
- •«Начертательная геометрия»
- •1. Основы начертательной геометрии
- •1.1. Методы проецирования.
- •1.2. Проекция точки.
- •1.3. Проекция прямой.
- •1.4. Проекция плоскости.
- •1.5. Способы преобразования ортогонального чертежа.
- •1.6. Многогранники.
- •1.7. Поверхности вращения.
- •1.8. Развертки поверхностей геометрических тел.
- •1.9. Аксонометрические проекции.
1.4. Проекция плоскости.
Плоскость является простейшей поверхностью, которую можно представить как веер линий, полученных при движении прямой (образующей), закрепленной в некоторой точке, по другой прямой (направляющей).
Здесь и в дальнейшем будем рассматривать геометрические объекты, лежащие в I четверти. Тогда их горизонтальные проекции будут расположены во II квадранте, фронтальные - в I, профильные в - IV квадранте.
Способы
задания плоскости на чертеже.
Рис.
1.21
а) тремя точками, не лежащими на одной прямой;
б) прямой и точкой, не лежащей на этой прямой;
в) двумя параллельными прямыми;
г) двумя пересекающимися прямыми;
д) плоской фигурой;
е) следами.
На чертеже (рис. 1.21) соответствующие геометрические объекты (точки, прямые), задающие плоскость показаны в виде проекций.
П
Рис. 1.22
П
Рис. 1.23
Плоскость, параллельная П2 называется фронтальной плоскостью уровня (Ф). Зададим ее параллельными прямыми (см. рис. 1.23, б), причем, очевидно, расстояние от Ф, до ОХ равно расстоянию от Ф3 до ОZ.
Плоскость, параллельная П3, называется профильной плоскостью уровня (Р). Считаем ее заданной пересекающимися прямыми (см. рис. 1.23, в).
Плоскости
общего положения.
Плоскостью
общего положения называется
плоскость, не перпендикулярная и не
параллельная ни одной из плоскостей,
а значит, расположенная под произвольным
углом к к
Рис. 1.24
Следом плоскости называется прямая линия пересечения данной плоскости с одной из плоскостей проекций. Пересечение с П2 дает фронтальный след плоскости, пересечение с П1 – горизонтальный. Очевидно, что фронтальная проекция фронтального следа, так же, как и горизонтальная проекция горизонтального, совпадают с самим следом, а горизонтальная проекция фронтального следа и фронтальная проекция горизонтального лежат на оси ОХ.
Проецирующие плоскости. Проецирующей называется плоскость, перпендикулярная одной из плоскостей проекций. Исходя из определения, проекция такой плоскости является прямой при проецировании на ту плоскость проекций, которой она перпендикулярна.
Горизонтально-проецирующей называется плоскость, перпендикулярная П1, фронтально-проецирующей - перпендикулярная П2, профильно-проецирующей - перпендикулярная П3. На чертеже, первая из них задана плоской фигурой (рис. 1.25, а, б). На рис. 1.26 эта же плоскость задана следами, точка А принадлежит плоскости β, следовательно А1 принадлежит следу β1. Фронтально-проецирующая плоскость γ также задана следами см. рис. 1.27, а, б. Точка В принадлежит этой плоскости, следовательно В2 принадлежит следу γ2. На рис.1.27, в фронтально-проецирующая плоскость задана прямой b и не лежащей на ней точкой D. Профильно-проецирующая плоскость ∆ задана следами. (Рис. 1.28, а, б)
Г
Рис. 1.25
Рис. 1.26
Рис. 1.27
Рис. 1.28
Линии уровня плоскости. Определение линиям уровня было дано выше. Здесь к определению добавляется лишь требование принадлежности их данной плоскости.
Рассмотрим построение главных линий плоскости. (Рис. 1.29 - 1.32)
Г
Рис. 1.29
Рис. 1.30
Горизонталь плоскости (рис. 1.31), заданной плоской фигурой - ABC, проходит через две точки треугольника, а именно, точки А и 1. Имея их фронтальные проекции А2 и 12, по линии связи получим горизонтальную проекцию 11 (A1 была задана). Соединив точки A1 и 11, имеем горизонтальную проекцию h1 горизонтали плоскости ABC. Профильная проекция h3 горизонтали плоскости ABC будет параллельна оси OY по определению.
Ф
Рис. 1.31
Профильная линия плоскости ABC имеет горизонтальную p1, и фронтальную р2 проекции, параллельные осям OY и OZ, а профильную проекцию р3 можно получить по фронтальной, используя точки пересечения В и 3 в ABC.
