§ 6. Изображение шара и его сечений

1. Изображение шара. Пусть F₀ – шар. Выберем направление проектирования и рассмотрим касательные к шару, принадлежащие выбранному направлению. Эти касательные образуют цилиндрическую поверхность и проходят через точки большой окружности шара, плоскость которой перпендикулярна направлению проектирования.

Выберем плоскость изображения. В общем случае цилиндрическая поверхность пересечет эту плоскость по эллипсу, а проекция F₁ шара F₀ будет частью плоскости, ограниченной этим эллипсом. Такое изображение шара не является наглядным (рис. 59). Если плоскость изображения выбрать перпендикулярной направлению проектирования, то изображением шара будет круг F. Круг, конечно, дает о шаре более наглядное представление, но в круг можно спроектировать и равный ему круг, и цилиндр (если проектирование вести параллельно его образующим).

П режде чем продолжить разговор о том, как сделать изображение шара наглядным, вспомним известные со школы понятия, связанные с шаром. Сечение шара плоскостью, проходящей через центр шара, называется большим кругом, а его окружность – экватором. Точки пересечения прямой, перпендикулярной плоскости экватора, с поверхностью шара называются полюсами, соответствующими этому экватору, а соединяющий их диаметр – полярной осью.

Если на проекционном чертеже шара изобразить какой-либо экватор и соответствующие ему полюсы, то у изображения появится объемность. Оно станет наглядным.

Какой экватор изображать? Во-первых, желательно, чтобы отрезок, соединяющий изображения полюсов, был на чертеже вертикальным. Это желание будет выполнено, если плоскость изображения  будет вертикальной, а плоскость , проходящая через полюсы N₀, S₀ шара, – ей перпендикулярной и тоже вертикальной. (Напомним, что мы договорились использовать ортогональное проектирование.) Более того, можно считать, что плоскость изображения  проходит через центр шара, и, значит, пересекает его по окружности большого круга. Эту окружность обычно называют очерковой окружностью шара.

Обозначим точки пересечения прямой с поверхностью шара буквами P₀ и Q₀. Если плоскость экватора также выбрать перпендикулярной плоскости , то экватор и диаметр, соединяющий полюсы, изобразятся перпендикулярными диаметрами окружности (рис. 60) и изображение шара не станет нагляднее. Поэтому плоскость экватора не должна быть перпендикулярной плоскости изображения. На рис. 61 дано сечение шара плоскостью . На этом рисунке P₀Q₀ – прямая пересечения плоскостей  и ; C₀D₀ – пересечение  и экваториального круга, N₀S₀ – диаметр, соединяющий полюсы. При проектировании на плоскость  полюсы N₀ и S₀ спроектируется в точки N и S соответственно, диаметр C₀D₀ экватора – в малую ось эллипса, изображающего этот экватор.

Б ольшая ось эллипса (рис. 62) будет проекцией диаметра экватора, перпендикулярного диаметру и, следовательно, параллельного плоскости .

Чтобы указать положение полюсов, вернемся к рис. 61. Прямоугольные треугольники и на этом рисунке равны по гипотенузе и острому углу (углы с соответственно перпендикулярными сторонами). Поэтому . Но в свою очередь , где – отрезок касательной к эллипсу, изображающему экватор (рис. 62).

Итак, наглядное изображение шара можно построить следующим образом:

1) Строим эллипс, который принимаем за изображение экватора, и его оси.

2) Проводим окружность с центром в центре эллипса, радиус которой равен большой полуоси эллипса.

3 ) Строим отрезок касательной к эллипсу, параллельные его большой оси, а затем изображения полюсов.

На рис. 63 показана достаточно типичная ошибка, когда полюсы изображаются на очерковой окружности, а экватор при этом изображен эллипсом.

2. Изображение параллелей и меридианов. Рассмотрим изображение полюсов и меридианов сферы, являющейся поверхностью шара. Напомним, что параллелями сферы называются ее сечения плоскостями, параллельными плоскости экватора. Сечения сферы плоскостями, проходящими через полярную ось, называются меридианами.

Через каждую точку сферы, отличную от полюса, проходит точно один меридиан и одна параллель. Каждый меридиан проходит через оба полюса.

Параллели и меридианы являются окружностями, поэтому также изображаются эллипсами.

Начнем с изображения параллелей. Параллель будет определена, если задать точку, в которой ее плоскость пересекает полярную ось. Поскольку плоскость параллели параллельна плоскости экватора, изображением параллели будет эллипс, подобный эллипсу, изображающему экватор.

Для построения этого эллипса рассмотрим сечение сферы (шара) плоскостью, проходящей через полярную ось перпендикулярно плоскости изображения (правая часть рис. 64). Построенное вспомогательное сечение позволяет легко найти малую ось эллипса, изображающего экватор, и изображения соответствующих ему полюсов.

П усть параллель задана точкой , тогда плоскость параллели пересекает шар по отрезку , перпендикулярному оси . Этот отрезок равен большой оси эллипса, являющегося изображением параллели. Малая ось находится с помощью проектирования точек , на прямую . Наконец, с помощью прямой находятся точки , касания изображения параллели с очерковой окружностью. Точки , разделяют видимую и невидимую части изображения параллели.

При построении эллипса, являющегося изображением параллели, совсем не обязательно строить эллипс, являющийся изображением экватора, которому он подобен. Более того, можно отдельно не выполнять и построение вспомогательного сечения (рис. 65).

Как можно увидеть из рис. 66, в каждом из полушарий можно построить по эллипсу-параллели, которые касаются очерковой окружности только в одной точке. В верхнем полушарии изображения параллелей, лежащих севернее такой параллели будут полностью видимыми, а в нижнем полушарии изображения параллелей, лежащих южнее такой параллели – полностью невидимыми.

З адача. Построить изображение цилиндра, вписанного в шар, если высота цилиндра равна радиусу шара.

Решение. Построим изображение очерковой окружности шара и на ее вертикальном диаметре отметим изображения полюсов (рис. 67).

На этом же диаметре строим изображения центров , оснований цилиндра. Из условия задачи , где – радиус шара, равный радиусу очерковой окружности. Поэтому . Тем самым задано положение параллелей. В соответствии с рассмотренными правилами строим эллипс-изображение верхнего основания. Эллипс, изображающий нижнее основание, можно получить с помощью параллельного переноса на вектор .

В заключение рассмотрим, как строится изображение меридианов, если задано изображение сферы, ее экватора и соответствующих ему полюсов.

Пусть задано изображение точки , через которую проходит изображаемый экватор (рис. 68). В оригинале диаметр перпендикулярен полярной оси , поэтому отрезки , являются сопряженными диаметрами эллипса, изображающего рассматриваемый меридиан. Значит, эллипс – изображение меридиана – по этим сопряженным диаметрам можно построить.

При построениях меридиана «от руки» обычно дополнительно ищут точки , касания эллипса с очерковой окружностью (рис.68). Диаметр очерковой окружности для эллипса будет большой осью, причем , а значит, диаметр сферы параллелен плоскости проекции.

Точки и можно найти из следующих соображений. Построим диаметр эллипса-экватора, сопряженный диаметру . В оригинале , , поэтому диаметр перпендикулярен плоскости рассматриваемого меридиана. Отсюда следует, что , но тогда и (проектирование ортогональное). Точки и разделяют видимую и невидимую части изображения меридиана.