1.9. Взаимное расположение прямой и плоскости

Определение взаимного расположения прямой и плоскости является одной из важнейших задач курса, поскольку она входит как вспомогательная в решение более сложных задач на пересечение многогранников с прямой, с плоскостью, друг с другом или другой поверхностью.

Способ решения таких задач: проведение вспомогательной линии (на плоскости, на поверхности) конкурирующей с данной прямой, а затем определение взаимного положения данной и вспомогательной прямых – является упрощенным толкованием так называемого способа посредников. В качестве посредника здесь используется проецирующая плоскость.

При этом действуют следующим образом. Вначале через данную прямую проводится проецирующая плоскость (посредник) и находится прямая пересечения данной плоскости и проецирующей плоскости-посредника. Затем определяется относительное положение заданной прямой и прямой пересечения плоскостей. Поскольку прямая пересечения плоскостей является прямой принадлежащей заданной плоскости и конкурирующей с заданной прямой, то фактически в этом случае способ посредников есть способ конкурирующих прямых.

Возможны три варианта расположения прямой и плоскости относительно друг друга: прямая может принадлежать плоскости, пересекаться с ней или быть ей параллельной.

Из геометрии известно:

• прямая принадлежит плоскости, если две ее точки принадлежат плоскости (т.е. она совпадает с некоторой прямой лежащей в плоскости), (рисунок 35а);

• прямая пересекается с плоскостью, если она пересекается с какой-либо прямой этой плоскости, (рисунок 35б);

• п рямая параллельна плоскости, если она параллельна какой-либо прямой лежащей в плоскости, (рисунок 35в).

Таким образом определение взаимного расположения прямой и плоскости сводится, в общем случае, к определению взаимного расположения двух прямых – данной прямой и вспомогательной прямой, принадлежащей данной плоскости. Обычно в качестве вспомогательной прямой выбирают прямую, конкурирующую с данной прямой.

Следовательно: чтобы определить взаимное расположение прямой l и плоскости, нужно на данной плоскости провести вспомогательную прямую α, конкурирующую с данной прямой l, и определить взаимное положение конкурирующих прямых l и α.

Если эти прямые пересекаются в некоторой точке, то в этой же точке данная прямая пересекается с плоскостью. Если же конкурирующие прямые совпадают или параллельны, то данная прямая, соответственно, принадлежит или параллельна данной плоскости.

Рассмотрим все три варианта.

Н а рисунке 36а изображена прямая l и плоскость общего положения заданная треугольником АВС. Определим их взаимное положение.

Построим на плоскости треугольника вспомогательную прямую α, горизонтально конкурирующую с прямой l. Прямую α в плоскости определяют точки 1 и 2, взятые на сторонах треугольника АС и СВ. С помощью этих точек прямая α легко строится на фронтальной проекции (виде спереди), где отмечаем, что прямые l и α пересекаются. Следовательно точка К – точка пересечения прямых и будет точкой пересечения прямой l с данной плоскостью.

Определим видимость прямой l относительно плоскости треугольника. На фронтальной проекции видно, что левее точки К прямая l расположена ниже прямой α, а значит и плоскости треугольника. Поэтому на горизонтальной проекции (виде сверху) левее точки К прямая l будет невидимой, и наоборот, правее точки К – видимой.

Видимость прямой l на фронтальной проекции (виде спереди) легко определить исходя из того, что плоскость треугольника является нисходящей. Поскольку нами уже определено, что левее точки К прямая расположена ниже плоскости, то она вместе с тем расположена и перед плоскостью. Это означает, что на фронтальной проекции (виде спереди) прямая l левее точки К видима, и наоборот, правее точки К – невидима.

Для увеличения наглядности на рисунке 36 плоскость ограничена треугольником АВС, поэтому вне проекций треугольника прямая l изображена видимой.

Если при построении вспомогательной прямой α, горизонтально конкурирующей с данной прямой l окажется, что l //α (рисунок 36б), то это означает, что прямая l параллельна плоскости треугольника.

Поскольку прямая l расположена выше прямой α (это видно на фронтальной проекции), значит она расположена и выше плоскости треугольника, поэтому на горизонтальной проекции (виде сверху) она видима полностью. Учитывая, что плоскость – нисходящая, прямая l, находящаяся выше нее одновременно находится и за плоскостью. А это значит, что на фронтальной проекции (виде спереди) прямая невидима.

Если же при построении вспомогательной прямой α окажется, что прямые совпадают на обеих проекциях (рисунок 36в), то прямая l принадлежит плоскости.

Отдельно рассмотрим случай определения взаимного расположения профильной прямой и плоскости.

П усть даны: профильная прямая р, заданная двумя точками M и N, и плоскость общего положения, заданная треугольником АВС (рисунок 37).

Как и в общем случае, построим на плоскости треугольника вспомогательную прямую α, конкурирующую с заданной прямой р. Для определения прямой α на плоскости, выделим на сторонах треугольника АС и АВ точки 1 и 2. Ясно, что прямая α будет как и прямая р профильной прямой. По заданным горизонтальной и фронтальной проекциям определить взаимное расположение прямых р и α не представляется возможным. Построим профильные проекции (вид слева) двух этих прямых. Так как их профильные проекции пересекаются, то прямые р и α тоже пересекаются, и точка их пересечения К является точкой пересечения прямой р с плоскостью треугольника АВС.

Видимость прямой р относительно плоскости можно определить непосредственно из пространственного представления. Так как прямая р – восходящая (проекции ориентированы одинаково), а плоскость – нисходящая (проекции различно ориентированы), то прямая р от точки К в сторону точки М находится над и за плоскостью треугольника. Поэтому на виде сверху (на горизонтальной проекции) прямая р видима от точки К в сторону точки М и невидима в сторону точки N. На виде спереди (на фронтальной проекции) прямая р, наоборот, видима от точки К в сторону точки N и невидима в сторону точки М.

Если профильные проекции (вид слева) прямых р и α окажутся параллельными или совпадут, то прямые будут соответственно параллельны или совпадут, а это означает, что профильная прямая р соответственно параллельна плоскости треугольника или принадлежит ей.

При определении взаимного положения прямой и плоскости, когда прямая или плоскость являются проецирующими, следует воспользоваться «вырождением» их проекций в точку или прямую.

В этом случае решение значительно упрощается. Так, если проецирующая прямая пересекается с какой либо плоскостью, то проекция точки пересечения совпадает с точкой, в которую проецируется сама прямая.

Е сли же проецирующая плоскость пересекается с какой либо прямой общего положения, то одна из проекций точки пересечения определяется в пересечении тех их проекций, где плоскость «вырождена» в прямую).

На рисунке 38а показано построение точки К пересечения горизонтально проецирующей прямой i с плоскостью общего положения, заданной треугольником АВС. Горизонтальная проекция точки К совпадает с проекцией прямой i, а фронтальная проекция точки пересечения легко определяется из условия принадлежности точки К плоскости треугольника. Для этого использована вспомогательная прямая А-1, лежащая в плоскости.

На рисунке 38б показано построение точки К пересечения прямой общего положения l с фронтально проецирующей плоскостью Б. Фронтальная проекция точки К определяется в пересечении фронтальных проекций прямой и плоскости, а горизонтальная проекция точки К найдется в пересечении вертикальной линии связи с горизонтальной проекцией прямой.