Линейчатой называют поверхность, которая образуется движением прямой линии (образующей) в пространстве. В зависимости от закона движения образующей прямой выделяют три вида линейчатых поверхностей.

1.5.4.1. Линейчатые поверхности с тремя направляющими образуются движением прямолинейной образующей по трем направляющим a , b и c (кривым или прямым), которые единственным образом определяют движение образующей l (рис. 1.55). Так, выбрав на направляющей a любую точку А , можно будет провести через эту точку бесконечное множество прямолинейных образующих конической поверхности с вершиной в точке А и пересекающих направляющую c . Из рис. 1.55 видно, что через точку А , взятую на направляющей a ,проходит одна и только одна прямолинейная образующая, пересекающая две другие направляющие b и c .

Описанным способом через точки, принадлежащие направляющей a ,можно построить любое число прямолинейных образующих, которые выделят в пространстве одну единственную линейчатую поверхность.

Так как положение прямолинейных образующих однозначно определяется формой и положением в пространстве направляющих a , b и c , то определитель линейчатой поверхности рассматриваемого вида записывается как:

Ф(a,b,c) – линейчатая поверхность.

Примером линейчатой поверхности с тремя направляющими является однополосный гиперболоид, у которого направляющими служат три произвольно скрещивающиеся прямые a , b и c (рис. 1.56).

Часто линейчатые поверхности задаются меньшим числом направляющих. В этих случаях отсутствие недостающих направляющих дополняют условиями, обеспечивающими заданный характер движения образующей.

1.5.4.2. Для получения линейчатых поверхностей с двумя направляющими задается дополнительное условие сохранения параллельности образующей какой-либо плоскости, называемой плоскостью параллелизма, или сохранения заданного угла наклона образующей относительно какой-либо плоскости или оси вращения (у геликоидов). Такие поверхности называются поверхностями с плоскостью параллелизма. К ним относятся:

- цилиндроид l по двум криволинейным направляющим a и b, Σ (рис. 1.57)

– цилиндроид.

На комплексном чертеже (рис. 1.5)7 с использованием каркаса поверхности построена точка А , которая принадлежит цилиндроиду. Точка А построена по принципу принадлежности линии с , которая в свою очередь принадлежит поверхности цилиндроида Ф :

Обычно для удобства построения образующих линейчатых поверхностей за плоскость параллелизма принимают одну из плоскостей проекций, тогда образующие будут соответствующими линиями уровня;

- коноид образуется движением прямолинейной образующей l по двум направляющим, из которых одна является кривой линией a , а другая – прямой b, причем во всех своих положениях образующая параллельна некоторой плоскости параллелизма Σ . Определитель поверхности имеет вид:

– коноид.

Если у коноида прямолинейная направляющая b перпендикулярна плоскости параллелизма, то коноид называется прямым . На рис. 1.58 показан прямой коноид с плоскость параллелизма П 1 , у которого образующие являются горизонталями;

- косая плоскость образуется движением прямолинейной образующей l по двум скрещивающимся прямолинейным направляющим a и b, причем во всех своих положениях образующая параллельна некоторой плоскости параллелизма Σ . Определитель поверхности имеет вид:

– косая плоскость.

Если направляющие a и b будут не скрещивающиеся прямые, а пересекающиеся или параллельные, то косая плоскость выродится в обыкновенную плоскость, которой принадлежат направляющие a и b .

На рис. 1.59 изображена косая плоскость, направляющими которой служат прямые a и b, а плоскость параллелизма – горизонтальная плоскость проекций П 1 , следовательно, образующие косой плоскости являются горизонталями.

Так как в сечении косой плоскости можно получить, кроме прямолинейных образующих и направляющих, также гиперболу и параболу, эту поверхность еще называют гиперболическим параболоидом . Параболой является горизонтальный очерк косой плоскости, приведенной на рис. 1.59.

1.5.4.3. Различают три разновидности линейчатых поверхностей с одной направляющей:

- коническая поверхность общего видаобразуется движением прямолинейной образующей l по некоторой кривой линии m (направляющей) и имеющей неподвижную точку S (вершину) (рис. 1.60). Определитель поверхности имеет вид:

Ф(m,S) – коническая поверхность;

- цилиндрическая поверхность образуется в результате движения прямолинейной образующей l по некоторой кривой линии m (направляющей) и имеющей постоянное направление s (рис. 1.61). Определитель поверхности имеет вид:

Ф(m,s) – цилиндрическая поверхность.

