Курс лекцій НАРИСНА ГЕОМЕТРІЯ. Курс лекцій удк 514. 18 В.І. Лусь. Нарисна геометрія Курс лекцій. Харків хнамг, 2008. 127 с
 Скачать 5.98 Mb.
|
 1.3 Ортогональне проектуванняВізьмемо в просторі довільну площину П1 (площина проекцій). Нехай точка А розташована поза цією площиною (рис. 1.6). Через точку А проведемо пряму s перпендикулярно до площини проекцій П1 (s ⊥П1). Пряма s називається проектуючою прямою. Знайдемо точку A1 перетину прямої s із площиною П1. Точка A1 називається ортогональною або прямокутною проекцією точки A на площині П1. Процес одержання точки A1 називається ортогональним або прямокутним проектуванням точки A на площину П1. Якщо точки розташовані на одній проектуючій прямій, то ортогональні проекції цих точок збігаються (C1 = D1 на рис. 1.6). Такі точки називаються конкуруючими. Ортогональною проекцією фігури називається множина ортогональних проекцій всіх точок цієї фігури. На рис. 1.6 ортогональною проекцією кривої m є крива m1. Для одержання m1 необхідно побудувати проекцію кожної точки лінії m. Прямі, що проектують точки кривої на площину, утворюють проектуючу поверхню ∆. На рис. 1.6 показано тільки кілька таких проектуючих прямих, які належать поверхні ∆. Розглянемо основні властивості ортогонального проектування: 1) Точка проектується в точку (проекцією точки є точка). Якщо точка належить площині проекцій (рис.1.6), то точка і її проекція збігаються (точка проектується сама в себе). Це випливає з визначення проектування. 2) Пряма, у загальному випадку, проектується в пряму. Пряма, перпендикулярна до площини проекцій, проектується в точку. Лінія m1 (рис. 1.6) є лінія перетину проектуючої поверхні ∆і площини проекцій П1. Якщо замість кривої m взяти пряму, то поверхня ∆буде площиною, а лінія m1, як лінія перетину двох площин, буде прямою лінією. Таким чином, пряма лінія, не перпендикулярна до площини проекцій, проектується в пряму лінію. Для будь-якої точки прямої, перпендикулярної до площини проекцій, сама ця пряма і є проектуючою прямою, тому проекції всіх точок збіжаться, тобто пряма в цьому випадку проектується в точку. 3) Якщо точка належить прямій, то її проекція належить проекції цієї прямої. Проекцією прямої є множина проекцій всіх її точок, у тому числі згаданої в цій властивості точки. 4) Пересічні прямі в загальному випадку проектуються в прямі, що перетинаються. 12  Це легко довести, якщо для точки перетину прямих застосувати властивість 3.В окремому випадку проекції пересічних прямих можуть збігатися або одна із прямих може проектуватися в точку, що належить проекції іншої прямої. 5) Паралельні прямі в загальному випадку проектуються в паралельні прямі. Проектуюча поверхня ∆(рис.1.6) для прямої буде площиною і називається проектуючою площиною. Проектуючі площини в паралельних прямих паралельні й перетинаються площиною проекцій по паралельних прямих (проекціям). В окремому випадку проекцією паралельних прямих можуть бути дві точки або прямі, що збігаються. 6) Відрізок проектується у відрізок. Відрізок, перпендикулярний до площини проекцій, проектується в точку. Довжина проекції відрізка дорівнює довжині відрізка, помноженої на косинус кута нахилу відрізка до площини проекцій (при проектуванні на П1: |A1B1|=|AB|cos ). Оскільки пряма проектується в пряму, то і частина прямій (відрізок) проектується в частину прямої (відрізок). На рис.1.7 відрізок AB проектуєтьсяувідрізокA1B1. Відрізок AB’ проведений паралельно відрізку A1B1 (AB’ ║ A1B1). Із прямокутникаA1AB’В1і прямокутноготрикутникаABB’ маємо A1B1= AB’|= A B|cos . Довжина проекції відрізка менше довжини відрізка (α ≠ 0) або дорівнює довжині відрізка (α = 0). Із цієї властивості випливає наступна властивість ортогонального проектування. 7) Відрізок, паралельний площині проекцій, проектується на неї в паралельний і рівний собі відрізок. 8) Відношення довжин відрізків AB і CD, що лежать на паралельних прямих або на одній прямій, при проектуванні не міняється. Кут нахилу відрізків, згаданих у цій властивості, до площини проекцій однаковий, тому A1B1: С1D1= AB| cos : CD| cos = AB|: CD|. 