П
Рис. 1.32
Принадлежность точки и прямой плоскости. Точка принадлежит плоскости, если она принадлежит прямой, лежащей в этой плоскости.
Принадлежность прямой плоскости определяется, но одному из двух признаков:
а) прямая проходит через две точки, лежащие в этой плоскости;
б) прямая проходит через точку и параллельна прямой, лежащим в этой плоскости.
Используя эти свойства, решим следующую задачу. Пусть плоскость задана ABC. Требуется построить недостающую проекцию D1 точки D, принадлежащей этой плоскости. На рис. 1.33 изображено последовательность построений проекций точки, принадлежащей плоскости.
Ч
Рис. 1.33
Рис.
1.34
На рис. 1.34, а, б неизвестная проекция точки А α, найдена с помощью горизонтали и фронтали плоскости α.
Достаточно просто решаются задачи по определению принадлежности точки или прямой плоскости. Так, на рис. 1.34 показан ход решения таких задач. Для наглядности изложения задачи плоскость задаем треугольником.
Для того чтобы определить, принадлежит ли точка Е плоскости ABC, проведем через ее фронтальную проекцию Е2 прямую а2. Считая, что прямая а принадлежит плоскости ABC, построим ее горизонтальную проекцию а1 по точкам пересечения 1 и 2. Как видим (рис. 1.35, а), прямая а1 не проходит через точку Е1. Следовательно, точка ЕABC.
В
Рис. 1.35
П
Рис. 1.36
Рассмотрим решение задачи более подробно. В качестве указанных прямых, принадлежащих плоскости ABC , выберем АВ и ВС. Получим решение для прямой АВ. Продолжив A2В2 до пересечения с осью ОХ, имеем фронтальную проекцию горизонтального следа M2. Горизонтальным следом M является точка пересечения вертикальной прямой и продолжения прямой A1В1. Для получения фронтального следа продолжим А1В1 до пересечения с осью ОХ, где лежит горизонтальная проекция фронтального следа N1. Из этой точки проводим вертикальную прямую до пересечения с продолжением отрезка А2В2. Здесь и находим фронтальный след N1.
Аналогичные построения производим для прямой ВС, получая горизонтальный M* и фронтальный N* ее следы. Соединив одноименные следы M* и M, N и N*, имеем соответственно горизонтальный α1 и фронтальный α2 следы плоскости ABC.
Иногда при построении возникают сложности, связанные с тем, что прямые, которыми задана плоскость, дают проекции следов, выходящие за пределы чертежа. Тогда в заданной плоскости строят любую прямую, которая позволит получить удобное решение.
Взаимное положение прямых и плоскостей. Для решения некоторых задач начертательной геометрии существенное значение имеет расположение рассматриваемых геометрических объектов либо параллельно, либо перпендикулярно друг другу.
Рассмотрим признаки, по которым можно определить параллельность либо перпендикулярность геометрических объектов, а также зависящие от них правила построения проекций геометрических объектов, расположенных под определенным углом друг к другу.
Параллельность прямых и плоскостей. Если прямые параллельны друг другу, тогда параллельны и их одноименные проекции. Это свойство достаточно очевидно и в рассмотрение не нуждается.
П
Рис. 1.37
Плоскости параллельны друг другу, если две пересекающиеся прямые одной плоскости попарно параллельны двум пересекающимся прямым другой плоскости. Для интерпретации этого свойства достаточно дополнить построения на рис. 1.37, а еще одной прямой в, пересекающей а и параллельной ВС (рис. 1.37, б). Математическая запись выглядит так: Г (а∩в) Н (АВ∩ВС).
Изображение следов плоскости p и q изображено на рис. 1.37, в.
Перпендикулярность прямых и плоскостей. Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна двум пересекающимся прямым, лежащим в этой плоскости, одна из которых фронталь, а другая горизонталь.
Д
Рис. 1.38
Рассмотрим на примере. (Рис. 1.38, а)
Пусть плоскость задана ABC. Требуется построить перпендикулярную к ней прямую, проходящую через точку D.
Сначала вычертим главные линии плоскости - горизонталь и фронталь, затем из точки D1, проведем перпендикуляр g1, к h1, а из точки D2 - перпендикуляр g2, к f2, Математически можно записать так g H(ABC).
Плоскости перпендикулярны друг другу, если одна из них содержит перпендикуляр к другой.
Возвращаясь к рис. 1.38, а, где перпендикуляр к плоскости g уже построен, необходимо через точку D провести произвольную прямую n (рис. 1.38, б). В математической форме запись выглядит так Г(g∩n) Н(ABC ).
Вторая прямая n проводится произвольно, так как через перпендикуляр к плоскости можно построить веер плоскостей, перпендикулярных данной.
На рис 1.38, в изображена плоскость α перпендикулярная плоскости β. Плоскость α и β заданы следами.
Прямые взаимно перпендикулярны, если на одной из них можно построить плоскость, перпендикулярную другой прямой.
П
Рис.
1.39
Любая прямая, лежащая в этой плоскости, будет перпендикулярна g, например прямая АВ, полученная по точкам пересечения 1 и 2 с плоскостью, заданной h и f. При решении этой задачи учитываем, что если мы хотим построить пересекающиеся перпендикулярные прямые, тогда прямая AВ должна быть построена единственным образом. А именно, сначала требуется найти точку В, пересечения g и плоскости H (h∩ f), затем провести АВ. В нашем случае АВ выбрана произвольно и точка В не является точкой пересечения g и плоскости H (h∩ f).
Позиционные задачи на плоскости. Позиционными называются задачи на определение каких-либо общих элементов геометрических объектов, например, точки пересечения прямой и плоскости, линии пересечения двух плоскостей.
Пересечение прямой и плоскости. Задачу на пересечение прямой и плоскости можно решать с помощью вспомогательной секущей плоскости, которая должна удовлетворять следующим условиям (рис. 1.40, 1.41):
- быть плоскостью частного положения, так как именно плоскость частного положения проецируется на соответствующую плоскость проекций в виде прямой;
- проходить через прямую, точку пересечения, которой с плоскостью мы отыскиваем.
П
Рис.
1.40
Теперь рассмотрим один из частных случаев пересекающихся плоскостей, когда одна из них — проецирующая.
На
рис. 1.41, а
приведены плоскость общего положения,
заданная треугольником ABC,
и
горизонтально проецирующая плоскость
α.
Найдем две общие точки для этих двух
плоскостей. Этими общими точками для
плоскостей ABC
и
α
будут точки пересечения сторон АВ
и
ВС
треугольника
ABC
с
проецирующей плоскостью α.
Построение
таких точек D
и
Е
как
на пространственном чертеже (рис. 1.41,
а), так и на эпюре (рис. 1.41, б)
производится а
Рис.
1.41
Соединяя одноименные проекции точек D и Е, получим проекции линии пересечения плоскости ABC и плоскости α.
Таким образом, горизонтальная проекция D1E1 линии пересечения заданных плоскостей совпадает с горизонтальной проекцией проецирующей плоскости α — с ее горизонтальным следом α1.
При решении задач на пересечение прямой с плоскостью следует выделить частный случай. Если плоскость занимает проецирующее положение, то одна проекция точки пересечения определяется в пересечении проекции прямой с проекцирующим следом плоскости, а другая проекция строится с помощью линии связи.
Рассмотрим примеры решения следующих задач.
П
Рис.
1.42
Осталось определить видимые участки прямой а, поскольку на П2 часть указанной прямой будет закрыта от наблюдателя плоскостью ABC. Для этого необходимо рассмотреть точку, где пересекаются фронтальные проекции а с какой-либо прямой (например, АС), лежащей в плоскости ABC. Обозначим эту точку 12. Но пересекаться прямая а и ABC могут только в одной точке, которую мы отыскали (К2). Все остальные будут точками, где они скрещиваются. Следовательно, прямые а и АС скрещиваются в пространстве. Значит, все точки, где пересекаются их проекции, будут конкурирующими, а именно 12 ≡ 22. Тогда на П1 имеем по линии связи 11 A1С1 и 21 а1. Видимой является точка 2, которая принадлежит прямой а. Это выполняется до точки пересечения К2. Затем, естественно, участок прямой а будет невидим (обозначается пунктирной линией) до выхода из-под плоскости ABC. Теперь задачу можно считать решенной.
Р
Рис. 1.43
Если заданна плоскость общего положения, точка пересечения прямой с плоскостью определяется с помощью вспомогательной секущей плоскости. (Рис. 1.43, построение - рис. 1.44)
Для построения точки пересечения прямой линии с плоскостью необходимо:
1) провести через прямую DE вспомогательную проецирующую плоскость S (рис. 1.44, а);
2) построить линию MN пересечения данной плоскости и вспомогательной (рис. 1.44, б);
3) определить искомую точку К пересечения данной прямой DE с линией пересечения плоскостей MN (рис. 1.44, в).
Р
Рис.
1.44
Задача на пересечение прямой с плоскостью решается аналогичным образом и в том случае, когда плоскость задана следами. (Рис. 1.45)
П
Рис. 1.45
Как рассматривалось выше, нужно через прямую b провести плоскость частного положения (например, фронтально-проецирующую). Линия пересечения этой плоскости совпадает с прямой b на П2, т. е. 2 = b 2. Тогда по точкам пересечения 32 и 42 построим точки 31 и 41, а следовательно, и прямую 31,41, являющуюся горизонтальной проекцией линии пересечения плоскости и ABC. Так как прямая 3 4ABC , то точка К1 будет горизонтальной проекцией точки пересечения прямой b и ABC. По ней найдем и фронтальную проекцию К2, которая, очевидно, должна быть расположена на b 2 (ведь точка пересечения принадлежит и прямой b и ABC).
Определим видимые участки прямой b на обеих проекциях по конкурирующим точкам Для определения видимости на П2 используем фронтально-конкурирующие точки (например, точки 32=52, где скрещиваются b и АВ) Очевидно, что точка 31 ближе к нам, чем точка 5l. Следовательно, на П2 выше 32 тогда в этой точке А2В2 выше, а b2 лежит под ней. Это верно только до точки пересечения К2. Далее, естественно, выше будет b2. Аналогично по горизонтально-конкурирующим точкам (например, 61=71) определяем, что в точках 61=71 прямая B1C1 лежит выше, чем b1, так как точка 72 расположена выше, чем точка 62. Невидимый участок прямой b обозначаем пунктирной линией.
Следует иметь в виду, что когда плоскость задана не плоской фигурой, можно говорить лишь о видимости отдельных участков прямой относительно плоскости, хотя такая постановка задачи верна и в случае плоской фигуры.
П
Рис. 1.46
Более наглядно эту особенность можно проинтерпретировать на примере (рис. 1.46, б), где плоскость задана пересекающимися прямыми а и b. Ход решения не отличается от предыдущего, но невидимость участков прямой с уже не ограничена геометрическими элементами, задающими плоскость.
Таким образом, чем бы ни была задана плоскость, точку ее пересечения с прямой можно найти, используя секущую плоскость частного положения, проходящую через эту прямую, а видимость (или невидимость) на плоскостях проекций отдельных участков прямой - с помощью конкурирующих точек.
Пересечение плоскостей. Метод вспомогательных секущих плоскостей. Поскольку линией пересечения двух плоскостей является прямая, то для ее построения необходимо определить лишь две точки пересечения плоскостей.
Для решения указанной задачи применяется метод вспомогательных секущих плоскостей, который заключается в следующем.
В
Рис. 1.47
Рассмотрим на примерах общий случай. Пусть в пространстве заданы две плоскости общего положения α и β (рис. 1.47). Для построения линии их пересечения необходимо, как отмечалось выше, найти две точки, общие обеим плоскостям.
Для определения этих точек заданные плоскости пересекают двумя вспомогательными плоскостями. В качестве таких плоскостей целесообразнее взять проецирующие плоскости и, в частности, плоскости уровня. На рис. 1.47 первая вспомогательная плоскость уровня γ каждую из данных плоскостей пересекает по горизонталям h и h1, которые определяют точку 1, общую для плоскостей α и β, а значит, и принадлежащую линии их пересечения. Взяв вторую вспомогательную плоскость , например, также параллельную П1, получим еще одну точку — 2, общую плоскостям П1. Эта точка определяется пересечением горизонталей h2 и h3, по которым вспомогательная плоскость пересекает каждую из данных плоскостей.
О
Рис. 1.48
Некоторого упрощения можно достичь, если вспомогательные проецирующие плоскости проводить через прямые, задающие плоскость, что и сделано на рис. 1.49, где построена линия 1—2 пересечения плоскостей α (ABC) и β (DEF). Точка 1 этой линии определена с помощью фронтально проецирующей плоскости γ, проведенной через сторону DE треугольника DEF. Именно эта сторона, проекции которой заданы, и является линией пересечения плоскости DEF и γ (DE = β ∩ γ).
У
Рис. 1.49
Та же плоскость γ пересечет второй треугольник ABC по прямой KL (KL = γ∩α).Аналогично, проведя через сторону ВС горизонтально проецирующую плоскость , найдем точку 2. На рис. 1.49 прямая ВC = ∩α, а MN=∩β. Пересечение этих прямых определяет точку 2. Причем ее фронтальная проекция 22 строится раньше, чем 21. Точки 1 и 2 являются точками пересечения сторон одного треугольника.