Если направляющей является ломаная линия, то получаются частные случаи конической и цилиндрической поверхностей – пирамидальная и призматическая поверхности ;

- торс образуется движением прямолинейной образующей l , касающейся во всех своих положениях некоторой пространственной кривой m , называемой ребром возврата . Ребро возврата является направляющей торса, который полностью определяет поверхность (рис. 1.62). В связи с этим определитель поверхности содержит только один элемент:

Ф(m) – торс .

Коническую и цилиндрическую поверхности можно рассматривать как частные случаи поверхности торса, когда ее ребро возврата вырождается в точку (конечную или бесконечно удаленную).

Линейчатые поверхности с одной направляющей относятся к числу развертывающихся поверхностей. Все другие линейчатые кривые поверхности относятся к числу неразвертывающихся , их так же называют косыми .

Линейчатой поверхностью называется поверхность, образованная при перемещении прямой линии в пространстве по какому-либо закону. Характер движения прямолинейной образующей определяет вид линейчатой поверхности. Обычно закон движения образующей задаётся с помощью направляющих линий. В общем случае для задания линейчатой поверхности необходимы три направляющие линии, которые могут однозначно задать закон перемещения направляющей. Выделим на линейчатой поверхности три какие-нибудь линии a, b и c и примем их за направляющие (рис. 7.17).

Рис. 7.17. Линейчатая поверхность в общем случае

Изучение группы линейчатых неразвертывающихся поверхностей можно начать с цилиндроидов - поверхностей с плоскостью параллелизма (поверхности Каталана), поверхностей, образуемых движением прямой, скользящей по двум кривым направляющим, не лежащим в одной плоскости, и остающейся все время параллельной, так называемой, плоскости параллелизма (рис.7.18).

Рис. 7.18. Пример цилиндроида: а - в пространстве; б - на комплексном чертеже

Следующей поверхностью в этой группе является коноид, который представляет собой линейчатую неразвертывающуюся поверхность, которая образуется движением прямой, скользящей по двум направляющим, не лежащим в одной плоскости, и остающейся все время параллельной, так называемой, плоскости параллелизма.

Приэтом нужно знать, что одна из этих направляющих является прямой линией (рис. 7.19).

Рис. 7.19. Пример коноида: а - на комплексном чертеже; б - в пространстве

Если же обе направляющие цилиндроида заменить прямыми линиями (скрещивающимися), то образуется линейчатая неразвертывающаяся поверхность с плоскостью параллелизма - косая плоскость, или линейчатый параболоид, или гиперболический параболоид (рис. 7.20).

Своё название (гиперболический параболоид) линейчатая поверхность получила из-за того, что при пересечении ее соответствующими плоскостями в сечении можно получить параболы и гиперболы

Разновидностями косых поверхностей являются линейчатые поверхности с направляющей плоскостью и частные их виды - линейчатые поверхности с плоскостью параллелизма (поверхности Каталана).

В первом случае (рис. 7.20, а) поверхность однозначно задается двумя направляющими прямолинейными скрещивающимися линиями d, n и направляющей плоскостью γ, которая заменяет третью направляющую линию. Образующая прямая скользит по двум направляющим и всё время остаётся параллельной плоскости параллелизма γ.

Если плоскости параллелизма перпендикулярны друг другу γ ⊥ π1 , то гиперболический параболоид называется прямым.

На рис. 7.20, б изображён комплексный чертёж косой плоскости. По своему виду эта поверхность напоминает седло.

Рис. 7.20. Параболоид гиперболический:
а - в пространстве; б - на комплексном чертеже

Поверхности с направляющей плоскостью называются косыми цилиндроидами, если обе направляющие являются кривыми линиями; косыми коноидами - если одна из направляющих - прямая линия; дважды косой плоскостью, если направляющие - скрещивающиеся прямые.

Дважды косой цилиндроид, как линейчатая поверхность с тремя направляющими, из которых две пространственные кривые и одна прямая показан на рис. 7.21.

На рис. 7.22. показан дважды косой коноид, образованный перемещением образующей прямой (красная) по трем направляющим, из которых две прямые. Показано построение одной образующей, как результата пересечения вспомогательной плоскости, проходящей через одну из прямолинейных направляющих, с двумя другими направляющими.

Рис. 7.21. Дважды косой цилиндроид

Рис. 7.22. Дважды косой
коноид

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Глава 8. ПОВЕРХНОСТИ

§ 45. Образование поверхностей

Поверхностью называют множество последовательных положений линий, перемещающихся в пространстве. Эта линия может быть прямой или кривой и называется образующей поверхности. Если образующая кривая, она может иметь постоянный или переменный вид. Перемещается образующая по направляющим, представляющим собой линии иного направления, чем образующие. Направляющие линии задают закон перемещения образующим. При перемещении образующей по направляющим создается каркас поверхности (рис. 84), представляющий собой совокупность нескольких последовательных положений образующих и направляющих. Рассматривая каркас, можно убедиться, что образующие l и направляющие т можно поменять местами, но при этом по верхность получается одна и та же.

Любую поверхность можно получить различными способами. Так, прямой круговой цилиндр (рис. 85) можно создать вращением образующей l вокруг оси г, ей параллельной. Тот же цилиндр образуется

перемещением окружности т с центром в точке О, скользящим по оси i . Любая кривая k, лежащая на поверхности цилиндра, образует эту поверхность при своем вращении вокруг оси /".

На практике из всех возможных способов образования поверхности выбирают наиболее простой.

В зависимости от формы образующей все поверхности можно разделить на линейчатые, у которых образующая прямая линия, и нелинейчатые, у которых образующая кривая линия.

В линейчатых поверхностях выделяют поверхности развертывающиеся, совмещаемые всеми своими точками с плоскостью без разрывов и складок, и неразвертывающиеся, которые нельзя совместить с плоскостью без разрывов и складок.

К развертывающимся поверхностям относятся поверхности всех многогранников, цилиндрические, конические и торсовые поверхности. Все остальные поверхности - неразвертывающиеся. Нелинейчатые поверхности могут быть с образующей постоянной формы (поверхности вращения и трубчатые поверхности) и с образующей переменной формы (каналовые и каркасные поверхности).

Для задания поверхностей выбирают такую совокупность независимых геометрических условий, которая однозначно определяет данную поверхность в пространстве. Эта совокупность условий называется определителем поверхности. Определитель состоит из двух частей: геометрической, в которую входят основные геометрические элементы и соотношения между ними, и алгоритмической, содержащей последовательность и характер операций перехода от основных постоянных элементов и величин к переменным элементам поверхности, т. е. закон построения отдельных точек и линий данной поверхности.

Поверхность на комплексном чертеже задается проекциями геометрической части ее определителя с указанием способа построения ее образующих. На чертеже поверхности для любой точки пространства однозначно решается вопрос о принадлежности ее данной поверхности. Графическое задание элементов определителя поверхности обеспечивает обратимость чертежа, но не делает его наглядным. Для наглядности прибегают к построению проекций достаточно плотного каркаса образующих и к построению очерковых линий поверхности (рис. 86). При проецировании поверхности Q на плоскость проекций проецирующие лучи прикасаются к этой поверхности в точках, образующих на ней некоторую линию l , которая называется контурной линией. Проекция контурной линии называется очерком поверхности. На комплексном чертеже любая поверхность имеет: на П 1 - горизонтальный очерк, на П 2 - фронтальный очерк, на П 3 - профильный очерк поверхности. Очерк включает в себя, кроме проекций линии контура, также проекции линий обреза.

Из существенного множества поверхностей в курсе инженерной графики будут рассмотрены все развертывающиеся поверхности, к которым относятся гранные, конические, цилиндрические, торсовые поверхности, некоторые поверхности вращения и винтовые.

Простейшей поверхностью, широко используемой в инженерной графике, является плоскость, представляющая собой поверхность, образованную перемещением прямолинейной образующей (рис. 87) по двум параллельным или пересекающимся прямым m 1 и m 2 .

84.gif

Изображение:

85.gif

Изображение:

86.gif

Изображение:

87.gif

Изображение:

12. Вопросы для самопроверки

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

14. Какие линии характерны для поверхности вращения и какова их роль в построении изображений поверхности?

46. Изображение плоскости на чертеже

§ 46. Изображение плоскости на чертеже

Плоскость на чертеже может быть задана различными способами: тремя точками, не лежащими на одной прямой Q(A, В, С) (рис. 88, а);

прямой и точкой, не лежащей на одной прямой Q(aA; A не принадлежит а) (рис. 88, б);

двумя пересекающимися прямыми Q(a || b) (рис. 88, в);

двумя параллельными прямыми Q(a ^ b) (рис. 88, г);

любой плоской фигурой, например, треугольником Q(ABC) (рис. 88, д).

Плоскости, заданные на чертеже одним из таких способов, не ограничиваются проекциями определяющих ее элементов.

Рассматривая комплексный чертеж плоскости, можно убедиться, что каждый из названных способов задания ее допускает возможность перехода от одного из них к другому.

88.gif

Изображение:

47. Расположение плоскости относительно плоскостей проекций. Взаимное расположение двух плоскостей

§ 47. Расположение плоскости относительно плоскостей проекций. Взаимное расположение двух плоскостей

По расположению относительно плоскостей проекций плоскости делят на плоскости общего и частного положения.

К плоскостям общего положения относятся плоскости, непараллельные и неперпендикулярные ни одной из плоскостей проекций. На комплексном чертеже (см. рис. 88) проекции элементов, которыми задана плоскость, как правило, занимают общее положение.

К плоскостям частного положения относятся плоскости, параллельные или перпендикулярные одной из плоскостей проекций.

В свою очередь, плоскости частного положения делятся на проецирующие плоскости и плоскости уровня. К проецирующим плоскостям относятся плоскости, перпендикулярные одной из плоскостей проекций. Все проецирующие плоскости будем обозначать буквой Е. Проецирующие плоскости могут быть перпендикулярны П 1 , П 2 или П 3 . В зависимости от этого различают горизонтально проецирующие плоскости, когда Sum_|_ П 1 ; фронтально проецирующие плоскости, когда Sum_|_П 2 ; профильно проецирующие плоскости, когда Sum_|_П 3 ;

Проецирующая плоскость отличается тем, что проекция ее на плоскость проекций, ей перпендикулярную, всегда изображается в виде прямой линии и фигур, лежащих в проецирующей плоскости. Проекция плоскости, выраженной в прямой, вполне определяет положение плоскости относительно плоскостей проекций. Например, на рис. 89, а приведен комплексный чертеж плоскости I, заданной двумя параллельными прямыми. Из рисунка видно, что I (а \\ Ъ) является горизонтально проецирующей плоскостью и расположена под углом Р к фронтальной плоскости проекций и под углом у с фронтальной плоскостью проекций.

На рис. 89, б приведен комплексный чертеж плоскости Sum, составляющей угол а с горизонтальной плоскостью проекций и угол у с фронтальной плоскостью проекций. Это можно записать так: AВС ~ A 2 ~ Sum 2 , B 2 ~ Sum 2 , C 2 ~ Sum 2 .

Наличие вырожденной проекции дает возможность задавать проецирующие плоскости на комплексном чертеже только одной проекцией. На рис. 89, в через точку А проведена профильно проецирующая плоскость (Sum_|_П 3) под углом а к П 1 .

Все изображения, расположенные в заданной плоскости, на плоскости, не перпендикулярные ей, проецируются с искажением.

К плоскостям уровня относятся плоскости, параллельные одной из плоскостей проекций. Их можно считать дважды проецирующими

плоскостями, так как у них на комплексном чертеже две проекции имеют вид прямой, расположенной под прямым углом к линии связи, а третья проекция дает изображение всех элементов, лежащих в этой плоскости, в натуральную величину. Плоскости уровня обычно обозначаются: Г - горизонтальная плоскость уровня; Ф - фронтальная плоскость уровня; U - профильная

плоскость уровня. На рис. 90, а дан комплексный чертеж плоскости горизонтального уровня (Г || П 1); на рис. 90, б приведен комплексный чертеж плоскости фронтального уровня (Ф || П 2), Ф э АВС, А 2 В 2 С 2 - истинная величина треугольника ABC; на рис. 90, в показан комплексный чертеж профильно проецирующей плоскости (U || П 3 , u аА; А ~ а).

Плоскости уровня отличаются тем, что на плоскости проекций, им перпендикулярную, они проецируются в прямую линию, на которой располагаются точки, прямые и фигуры, расположенные в плоскости уровня. Эти прямые являются вырожденными проекциями заданной плоскости. На плоскость проекций, параллельную заданной плоскости, все изображения этой плоскости проецируются без искажений, т. е. в натуральную величину.

Две плоскости в пространстве могут быть параллельными или пересекаться. Параллельными будут плоскости, если одна из них задана пересекающимися прямыми, параллельными пересекающимся, за-

дающим вторую плоскость; на рис. 91 показаны параллельные плоскости: Sum (ахb) и Sum 2 (cxd), причем а || с, ab || d.

Если плоскости пересекаются, то линия их пересечения - прямая. Плоскости, перпендикулярные между собой, представляют случай их пересечения, когда угол между плоскостями составляет 90°.

Построение линий пересечения плоскостей рассматривается в §62.

89.gif

Изображение:

90.gif

Изображение:

91.gif

Изображение:

48. Особые линии в плоскости

§ 48. Особые линии в плоскости

К особым линиям в плоскости можно отнести линии, параллельные плоскости проекций. Их называют линиями уровня.

Линию, принадлежащую плоскости и параллельную горизонтальной плоскости проекций, называют горизонталью плоскости (рис. 92, а). Построение горизонтали всегда начинают с ее фронтальной проекции: h(A 1 1)~ Q(ABC);h 2 ~ A 2 ;h 2 _|_ A 2 A l ;h 2 ^ B 2 C 2 = l 2 ,l 2 l 1 || A 2 A 1 .

Линию, принадлежащую плоскости и параллельную фронтальной плоскости проекций, называют фронталью плоскости (рис. 92, б). Построение фронтали начинают с горизонтальной проекции: f(F 1 1) ~ ^(DFE); F 1 ~f 1 , f 1 ,_|_F 1 F 2 ; f1^D 1 E 1 =l 1 ; l 1 l 2 || F 1 F 2 ;

l 1 l 2 ^D 2 E 2 =l 2 ^F 2 =l 2 .

Рассматривая особые линии в плоскостях частного положения, можно убедиться, что соответствующие линии уровня в этом случае будут и проецирующими.

На рис. 92, в показана горизонталь h фронтально проецирующей плоскости Sum. В данном случае она будет также фронтальной проецирующей прямой, т. е. h э Sum; Sum _|_ П 2 .

92.gif

Изображение:

49. Взаимное расположение точки, прямой и плоскости

§ 49. Взаимное расположение точки, прямой и плоскости

Прямая может принадлежать и не принадлежать плоскости. Она принадлежит плоскости, если хотя бы две точки ее лежат на плоскости. На рис. 93 показана плоскость Sum (axb). Прямая l принадлежит плоскости Sum, так как ее точки 1 и 2 принадлежат этой плоскости.

Если прямая не принадлежит плоскости, она может быть параллельной ей или пересекать ее.

Прямая параллельна плоскости, если она параллельна другой пря-

Рис. 94

мой, лежащей в этой плоскости. На рис. 93 прямая m || Sum , так как она параллельна прямой l , принадлежащей этой плоскости.

Прямая может пересекать плоскость под различными углами и, в частности, быть перпендикулярной ей. Построение линий пересечения прямой с плоскостью приведено в §61.

Точка по отношению к плоскости может быть расположена следующим образом: принадлежать или не принадлежать ей. Точка принадлежит плоскости, если она расположена на прямой, расположенной в этой плоскости. На рис. 94 показан комплексный чертеж плоскости Sum, заданной двумя параллельными прямыми l и п. В плоскости расположена линия m. Точка A лежит в плоскости Sum, так как она лежит на прямой m. Точка В не принадлежит плоскости, так как ее вторая проекция не лежит на соответствующих проекциях прямой.

