрихуют.