Архитектор дизайнер. Лекция 13 развертки поверхностей
 Скачать 487.48 Kb.
|
|
135 Лекция 13 РАЗВЕРТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ Построение разверток представляет важную техническую задачу, так как в про- мышленности широко применяются конструкции и изделия из листового материала, выполненные способом изгибания. Если поверхность представить в виде тонкой, гиб- кой и нерастяжимой пленки, то некоторые поверхности путем изгибания можно со- вместить с плоскостью без разрывов и складок. Такие поверхности называются развер- тывающимися, а фигура, полученная от совмещения поверхности с плоскостью, назы- вается разверткой. Определение. Поверхности, которые путем изгибания можно совместить с плос- костью без складок и разрывов, называются развертывающимися. Фигура, полученная от совмещения поверхности с плоскостью, называется разверткой этой поверхности. Поверхность и ее развертку можно рассматривать как две геометрические фигуры, между точками которых установлено взаимно однозначное соответствие. При развер- тывании поверхности взаимно однозначное соответствие между поверхностью и ее разверткой не нарушается: каждой точке поверхности соответствует единственная точ- ка на развертке. Из физической модели процесса развертывания поверхности на плос- кость (изгибание предварительно разрезанной поверхности без ее растяжения) следуют инвариантные метрические свойства поверхности и ее развертки. Инвариантные метрические свойства.На поверхности и на ее развертке сохра- няются равными: расстояние между точками поверхности, углы между пересекаю- щимися линиями в точках их пересечения и величины площадей фигур на поверхностях. Свойством развертываемости обладают многогранные поверхности и некоторые криволинейные поверхности. В дифференциальной геометрии доказывается, что к раз- вертывающимся криволинейным поверхностям относятся только линейчатые поверх- ности, состоящие исключительно из параболических точек. Касательная плоскость к такой поверхности касается ее не в одной точке, а вдоль прямолинейной образующей, проходящей через эту точку (см. п. 11.2). Отсюда следует признак развертываемости: у линейчатой развертывающейся поверхности касательные плоскости, проведенные во всех точках одной прямолинейной образующей, совпадают. Среди криволинейных поверхностей указанным признаком развертываемости на плоскость обладают только торсовые поверхности. Действительно, физическая модель образования торсовой поверхности общего вида (“перекатывание” плоскости по криво- линейным направляющим a, b и соединение точек касания прямолинейной образую- щей, см. п. 6.2.6) предполагает существование плоскости, касающейся поверхности вдоль прямолинейной образующей. Иными словами, наличие признака развертываемо- сти “заложено” в самом определении торсовой поверхности. Конические и цилиндрические поверхности являются частным случаем торсовой поверхности, когда одна из криволинейных направляющих a, b вырождается в собст- венную или несобственную точку (см. рис. 6.26). Например, если направляющая a вы- родилась в собственную точку A, то получаем коническую поверхность с вершиной A и направляющей b. Если точка A – несобственная (бесконечно удалена по заданному на- правлению a), то получается цилиндрическая поверхность с направляющей b, обра- зующие которой параллельны направлению a. Таким образом, поскольку конические и цилиндрические поверхности являются ча- стным случаем торсовой поверхности, то они так же, как и торсовые поверхности об- щего вида, обладают свойством развертываемости. 136 Вывод. Свойством развертываемости на плоскость обладают, кроме многогран- ных поверхностей, лишь торсовые поверхности (в частности – конические и цилинд- рические поверхности). Различают точные и приближенные развертки развертывающихся поверхностей. Для любой многогранной поверхности может быть построена ее точная развертка. Дей- ствительно, если дан двухпроекционный чертеж некоторого многогранника (например, пирамиды), то на основе чертежа графическими приемами, пользуясь линейкой и цир- кулем, можно определить истинные длины всех ребер и построить точную развертку всех граней пирамиды. Если же на чертеже дана какая-либо криволинейная развертывающаяся поверх- ность (например, поверхность эллиптического конуса), то с помощью линейки и цир- куля может быть построена только ее приближенная развертка. Конечно, в некоторых случаях можно построить точную развертку поверхности, используя уравнение поверхности или числа, определяющие ее размеры. Так, если дан прямой конус вращения высотой h и диаметром основания d, то этими двумя числами поверхность определена. По ним можно вычислить размеры развертки, представляю- щей собой круговой сектор. Рассчитав с любой желаемой степенью точности радиус сектора и его центральный угол, можно построить точную развертку конуса. Однако на практике таким “графоаналитическим” приемом пользуются редко. В начертательной геометрии поверхность задают с помощью чертежа, а развертку строят на основе чертежа графическими способами. Поэтому развертка любой развер- тывающейся криволинейной поверхности (конической, цилиндрической, торсовой), которая строится графически, является приближенной. Общий способ приближенного построения развертки произвольной разверты- вающейся поверхности заключается в следующем. Заданную развертывающуюся по- верхность Ф заменяют (аппроксимируют) вписанной или описанной многогранной по- верхностью Ф′. Затем строят точную развертку аппроксимирующей многогранной поверхности Ф′ и принимают ее за приближенную развертку данной поверхности Ф. Хотя все остальные поверхности (не относящиеся к многогранным, цилиндриче- ским, коническим, торсовым) теоретически не развертываются на плоскость, инженер- ная практика, тем не менее, требует построения их “разверток”. Для неразвертываю- щихся поверхностей строят так называемые условные развертки. 13.1. Построение разверток поверхностей многогранников Напомним, что многогранником называют пространственную геометрическую фи- гуру, со всех сторон ограниченную плоскими многоугольниками (гранями). Развертка многогранника представляет собой плоскую фигуру, которая получается при совмеще- нии граней многогранника с плоскостью. Процесс построения развертки поверхности многогранника сводится к построению истинных величин его граней, что непосредст- венно связано с определением натуральной (истинной) длины каждого ребра много- гранника. Рассмотрим построение разверток наиболее распространенных многогран- ных поверхностей – поверхностей пирамид и призм. 13.1.1. Развертка пирамиды Поверхность n-угольной пирамиды включает в себя основание (плоский n- угольник) и боковую поверхность, состоящую из n треугольников. Для построения раз- вертки пирамиды необходимо определить натуральные величины боковых ребер и сто- рон основания. На рис. 13.1, а изображена треугольная пирамида ABCS. Основанием 137 пирамиды является треугольник АВС, расположенный в плоскости, параллельной гори- зонтальной плоскости проекций, поэтомустороны основания AB, BC, AC проецируются на П 1 в натуральную величину. Длины боковых ребер пирамиды определяются с помощью вспомогательных пря- моугольных треугольников. Вспомогательные треугольники имеют общий катет S 2 O 0 (разность высот концов боковых ребер пирамиды). Другой катет равен длине горизон- тальной проекции соответствующего ребра. Например, в треугольнике S 2 O 0 A 0 катет S 2 O 0 равен разности высот точек S и А. Другой катет O 0 А 0 равен горизонтальной проек- ции ребра SA: O 0 A 0 =S 1 A 1 . Истинная длина ребра SA равна величине гипотенузы S 2 A 0 Аналогично длина ребра SB равна S 2 B 0 , а длина ребра SC равна S 2 C 0 . Развертка боковой поверхности пирамиды состоит из трех примыкающих друг к другу треугольников (рис. 13.1, б), конгруэнтных соответствующим граням пирамиды. Например, треугольник ACS (развертка соответствующей грани пирамиды) построен по известной длине стороны AC и найденным на рис. 13.1, а длинам боковых ребер пира- миды AS и CS. К развертке боковых граней пирамиды пристраиваем ее основание ABC. Пусть на поверхности пирамиды отмечена точка K. Чтобы найти положение этой точки на развертке, проводим через K вспомогательную прямую S-K-1, отмечаем на развертке точку 1 и с помощью прямоугольного треугольника S 2 O 0 1 0 находим истин- ную длину отрезка SK=S 2 K 0 . Откладывая этот отрезок на развертке от точки S вдоль прямой S-1, находим точку K. 13.1.2. Развертка призмы На рис. 13.2, а изображена наклонная призма. Призма расположена таким образом, что ее основание параллельно горизонтальной плоскости проекций, поэтому на П 1 ос- нование ABC призмы проецируется в натуральную величину A 1 B 1 C 1 . Боковые ребра призмы параллельны фронтальной плоскости проекций, поэтому на П 2 они проециру- ются без искажения. Развертка боковой поверхности призмы может быть получена способом нормально- го сечения. Для этого боковую поверхность призмы рассекают фронтально- Рис. 13.1 S 2 K 2 K 0 C 0 B 0 1 0 A 0 C 1 K 1 K SK=S 2 K 0 S A A A 1 B C C 2 1 2 1 1 B 1 S 1 A 1 A 2 B 2 а) б) O 0 138 проецирующей плоскостью Σ, перпендикулярной боковым ребрам призмы. Истинную форму нормального сечения 1 4 2 4 3 4 определяют способом замены плоскостей проекций. Чтобы построить развертку призмы, нормальное сечение 1 4 2 4 3 4 “разворачиваем” в прямую линию нормального сечения 1231 и через каждую точку проводим перпенди- куляры к этой прямой (рис. 13.2, б). На каждом из построенных перпендикуляров от- кладываем по обе стороны от линии нормального сечения отрезки боковых ребер, из- меренные на плоскости П 2 до нормального сечения и после него. Например, отрезки A- 1 и 1-A′ на развертке равны отрезкам A 2 1 2 и 1 2 A′ 2 на фронтальной проекции призмы. Точно так же B-2=B 2 2 2 , B′-2 =B′ 2 2 2 и C-3=C 2 3 2 , C′-3=C′ 2 3 2 . Соединяя точки А, В, С и А′, В′, С′, получаем развертку боковой поверхности призмы. Присоединяя к развертке боковой поверхности призмы оба основания (треугольни- ки АВС и А′В′С′), получаем полную развертку призмы (см. рис. 13.2, б). На развертку призмы нанесена точка К, принадлежащая грани АВВ′А′. Для построения на развертке точки K использована вспомогательная прямая EE′, проходящая через точку K и парал- лельная ребрам призмы. Кроме способа нормального сечения, для построения развертки поверхности приз- мы может быть использован способ раскатки (частный случай способа нормальных сечений) или способ триангуляции, когда каждая грань призмы делится диагональю на два треугольника [6]. 13.2. Построение разверток кривых развертывающихся поверхностей Напомним, что различают точные и приближенные развертки развертывающихся поверхностей. Точная развертка строится графоаналитическим способом по известным размерам поверхности с использованием ее уравнения. Например, точная развертка бо- ковой поверхности прямого кругового цилиндра высотой H и радиусом основания r имеет форму прямоугольника с размерами сторон H и 2πr. Рис. 13.2 K′ 1 B′ 2 E 2 1 2 1 4 2 4 2 2 3 2 3 4 C 2 A 2 K 2 B 2 E 1 A 1 B 1 C 1 3 1 2 1 1 1 Σ 2 Σ C′ 1 B′ 1 A′ 1 E′ 1 E′ 2 C′ 2 A′ 2 A′ A′ A′ B′ E′ E C′ C A A A B K 1 2 3 1 а) б) 139 Приближенная развертка строится графическим способом с использованием чер- тежа поверхности. Чтобы построить приближенную развертку какой-либо разверты- вающейся поверхности, надо ее заменить (аппроксимировать) многогранной поверхно- стью. Точную развертку этой многогранной поверхности принимают за приближенную развертку данной развертывающейся поверхности. 13.2.1. Точная развертка поверхности прямого кругового конуса Точная развертка поверхности прямого кругового конуса, образующая которого равна l и радиус основания r (рис. 13.3, а), имеет форму кругового сектора с радиусом l и центральным углом α=360° r/l (рис. 13.3, б). Задача. На поверхности конуса отмечена точка K. Построить точку K на раз- вертке конуса. Через точку K на поверхности конуса проведем его образующую S-3 (см. рис. 13.3, а). Найдем положение образующей S-3 на развертке конуса. Для этого дугу 1-3 круго- вого основания конуса заменяем ломаной линией 123. Участки этой ломаной линии от- кладываем от точки 1 на развертке конуса (вдоль дуги кругового сектора). Получаем на развертке точку 3, через которую проходит образующая S-3. Расстояние SK от вершины S до искомой точки K определено на рис. 13.3, а спосо- бом вращения вокруг проецирующей прямой: мысленно вращаем отрезок SK вокруг горизонтально-проецирующей оси конуса (см. п. 5.5). Вращение отрезка заканчивается в тот момент, когда он займет положение фронтали (совместится с фронтальной проек- цией очерковой образующей конуса). Фронтальная проекция S 2 K 2 ′ повернутого отрезка определяет натуральную величину отрезка SK. Расстояние SK на развертке равно рас- стоянию S 2 K 2 ′ на фронтальной проекции конуса. Заметим, что построение точки K на развертке выполнено приближенным графиче- ским способом: дуга 1-3 кругового основания конуса заменена ломаной линией 123. Хотя развертка конуса была построена точно, но точка K на развертке найдена прибли- женно, поэтому решение задачи в целом следует считать приближенным. Рис. 13.3 S 2 l S α K K 2 K′ 2 |SK|=|S 2 K′ 2 | r S 1 K 1 2πr 2πr 1 1 2 1 3 1 1 2 3 2 1 2 3 l 2 l 1 а) б) l r 0 360 140 13.2.2. Точная развертка поверхности усеченного кругового цилиндра На рис. 13.4 представлена развертка косорассеченного цилиндра. Верхняя часть ци- линдра вращения “срезана” наклонной плоскостью Σ. Фигура косого сечения представ- ляет собой эллипс. На развертке цилиндра этот эллипс “пере- ходит” в синусоиду, в чем можно убедиться следующим обра- зом. Пусть по наклонному сечению цилиндра (эллипсу) дви- жется точка A (рис. 13.5). Координата x A точки A равна отрезку A 1 P 1 и вычисляется по формуле sin r x A , где r – радиус цилиндра. Высота z A точки A, отсчитываемая от уровня точки 1, определяется формулой tg x z A A . Подставляя во вторую формулу вместо координаты x A ее выражение из первой фор- мулы, получаем: sin k z A , где tg r k . Таким образом, высота точки, движущейся по линии наклонного сечения ци- линдра, пропорциональна синусу угла поворота φ точки A. При изменении угла φ от 0° до 360° точка A “пробегает” всю линию сечения (эллипс), а на развертке цилиндра получается полная волна синусоиды. 13.2.3. Приближенная развертка поверхности прямого кругового конуса Напомним, что для построения приближенной развертки развертывающейся по- верхности надо ее аппроксимировать (приближенно заменить) многогранной поверхно- стью. Заменим поверхность конуса поверхностью вписанной в него пирамиды. На рис. 13.6, а показана правильная 12-угольная пирамида, вписанная в прямой круговой конус. Основание пирамиды – правильный 12-угольник, вписанный в круго- вое основание конуса. Поверхность конуса приближенно заменена двенадцатью одина- ковыми треугольниками (гранями пирамиды, вписанной в конус). Это геометрическое Рис. 13.4 r синусоида 3 7 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 2πr 7 2 6 2 =(8 2 ) 1 2 =(5 2 ) 2 2 =(4 2 ) 3 2 1 1 4 5 6 8 Σ 2 2 3 4 7 4 1 4 5 4 7 1 5 Рис. 13.5 1 1 1 2 y A 1 x φ β A 2 P 1 141 действие (аппроксимация криволинейной поверхности сеткой треугольников) называ- ют триангуляцией. Определение. Триангуляция – замена (аппроксимация) данной поверхности много- гранной поверхностью, состоящей из треугольных граней. После аппроксимации поверхности конуса поверхностью вписанной в него пира- миды надо построить точную развертку пирамиды. Размеры всех боковых ребер пира- миды равны между собой и равны длине l очерковой образующей конуса. Чтобы построить развертку пирамиды, на свободном месте чертежа произвольно выбираем положение вершины развертки – точку S, и строим 12 одинаковых треуголь- ников с общей вершиной S. Боковые стороны каждого треугольника равны длине l очерковой образующей конуса. Основание каждого треугольника равно длине стороны правильного многоугольника, вписанного в круговое основание конуса. Получаем раз- вертку вписанной в конус пирамиды в виде 12 треугольников со смежными сторонами. Построенная таким образом точная развертка пирамиды принимается за приближен- ную развертку боковой поверхности конуса. Основание пирамиды (правильный 12- угольник) принимается за развертку основания конуса (рис. 13.6, б). Отметим на поверхности конуса две точки A и B (см. рис. 13.6, а). Кратчайший путь между двумя точками, проложенный по данной поверхности, называют геодезической линией. Задача. На поверхности конуса построить кратчайший путь (геодезическую ли- нию) между точками A и B (см. рис. 13.6, а). Построение геодезической линии AB на поверхности выполняется с помощью раз- вертки. Прямой линии на развертке соответствует кратчайший путь на поверхности (почему?). Переносим точки A, B с чертежа конуса на развертку и соединяем A и B от- резком прямой (см. рис. 13.6, б). Затем на отрезке AB отмечаем промежуточные точки 1, 2,…5 и “возвращаем” эти точки на чертеж конуса. Соединяя плавной кривой фронтальные проекции точек A, 1, 2, 3, 4, 5, B, получаем фронтальную проекцию геодезической линии AB. Соединяя плавной кривой горизон- Рис. 13.6 S 2 B 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 A 1 S 1 4 2 5 2 B 2 3 2 2 2 1 2 A 2 l l S B 5 4 3 2 1 A а) б) 142 тальные проекции точек A, 1, 2, 3, 4, 5, B, получаем горизонтальную проекцию геодези- ческой линии AB. Задача решена приближенно, так как для решения использована при- ближенная развертка конической поверхности. 13.2.4. Приближенная развертка поверхности наклонного конуса На рис. 13.7 построена приближенная развертка поверхности наклонного конуса с круговым основанием. Для построения приближенной развертки поверхность конуса заменена поверхностью вписанной в него двенадцатиугольной пирамиды. Поверхность конуса имеет плоскость симметрии, поэтому развертка представляет собой симметричную фигуру. В плоскости симметрии лежит самая короткая образую- щая SВ, по которой сделан разрез поверхности. Самая длинная образующая SА, также лежащая в плоскости симметрии, является осью симметрии развертки поверхности. Натуральные величины образующих определены способом вспомогательного пря- моугольного треугольника. Например, истинная длина образующей S-1 найдена как ги- потенуза S 2 1 0 прямоугольного треугольника S 2 S 0 1 0 . Один катет этого треугольника – разность высот Δz концов образующей (эта величина одинакова для всех образующих конуса). Другой катет S 0 1 0 равен длине S 1 1 1 горизонтальной проекции образующей. От оси симметрии SА строим примыкающие друг к другу треугольники – шесть треугольников в одну сторону и шесть в другую. Все треугольники имеют общую вер- шину S. Каждый из треугольников строится по трем сторонам. Боковые стороны каж- дого треугольника равны истинным величинам ребер вписанной в конус пирамиды, а основание треугольника равно длине стороны многоугольника, вписанного в круговое основание конуса. 13.2.5. Приближенная развертка поверхности усеченного конуса Дан усеченный конус с круговым основанием, наклонной осью и плоскостью сим- метрии Ф||П 2 (рис. 13.8, а). Вписываем в конус 8-угольную усеченную пирамиду, вер- шина которой совпадает с вершиной S усеченного конуса (рис. 13.8, б). Точную раз- вертку поверхности вписанной усеченной пирамиды будем считать приближенной раз- верткой усеченного конуса. Рис. 13.7 4 A 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 A 1 S 2 S 0 Δz 4 0 1 2 B B′ 3 5 S S 1 B 1 B 2 A 2 5 0 3 0 2 0 1 0 143 Размеры боковых ребер пирамиды от вершины S до основания определены спосо- бом вспомогательного прямоугольного треугольника (см. рис. 13.8, б). Например, дли- на ребра S-1 найдена как гипотенуза S 2 1 0 прямоугольного треугольника S 2 B 2 1 0 . Катет S 2 B 2 этого треугольника – разность высот концов ребер, одинаковая для всех ребер пи- рамиды. Другой катет B 2 1 0 равен длине S 1 1 1 горизонтальной проекции ребра S-1. Считая, что пирамида не усечена, построим ее развертку. Развертка каждой грани представляет собой треугольник, боковые стороны которого равны длинам соответст- вующих ребер неусеченной пирамиды (они определены на рис. 13.8, б), а длина осно- вания равна длине стороны 8-угольника, вписанного в круговое основание конуса. Раз- вертка поверхности неусеченной пирамиды представляет собой 8 примыкающих друг к другу треугольников с общей вершиной S (рис. 13.8, в). Пирамида усечена плоскостью, параллельной ее основанию, поэтому истинная форма каждой грани усеченной пирамиды – трапеция. Развертка поверхности усечен- ной пирамиды представляет собой примыкающие друг к другу трапеции. Отложим на развертке неусеченной пирамиды истинную длину какого-нибудь ребра усеченной пи- рамиды (например, длину ребра BC, изображенного на П 2 в натуральную величину). Через точку C на развертке проводим отрезок C-4, параллельный отрезку B-3. Затем из точки 4 проводим отрезок 4-5, параллельный отрезку 3-2. Продолжая построение, по- лучаем развертку усеченной пирамиды в виде набора из восьми примыкающих друг к другу трапеций (см. рис. 13.8, в). Развертки нижнего и верхнего оснований усеченной пирамиды (не показанные на чертеже), имеют форму правильных 8-угольников, вписанных в нижнее и верхнее кру- говые основания данного усеченного конуса. Рис. 13.8 б) в) а) B 1 =C 1 =S 1 A S 2 S 2 Ф 1 A 1 1 1 2 1 3 1 4 1 2 2 1 2 A 2 3 2 B 2 C 2 D 2 6 2 5 2 4 2 1 0 2 0 3 0 6 0 5 0 4 0 S C B 3 4 2 5 6 1 D D 1 5 1 6 1 144 13.2.6. Приближенная развертка поверхности наклонного цилиндра Дан наклонный цилиндр с круговым основанием (рис. 13.9, а). Вписываем в ци- линдр 8-угольную наклонную призму (рис. 13.9, б). Точную развертку поверхности призмы будем считать приближенной разверткой поверхности наклонного цилиндра. Развертку боковой поверхности призмы получают способом нормального сечения, в соответствии с которым боковую поверхность призмы рассекают фронтально- проецирующей плоскостью Г, перпендикулярной ее боковым ребрам (см. п. 13.1.2). Ис- тинная форма нормального сечения призмы 1 4 2 4 …8 4 определена способом замены плоскостей проекций. Нормальное сечение 1 4 2 4 …8 4 “разворачиваем” в прямую 1-2-…- 8-1 и через каждую точку проводим прямую, перпендикулярную линии нормального сечения (рис. 13.9, в). На каждом из построенных перпендикуляров откладываем отрез- ки боковых ребер, измеренные на П 2 до и после нормального сечения. Например, от- резки A-7 и A′-7 на развертке равны отрезкам A 2 7 2 и A′ 2 7 2 на плоскости П 2 . Концы от- резков соединяем ломаными линиями. К развертке боковой поверхности призмы до- бавляем ее основания – два многоугольника (см. рис. 13.9, в). 13.3. Построение условных разверток неразвертывающихся поверхностей Многие сооружения часто ограничены неразвертывающимися поверхностями. Ме- жду тем условия их постройки заставляют изготавливать эти поверхности из листового материала. Поэтому составление условных разверток неразвертывающихся поверхно- стей представляет собой важную техническую задачу. Например, поверхность корпуса морского судна составляется из отсеков криволинейных поверхностей, которые вы- краивают из металлических листов, а затем склепывают друг с другом. Образуется кри- вая (а в сущности – многогранная) поверхность корпуса. Пусть требуется построить условную развертку некоторой неразвертывающейся поверхности Ф. Разбиваем поверхность Ф на отдельные участки (отсеки). Каждый от- сек аппроксимируем (приближенно заменяем) отсеком какой-либо развертывающейся поверхности – многогранником, цилиндром или конусом (в зависимости от формы Рис. 13.9 а) Г A′ 1 1 1 2 1 2 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 6 2 =8 2 2 2 =4 2 1 2 =5 2 3 2 7 2 Г 2 3 4 5 6 7 8 1 A 1 A 2 A′ 2 A 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 б) в) 145 данной поверхности Ф). В результате вместо исходной неразвертывающейся поверхно- сти получаем поверхность Ф′, состоящую из участков развертывающихся поверхно- стей. Выполняем построение разверток всех участков составной поверхности Ф′. Сово- купность полученных разверток принимаем за условную развертку поверхности Ф. 13.3.1. Построение условных разверток способом триангуляции Напомним, что триангуляцией называют замену (аппроксимацию) данной поверх- ности многогранной поверхностью, состоящей из треугольных граней. Произвольная неразвертывающаяся поверхность Ф может быть аппроксимирована многогранной по- верхностью Ф′ с треугольными гранями. Развертка полученной многогранной поверх- ности Ф′ принимается за условную развертку данной поверхности Ф. Пусть требуется построить условную развертку косой плоскости, “натянутой” на пространственный (неплоский) четырехугольник ABCD (рис. 13.10). Косая плоскость (гиперболический параболоид) – неразвертывающаяся поверхность, образованная пря- молинейной образующей, движущейся параллельно заданной плоскости параллелизма и пересекающей прямолинейные направляющие (см. п. 6.2.4). В рассматриваемом при- мере направляющие прямые – скрещивающиеся стороны AD и BC четырехугольника ABCD, а плоскость П 1 – плоскость параллелизма. Горизонтальная образующая скользит по направляющим AD и BC, последовательно занимая положения AB, 1-1′, 2-2′, DC. Чтобы выполнить триангуляцию, предварительно разбиваем отсек ABCD косой плоскости на части с помощью образующих. Для упрощения построений поверхность разбита образующими AB, 1-1′, 2-2′, DC только на три части, каждая из которых огра- ничена пространственным четырехугольником. Проводя диагонали полученных неплоских четырехугольников, заменяем каждую часть поверхности двумя треугольниками. Например, нижний участок, ограниченный пространственным четырехугольником D-2-2′-C, заменен двумя треугольниками D2C и C22′. В результате заданный отсек ABCD косой плоскости заменен (аппроксимирован) многогранной поверхностью, состоящей из шести треугольников. При увеличении чис- ла разбиений точность аппроксимации возрастает. Для построения развертки полученной шестигранной поверхности надо определить истинные размеры сторон ее треугольных граней. На рис. 13.10 показано определение (способом прямоугольного треугольника) истинной величины отрезков D-2, C-2′ и C-2. Для определения |D-2| построен вспомогательный прямоугольный треугольник с кате- Рис. 13.10 A 2 B 2 C 2 D 2 D 1 A 1 B 1 C 1 1 1 1′ 1 2′ 1 n l m n m l Δz 2 1 2 2 1 2 1′ 2 2′ 2 |D-2| |C-2′| |C-2| |D-2| |C-2′| |C-2| D A B C 2 1 1′ 2′ 146 тами Δz и m, где Δz – разность высот концов отрезка D-2, а m=D 1 2 1 – длина его гори- зонтальной проекции. Для определения |C-2′| построен прямоугольный треугольник с катетами Δz и l, где l=C 1 2′ 1 . Для определения |C-2| построен прямоугольный треуголь- ник с катетами Δz и n, где n=C 1 2 1 . Гипотенузы вспомогательных прямоугольных тре- угольников равны истинным величинам соответствующих отрезков. Истинные размеры остальных ребер аппроксимирующей многогранной