93.gif

Изображение:

94.gif

Изображение:

50. Коническая и цилиндрическая поверхности

§ 50. Коническая и цилиндрическая поверхности

К коническим относятся поверхности, образованные перемещением прямолинейной образующей l по криволинейной направляющей m. Особенностью образования конической поверхности является то, что

Рис. 96

при этом одна точка образующей всегда неподвижна. Эта точка является вершиной конической поверхности (рис. 95, а). Определитель конической поверхности включает вершину S и направляющую m, при этом l "~S; l "^ m.

К цилиндрическим относятся поверхности, образованные прямой образующей /, перемещающейся по криволинейной направляющей т параллельно заданному направлению S (рис. 95, б). Цилиндрическую поверхность можно рассматривать как частный случай конической поверхности с бесконечно удаленной вершиной S.

Определитель цилиндрической поверхности состоит из направляющей т и направления S, образующих l , при этом l" || S; l" ^ m.

Если образующие цилиндрической поверхности перпендикулярны плоскости проекций, то такую поверхность называют проецирующей. На рис. 95, в показана горизонтально проецирующая цилиндрическая поверхность.

На цилиндрической и конической поверхностях заданные точки строят с помощью образующих, проходящих через них. Линии на поверхностях, например линия а на рис. 95, в или горизонтали h на рис. 95, а, б, строятся с помощью отдельных точек, принадлежащих этим линиям.

95.gif

Изображение:

96.gif

Изображение:

51. Торсовые поверхности

§ 51. Торсовые поверхности

Торсовой называется поверхность, образованная прямолинейной образующей l , касающейся при своем движении во всех своих положениях некоторой пространственной кривой т, называемой ребром возврата (рис. 96). Ребро возврата полностью задает торс и является геометрической частью определителя поверхности. Алгоритмической частью служит указание касательности образующих к ребру возврата.

Коническая поверхность является частным случаем торса, у которого ребро возврата т выродилось в точку S - вершину конической поверхности. Цилиндрическая поверхность - частный случай торса, у которого ребро возврата - точка в бесконечности.

52. Гранные поверхности

§ 52. Гранные поверхности

К гранным относятся поверхности, образованные перемещением прямолинейной образующей l по ломаной направляющей m. При этом если одна точка S образующей неподвижна, создается пирамидальная поверхность (рис. 97), если образующая при перемещении параллельна заданному направлению S, то создается призматическая поверхность (рис. 98).

Элементами гранных поверхностей являются: вершина S (у призматической поверхности она находится в бесконечности), грань (часть плоскости, ограниченная одним участком направляющей m и крайни-

ми относительно него положениями образующей l) и ребро (линия пересечения смежных граней).

Определитель пирамидальной поверхности включает в себя вершину S, через которую проходят образующие и направляющие: l" ~ S;

l ^ т.

Определитель призматической поверхности, кроме направляющей т, содержит направление S, которому параллельны все образующие l поверхности: l||S; l^ т.

Замкнутые гранные поверхности, образованные некоторым числом (не менее четырех) граней, называются многогранниками. Из числа многогранников выделяют группу правильных многогранников, у которых все грани правильные и конгруэнтные многоугольники, а многогранные углы при вершинах выпуклые и содержат одинаковое число граней. Например: гексаэдр - куб (рис. 99, а), тетраэдр - правильный четырехугольник (рис. 99, 6) октаэдр - многогранник (рис. 99, в). Форму различных многогранников имеют кристаллы.

Пирамида - многогранник, в основании которого лежит произвольный многоугольник, а боковые грани - треугольники с общей вершиной S.

На комплексном чертеже пирамида задается проекциями ее вершин и ребер с учетом их видимости. Видимость ребра определяется с помощью конкурирующих точек (рис. 100).

Призма - многогранник, у которого основание - два одинаковых и взаимно параллельных многоугольника, а боковые грани - параллелограммы. Если ребра призмы перпендикулярны плоскости основания, такую призму называют прямой. Если у призмы ребра перпендикулярны какой-либо плоскости проекций, то боковую поверхность ее называют проецирующей. На рис. 101 дан комплексный чертеж прямой четырехугольной призмы с горизонтально проецирующей поверхностью.

Рис. 100

При работе с комплексным чертежом многогранника приходится строить на его поверхности линии, а так как линия есть совокупность точек, то необходимо уметь строить точки на поверхности.

Любую точку на гранной поверхности можно построить с помощью образующей, проходящей через эту точку. На рис. 100 в грани ACS построена точка М с помощью образующей S-5.