9) Фігура, що належить площині, паралельній площині проекцій, проектується на площину проекцій у рівну їй фігуру (в натуральну величину). Будь-який відрізок проектованої фігури паралельний площині проекцій (α = 0) і проектується в рівний йому відрізок (довжина проекції відрізка дорівнює довжині відрізка). Це значить, що й вся фігура проектується в рівну їй фігуру або натуральну величину. 10) Якщо дві площини проекцій паралельні, то проекції будь-якої фігури на ці площини рівні. Кут нахилу будь-якого відрізка фігури до цих площин проекцій однаковий 13  внаслідок їхньої паралельності. Тому відрізок, що з’єднує дві будь-які точкифігури, буде проектуватися на ці площини в рівні відрізки. Це значить, що будь-яка фігура буде проектуватися на паралельні площини в рівні фігури. 11) Величину проекції кута визначають по формулі Кут ВАС проектується в кут В1А1С1 (рис. 1.8). Точки В і С - це точки перетину сторін кута з площиною проекцій, тому вони проектуються самі в себе. Висновок формули заснований на використанні теореми косинусів для сторони ВС у трикутниках АВС і А1В1С1. При вивченні властивостейортогонального проектування рекомендується виконувати креслення типу рис.1.6 для кожної властивості й намагатися уявити собі фігури в просторі. Для розуміння всіх питань нарисної геометрії необхідно подумки представляти фігури й площини проекцій у просторі. Крім ортогонального проектування існують центральний, косокутний і інший види проектування. У даному курсі лекцій використовується тільки ортогональне проектування, тому надалі вид проектування вказувати не будемо. 2. КОМПЛЕКСНЕ КРЕСЛЕННЯ Зображення фігури, отримане при проектуванні фігури на площину, надає інформацію про фігуру. Але ця інформація є неповною. За зображенням на площині не можна відтворити фігуру і її положення у просторі, тобто креслення, що містить одну проекцію фігури, необоротне. Дійсно, за проекцією А1 (рис. 1.6) знайти точку А в просторі неможливо, тому що за проекцією не можна знайти відстань точки А до площини П1. За проекцією відрізка CD (точка C1 = D1) знайти довжину цього відрізка неможна. Одним з методів, що дозволяють домогтися оборотності креслення, є збільшення числа площин проекцій. 2.1. Комплексне креслення точки Розглянемо проектування точки на три й дві площини проекцій. У просторі задамо прямокутний паралелепіпед AA2Az3A1AxOAy (рис. 1.9). 14  Властивості цієї фігури відомі з курсу геометрії середньої школи: ребра,що виходять з однієї вершини, перпендикулярні одне одному; кожна грань - прямокутник; будь-яке ребро паралельне трьом ребрам і перпендикулярне восьми ребрам; паралельні ребра мають однакову довжину. Через ребра, що виходять з вершини O, проведемо осі X, Y, Z (рис. 1.10). Система OXYZ є декартовою системою координат (осі перпендикулярні, одиниця виміру однакова по всіх осях, точка O - початок координат). Через грані, що проходять через точку O, проведемо площини П1, П2, П3 (рис.1.11). Тоді осі X і Y належать площині П1 (горизонтальна площина проекцій), осі X і Z належать П2 (фронтальна площина проекцій), осі Y і Z належать П3 (профільна площина проекцій). Простір ділиться площинами проекцій П1, П2 і П3 на вісім частин - октантів. Номери їх показані на рис. 1.11. Рис. 1.9Рис. 1.10Рис. 1.11 Нехай точка А є точкою простору, для якої ми хочемо побудувати комплексне креслення. Тоді, ортогонально проектуючи точку А на П1, одержимо точку А1. Дійсно, точка А1 належить П1, ребро АА1 перпендикулярне до площини П1, тобто А1 - ортогональна проекція точки А на площину П1. Точка А1 - горизонтальна проекція точки А. Ортогонально проектуючи точку А на П2, одержимо А2 (фронтальна проекція точки А), ортогонально проектуючи точку А на П3, одержимо А3 (профільна проекція точки А). Доказ такий же, як і для проекції А1. Звернемо увагу на те, що при проектуванні точки на дві площини проекцій фігура AA1Ax2 - прямокутник, площина якого перпендикулярна до осі OX. Безрозмірне число, за абсолютною величиною рівне відстані від точки А до площини проекцій і взяте зі знаком, називається координатою точки. Так, наприклад, координата X (вимірюється уздовж осі X) за абсолютною величиною дорівнює довжині відрізка А3А і позитивна, якщо точка А перебуває в тому ж півпросторі щодо площини П3, що й позитивна піввісь осі X. У противному разі координата негативна. Всі ребра паралелепіпеда, паралельні й рівні А3А, будемо називати