поверхно- сти определяются аналогично (с учетом того, что горизонтальные отрезки AB, 1-1′, 2-2′, DC изображаются на П 1 в натуральную величину). После определения истинных раз- меров всех ребер выполняем построение развертки, состоящей из примыкающих друг к другу треугольников. Каждый из треугольников строится “по трем сторонам”. Полу- ченную точную развертку многогранной поверхности, состоящей из треугольных гра- ней, принимаем за условную развертку исходной неразвертывающейся поверхности. Примечание. Практически вся земная поверхность “покрыта” триангуляционной сетью опорных геодезических пунктов с таким расчетом, чтобы они являлись верши- нами треугольников, по возможности близких к равносторонним. В результате истин- ная поверхность земли аппроксимируется сетью треугольников (с размерами сторон на территории России 4…25 км). Геодезические пункты отмечаются заложенными в зем- лю бетонными пилонами, над которыми сооружаются вышки. Координаты каждого геодезического пункта (широта, долгота, высота над уровнем моря) определены с большой точностью. Сеть геодезических пунктов используется как для геодезических работ, так и в системах глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС). 13.3.2. Построение условных разверток поверхностей вращения Для построения условных разверток неразвертывающихся поверхностей вращения за аппроксимирующие поверхности принимают цилиндры и конусы. В соответствии с этим различают два способа построения условных разверток поверхностей вращения: способ цилиндров и способ конусов. Пусть требуется построить условную развертку по- верхности вращения (рис. 13.11). При построении услов- ной развертки способом цилиндров данная поверхность мысленно разрезается меридиональными плоскостями Г, Г′,… (то есть плоскостями, проходящими через ее ось вращения), на несколько равных частей (рис. 13.12, а). Каждая часть заменяется отсеком цилиндрической по- верхности Ф, которая касается заданной поверхности вдоль ее меридиана m. В результате поверхность враще- ния приближенно заменяется (аппроксимируется) состав- ной поверхностью, состоящей из одинаковых цилиндри- ческих “лепестков” Ф с горизонтальными образующими. Каждый лепесток можно приближенно развернуть на плоскость. Совокупность развер- ток всех лепестков составляет условную развертку поверхности вращения. При построении условной развертки поверхности вращения способом конусов дан- ная поверхность, как и при использовании способа цилиндров, мысленно разрезается на несколько частей. Но секущие плоскости Σ , Σ ′,… проводят не через ось вращения, а перпендикулярно ей. Вся поверхность делится секущими плоскостями на несколько горизонтальных “поясков” (рис. 13.12, б). Каждый поясок заменяется отсеком кониче- ской поверхности Θ. В результате заданная поверхность вращения приближенно заме- няется (аппроксимируется) составной поверхностью, состоящей из разных конических поясков Θ, стыкующихся между собой по параллелям данной поверхности вращения. Рис. 13.11 147 Каждый конический поясок, представляющий собой поверхность усеченного кругового конуса, можно развернуть на плоскость. Совокупность разверток всех поясков составляет условную развертку поверхности. Рассмотрим конструктивное построение условной развертки неразвертывающейся поверхности вращения способом цилиндров и способом конусов. 13.3.2.1. Способ цилиндров Данную поверхность вращения мысленно разрезаем меридиональными плоскостя- ми Г, Г′,… на равные участки (рис. 13.13, а). Развертки одинаковых участков поверхно- сти одинаковы, поэтому достаточно построить условную развертку лишь одного участ- ка. На рис. 13.13, а поверхность разрезана на 8 участков. Показан только один участок, выделенный плоскостями Г, Г′. Отмечен средний меридиан m=AS этого участка. Рис. 13.13 б) а) 2 m 1 m 2 S 2 D 2 C 2 B 2 1 2 =2 2 =A 2 Г 1 Г 1 ′ 1 1 2 1 A 1 B 1 C 1 D 1 S 1 S D C B A 1 Рис. 13.12 б) а) Θ Σ 2 Θ 2 Ф Ф 2 = m 2 Г′ 1 m 1 Ф 1 Г 1 Θ 1 Σ′ 2 148 Заменим выделенный участок поверхности вращения участком (отсеком) Ф цилин- дрической поверхности, касающейся заменяемого участка вдоль среднего меридиана m. Меридиан m расположен во фронтальной плоскости уровня, поэтому дуга AS меридиа- на m изображается на П 2 в натуральную величину. Цилиндрический отсек Ф, как и выделенный участок поверхности вращения, огра- ничен плоскостями Г, Г′. Поверхность отсека Ф занимает фронтально-проецирующее положение, поэтому его фронтальная проекциясовпадает на чертеже с