97.gif

Изображение:

98.gif

Изображение:

99.gif

Изображение:

100.gif

Изображение:

101.gif

Изображение:

53. Винтовые поверхности

§ 53. Винтовые поверхности

К винтовым относятся поверхности, создаваемые при винтовом движении прямолинейной образующей. Линейчатые винтовые поверхности называют геликоидами.

Прямой геликоид образуется движением прямолинейной образующей i по двум направляющим: винтовой линии т и ее оси i; при этом образующая l пересекает винтовую ось под прямым углом (рис. 102, а). Прямой геликоид используется при создании винтовых лестниц, шнеков, а также силовых резьбах, в станках.

Наклонный геликоид образуется движением образующей по винтовой направляющей т и ее оси i так, что образующая l пересекает ось i под постоянным углом ф, отличным от прямого, т. е. в любом положении образующая l параллельна одной из образующих направляющего конуса с углом при вершине, равным 2ф(рис. 102, б). Наклонные геликоиды ограничивают поверхности витков резьбы.

Рис. 102 Линейчатые винтовые поверхности - геликоиды.

Изображение:

54. Поверхности вращения

§ 54. Поверхности вращения

К поверхностям вращения относятся поверхности, образующиеся вращением линии l вокруг прямой i, представляющей собой ось вращения. Они могут быть линейчатыми, например конус или цилиндр вращения, и нелинейчатыми или криволинейными, например сфера. Определитель поверхности вращения включает образующую l и ось i. Криволинейная поверхность вращения образуется при вращении лю-

Каждая точка образующей при вращении описывает окружность, плоскость которой перпендикулярна оси вращения. Такие окружности поверхности вращения называются параллелями. Наибольшую из параллелей называют экватором. Экватор.определяет горизонтальный очерк поверхности, если i _|_ П 1 . В этом случае параллелями являются горизонтали h этой поверхности.

Кривые поверхности вращения, образующиеся в результате пересечения поверхности плоскостями, проходящими через ось вращения, называются меридианами. Все меридианы одной поверхности конгруэнтны. Фронтальный меридиан называют главным меридианом; он определяет фронтальный очерк поверхности вращения. Профильный меридиан определяет профильный очерк поверхности вращения.

Строить точку на криволинейных поверхностях вращения удобнее всего с помощью параллелей поверхности. На рис. 103 точка М построена на параллели h 4 .

Поверхности вращения нашли самое широкое применение в технике. Они ограничивают поверхности большинства машиностроительных деталей.

Коническая поверхность вращения образуется вращением прямой i вокруг пересекающейся с ней прямой - оси i (рис. 104, а). Точка М на поверхности построена с помощью образующей l и параллели h. Эту поверхность называют еще конусом вращения или прямым круговым конусом.

Цилиндрическая поверхность вращения образуется вращением прямой l вокруг параллельной ей оси i (рис. 104, б). Эту поверхность называют еще цилиндром или прямым круговым цилиндром.

Сфера, образуется вращением окружности вокруг ее диаметра (рис. 104, в). Точка A на поверхности сферы принадлежит главному

меридиану f, точка В - экватору h, а точка М построена на вспомогательной параллели h".

Тор образуется вращением окружности или ее дуги вокруг оси, лежащей в плоскости окружности. Если ось расположена в пределах образующейся окружности, то такой тор называется закрытым (рис. 105, а). Если ось вращения находится вне окружности, то такой тор называется открытым (рис. 105, б). Открытый тор называется еще кольцом.

Поверхности вращения могут быть образованы и другими кривыми второго порядка. Эллипсоид вращения (рис. 106, а) образуется вращением эллипса вокруг одной из его осей; параболоид вращения (рис. 106, б) - вращением параболы вокруг ее оси; гиперболоид вращения однополостный (рис. 106, в) образуется вращением гиперболы вокруг мнимой оси, а двуполостный (рис. 106, г) - вращением гиперболы вокруг действительной оси.

В общем случае поверхности изображаются не ограниченными в направлении распространения образующих линий (см. рис. 97, 98). Для решения конкретных задач и получения геометрических фигур ограничиваются плоскостями обреза. Например, чтобы получить круговой цилиндр, необходимо ограничить участок цилиндрической поверхности плоскостями обреза (см. рис. 104, б). В результате получим его верхнее и нижнее основания. Если плоскости обреза перпендикулярны оси вращения, цилиндр будет прямым, если нет - цилиндр будет наклонным.