координатними відрізками X. Це відрізки А3А, АyА1, ОАx, АzА2. Довжини цих відрізків, узяті зі знаком, є координатою xА точки А. Аналогічно вводяться й координатні відрізки yА і zА. Координатні 15  відрізки yА: А2А; АxА1; ОАy; АzА3. Координатні відрізки zА: А1А; АyА3; ОАz;АxА2. Нагадаємо, що ламана ОАxА1А називається координатною ламаною. Її ланки - координатні відрізки xА, yА, zА. Запис В(3; 2; 5) означає, що координата xВ = 3, координата yВ = 2, координата zВ = 5. Будемо розглядати тільки ті точки і лінії, що розташовані в площинах проекцій і виконаємо повороти площин П1 і П3 навколо осей X і Y відповідно до сполучення із площиною П2. Напрямки поворотів на рис. 1.11 показані штриховими лініями. Площина П2 є площиною креслення. Після повороту осі координат займуть положення, показане на рис. 1.12. Рис. 1.12 Рис. 1.13 Вісь Y, рухаючись із площиною П1, попадає на вісь Z, а рухаючись із площиною П3, попадає на вісь X. Це друге положення осі y позначимо Y’. Добудовуючи ребра паралелепіпеда, розташовані в площинах проекцій, одержимо рис. 1.13. Оскільки ребра паралелепіпеда, що проходять через вершину Аx, взаємно перпендикулярні, то одержимо, що А2Аx і АxА1 розташовані на одній прямій, перпендикулярній до осі X. Аналогічно відрізки А2Аz і АzА3 розташовані на одній прямій, перпендикулярній до осі Z. Прямі (А1А2) і (А2А3) називаються лініями проекційного зв’язку (іноді під лініями проекційного зв’язку розуміють відповідні відрізки цих прямих). На рис. 1.13 позначені координатні відрізки xА, yА, zА. Для того щоб забезпечити лінійний зв’язок між А1 і А3, введемо пряму k (постійна пряма креслення). Ламану А1АkА3 (або дві пересічні прямі А1Аk і АkА3) будемо вважати лінією проекційного зв’язку для А1 і А3. Таким чином, точці А простору відповідає зображення на площині, що складається із трьох проекцій А1, А2, А3, зв’язаних між собою лініями проекційного зв’язку, що називається комплексним кресленням точки A у системі (П1П2П3). Це креслення оборотне, тому що на ньому присутні всі три координатних відрізки, що встановлює взаємно однозначну відповідність між точками простору і їхніми зображеннями на площині. 16  У курсі креслення при зображенні предметів на кресленні, горизонтальнапроекція називається видом зверху, фронтальна - видом спереду, профільна - видом ліворуч. Якщо відомі А1 і А2, то А3 можна побудувати. Досить провести через А2 лінію проекційного зв’язку перпендикулярно до осі Z і через А1 - ламану лінію проекційного зв’язку. Перетин цих ліній і буде точкою А3. Крім того, на кресленні, що містить тільки А1 і А2, присутні всі координатні відрізки, тобто таке креслення теж оборотне. Зображення точки А, що складається із проекцій А1 і А2, зв’язаних між собою лінією проекційного зв’язку, називається комплексним кресленням точки А в системі (П1П2) або комплексним кресленням. При одержанні такого креслення площина П3 не вводиться. Простір двома площинами П1 і П2 ділиться на чотири частини - чверті. Номери чвертей збігаються з номерами перших чотирьох октантів. Для побудови комплексного креслення точки А (xА, yА, zА) необхідно побудувати по координатах А1(xА, yА) і А2(xА, zА). Якщо розглядається комплексне креслення в системі (П1П2П3), то можна по координатах побудувати А3(yА, zА), при цьому використовується вісь Y’. Можна А3 побудувати і по лініях проекційного зв’язку. При відкладанні координатних відрізків на негативних півосях необхідно звернути увагу на те, що негативні півосі одних осей збігаються з позитивними півосями інших осей. На рис. 1.14 наведені комплексні креслення в системі (П1П2П3) точок А(3; 4; 2) і В(2; 3; -2), С(-1; 0; 3). Одиниця виміру позначена штрихами на координатних відрізках. Точка А перебуває в першому октанті, точка В - у четвертому октанті, точка С належить площині П2. Про точку С можна сказати, що вона належить п’ятому й шостому октантам одночасно. На рис. 1.15 наведені комплексні креслення в системі (П1П2) точок К(4; 2; 2) і L(5; -3; 4), M(6; -2; -3), N(1; 3; -5), F(-2; 3; 4). Точки К і F перебувають у першій чверті, точка L - у другій, точка М - у третій, точка N - у четвертій чверті. Рис. 1.14Рис. 1.15 Приналежність точки певної чверті або октанту можна виявити по знаках координат X, Y, Z цієї