фронтальной проекцией m 2 меридиана m. Горизонтальная проекция отсека Ф – треугольник 1 1 2 1 S 1 Таким образом, участок исходной поверхности вращения, ограниченный плоско- стями Г, Г′, приближенно заменяется (аппроксимируется) отсеком Ф цилиндрической поверхности, ограниченным теми же плоскостями Г, Г′. Направляющая линия поверх- ности Ф – меридиан m, являющийся одновременно нормальным сечением цилиндра Ф; образующие цилиндра Ф горизонтальны (см. рис. 13.13, а). Для приближенного построения развертки отсека Ф заменяем направляющую m=AS ломаной линией ABCDS, фронтальная проекция A 2 B 2 C 2 D 2 S 2 которой указывает истинную длину всех ее звеньев. В соответствии со способом нормального сечения, спрямляем ломаную линию A 2 B 2 C 2 D 2 S 2 в отрезок ABCDS, начерченный на свободном месте чертежа (рис. 13.13, б). Через точки A, B, C, D проводим прямые, перпендику- лярные AS, на которых откладываем отрезки касательных, проведенных к соответст- вующим параллелям. Эти отрезки ограничены плоскостями Г, Г′. Например, через точ- ку A проведен отрезок 1-2 касательной к круговому основанию данного тела вращения, ограниченный плоскостями Г, Г′. Соединяя концы отрезков касательных плавной кривой, получаем приближенную развертку одного цилиндрического “лепестка” 1-2-S. Полная условная развертка дан- ной поверхности вращения состоит из восьми таких лепестков (см. рис. 13.13, б). Точ- ность построения условной развертки увеличивается с увеличением числа участков, на которые разделена данная поверхность. 13.3.2.2. Способ конусов Данную поверхность вращения мысленно разрезаем плоскостями, перпендикуляр- ными ее оси, на несколько частей – “поясков”. Для упрощения построений поверхность разрезана плоскостями Δ, Δ′ всего на три части (рис. 13.14, а). Меридиан AS данной по- верхности вращения заменяем ломаной линией ABCS, что позволяет аппроксимировать “пояски” отсеками конических поверхностей вращения, образующие которых совпада- ют со звеньями ломаной линии ABCS. Верхний участок поверхности (от вершины S до параллели c) заменен конической поверхностью с вершиной S и образующей CS. Сред- ний участок (между параллелями b и c) заменен отсеком поверхности усеченного кону- са с образующей BC и вершиной S′. Нижний участок (от основания a до параллели b) заменяется отсеком поверхности усеченного конуса с образующей AB и вершиной S′′. Все отсеки конических поверхностей имеют общую ось вращения, совпадающую с осью данной поверхности. После аппроксимации данной поверхности вращения тремя отсеками конических поверхностей построение условной развертки сводится к построению разверток по- верхностей трех конусов. Построение этих разверток, показанное на рис. 13.14, б, вы- полняется точно (см. п. 13.2.1). Например, развертка нижнего отсека конической по- верхности (с направляющей a, образующей AB и вершиной S′′) представляет собой часть сектора, ограниченного двумя концентрическими дугами окружностей с радиу- сами |AS′′| и |BS′′|. Центральный угол сектора вычисляется по формуле α=360°r/l, где l=|AS′′|, r – радиус параллели a. 149 Длины дуг окружностей, соприкасающихся в точках B, C, равны между собой, так как они соответствуют параллелям b, c данной поверхности. Совокупность разверток отсеков конических поверхностей, показанная на рис. 13.14, б, принимается за условную развертку данной неразвертывающейся поверхности вращения. Точность построения условной развертки увеличивается с увеличением чис- ла участков, на которые разделена данная поверхность. Вопросы для повторения 1. Какие поверхности называют развертывающимися? Что называют разверткой поверхности? 2. Какие поверхности являются развертывающимися? 3. Какие свойства развертывающейся поверхности сохраняются на ее развертке? 4. Какая развертка называется точной и какая – приближенной? Для каких поверх- ностей составляют условные развертки? 5. Что представляют собой развертки боковых поверхностей: а) прямой призмы; б) прямого кругового цилиндра; в) прямого кругового конуса? 6. Что называют геодезической линией на поверхности? Каким способом построить геодезическую линию между указанными на чертеже точками развертывающейся по- верхности? 7. В чем заключается способ триангуляции? 8. Какими способами может быть построена условная развертка неразвертываю- щейся поверхности вращения? Рис. 13.14 B B 2 C 2 A 2 Δ 2 ′ Δ 2 S 2 S 2 ′ S 2 ′′ a 2 b 2 c 2 A 1 B 1 C 1 S 1 a 1 b 1 c 1 S′′ S′ S |AS′′| |BS′′| |CS| |BS′| |CS′| A C a b c а) б) |