точки. Для точок кожної чверті або октанта характерні 17  певні знаки координат. Можна представити координатні площини, осікоординат (рис. 1.11) і подумки побудувати координатну ламану точки (ОAxА1А на рис. 1.11) і побачити в якій чверті або октанті перебуває точка. Знаки координат X, Y, Z в октантах: 1(+; +; +); 2(+; −+); 3(+; −−4(+; +; − 5(−; +; +); 6(−; −+); 7(−; −−8(−; +; − Знаки координат у чвертях: 1(±; +; +); 2(±; −+); 3(±; −−4(±; +; − Надалі розглядаються комплексні креслення фігур у системі (П1П2). Одиниця виміру по всіх осях однакова - один міліметр і спеціально позначатися штрихами не буде. 2.2. Комплексне креслення прямої Пряма, не паралельна ні одній із площин проекцій, називається прямою загального положення. Пряма, паралельна хоча б одній із площин проекцій, називається прямою окремого положення. Провести пряму на кресленні неможливо, тому що вона необмежена й не має певної довжини. Звичайно пряма задається на кресленні відрізком і передбачається, що відрізок при необхідності можна продовжити. При проектуванні прямої e на горизонтальну площину проекцій П1 одержимо пряму e1, при проектуванні прямої e на фронтальну площину проекцій П2 одержимо пряму e2. Пряма e1 - це горизонтальна проекція прямої e, пряма e2 - фронтальна проекція прямої e (рис. 1.16). Умовимося, на комплексному кресленні в системі (П1 П2), осі Y і Z не показувати. Запис e (e1, e2) означає, що пряма e на кресленні задана проекціями e1 і e2. Такий запис використовується не тільки для прямої, але й для будь-якої фігури. Пряма e є прямою загального положення. Переконаємося в цьому, розглянувши комплексні креслення прямих окремого положення (рис. 1.17). Пряма h, паралельна горизонтальній площині проекцій П1, називається горизонталлю. Відстані від кожної точки горизонталі h до П1 однакові, тому що h ║ П1. Ці відстані присутні на фронтальній площині проекцій (координатні відрізки Z для кожної точки прямої). Тому фронтальна проекція горизонталі паралельна осі X, тобто h2 ║ X . Пряма f, паралельна фронтальній площині проекцій П2, називається фронталлю. Відстані від кожної точки f до П2 однакові. Ці відстані присутні на горизонтальній площині проекцій (координатні відрізки Y для кожної точки прямої). Тому f1 ║ x . 18  Рис. 1.17Пряма a, перпендикулярна до горизонтальної площини проекцій П1, називається горизонтально - проектуючою прямою. На П1 вона проектується в точку. Тому що пряма a паралельна осі Z , то a2 паралельна осі Z на П2. Пряма a не тільки горизонтально - проетуюча пряма, але також є фронталлю, тому що a ║ П2 . Пряма b, перпендикулярна до фронтальної площини проекцій П2, називається фронтально - проектуючою прямою. На П2 вона проектується в точку. Пряма b також є горизонталлю. Прямі, паралельні площинам проекцій, називаються прямими рівня, або лініями рівня. Пряма n, паралельна П1 і П2, може бути названа прямою подвійного рівня (n1 ║ x, n2 ║ x), крім того n паралельна осі X. На комплексному кресленні в системі (П1 П2 П3) прямими окремого положення, крім розглянутих вище прямих, будуть прямі паралельні площині П3 -профільні прямі. На рис. 1.17 показані проекції p1 і p2 профільної прямої, у точок цієї прямої однакові координатні відрізки X. При побудові на комплексному кресленні профільної прямої необхідно задавати профільну проекцію цієї прямої. Помітно, що пряма n на комплексному кресленні в системі (П1П2П3) називається профільно - проектуючою прямою, її проекцією на П3 буде точка. Комплексні креслення прямих окремого положення мають яскраво виражені особливості - у прямих рівня є проекція, паралельна осі координат, у проектуючих прямих одна із проекцій - точка. Пряма e (рис. 1.16) не має цієї особливості, тому є прямою загального положення. Оскільки через дві точки проходить єдина пряма, то пряму можна задати двома точками. Від такого задання прямої легко перейти до задання прямої відрізком. Дійсно, з’єднавши по лінійці горизонтальні проекції точок, одержимо горизонтальну проекцію відрізка, з’єднавши фронтальні проекції точок, одержимо фронтальну проекцію відрізка. Якщо дані горизонтальна й фронтальна проекції прямої, то для того, щоб побудувати профільну проекцію прямої, необхідно побудувати профільні проекції двох будь-яких точок цієї 19 |