Чтобы получить круговой конус (см. рис. 104, а), необходимо выполнить обрез по вершине и за пределами ее. Если плоскость обреза основания цилиндра будет перпендикулярна оси вращения - конус будет прямой, если нет - наклонный. Если обе плоскости обреза не проходят через вершину - конус получим усеченным.

С помощью плоскости обреза можно получить призму и пирамиду. Например, шестигранная пирамида будет прямой, если все ее ребра имеют одинаковый наклон к плоскости обреза. В других случаях она будет наклонной. Если она выполнена с помощью плоскостей обреза и ни одна из них не проходит через вершину - пирамида усеченная.

Призму (см. рис. 101) можно получить, ограничив участок призматической поверхности двумя плоскостями обреза. Если плоскость обреза перпендикулярна ребрам, например восьмигранной призмы, она прямая, если не перпендикулярна - наклонная.

Если линия не принадлежит поверхности, то они пересекаются. Простейшим случаем является пересечение с поверхностью прямой линии. Задача решается путем заключения данной линии в какую-либо проецирующую плоскость и построением натуральной величины сечения, из которого легко определить точку входа и выхода прямой. Задачи такого типа рассматриваются в § 63.

Точка может принадлежать поверхности и не принадлежать. Точка принадлежит поверхности, если она лежит на линии, расположенной на этой поверхности. На рис. 104, в точка М принадлежит сферической поверхности, так как она находится на линии окружности /г", лежащей на этой поверхности. Точки А и В тоже принадлежат сферической поверхности, так как они расположены на линиях очерковых окружностей, принадлежащих сферической поверхности. Примеры принадлежности точки поверхности можно привести и в случае наличия конической поверхности (точка М на рис. 104, а), поверхности тора (точка М на рис. 105) и поверхности более сложной формы (точка М на рис. 103).

Задача определения принадлежности точки поверхности решается следующим способом. Если заданы проекции элементов поверхности и точки, необходимо на одной из плоскостей проекций через заданную точку провести линию, принадлежащую поверхности, и построить проекцию этой линии на одной плоскости проекций. Если вторая проекция пройдет через вторую проекцию точки - точка принадлежит поверхности, если не пройдет - не принадлежит.

Эту задачу можно рассмотреть на примере рис. 104, а. На комплексном чертеже задана коническая поверхность очерковыми линиями. Задана также точка М горизонтальной и фронтальной проекций. Через горизонтальную проекцию точки проведем горизонтальную проекцию h 1 окружности, принадлежащей конической поверхности. Построив фронтальную проекцию h 2 этой окружности, убеждаемся, что она прошла через фронтальную проекцию точки. Это и подтверждает, что точка принадлежит конической поверхности.

Данная задача может быть решена и другим путем. При тех же исходных данных через фронтальную проекцию М 1 точки проводим проекцию одной из образующих f Построив горизонтальную проекцию h образующей, убеждаемся, что она прошла через горизонтальную проекцию М 1 точки М, и это позволяет сделать вывод о том, что точка М принадлежит конической поверхности.

Принципы построения точек и линий на поверхностях положены в основу построения линий пересечения, срезов, вырезов, проницаний и др., что определяет построение сложных геометрических тел, и в итоге - деталей, узлов, машин, зданий, сооружений.

Линейчатые поверхности

Линейчатой поверхностью называется поверхность, которая может быть образована движением прямой линии в пространстве . В зависимости от характера движения образующей получаются различные типы линейчатых поверхностей.

Рисунок 1.3.37 – Линейчатые гранные поверхности

Многогранники (пирамиды, призмы) – это замкнутые поверхности, образованные некоторым количеством граней. В данном случае и поверхность, и тело, ограниченное этой поверхностью, носят одно название. Элементами многогранника являются вершины, рёбра и грани; совокупность всех рёбер многогранника называют его сеткой . Построение проекций многогранника сводится к построению проекций его сетки.

Среди множества многогранников выделяют правильные многогранники. У таких многогранников все рёбра, грани и углы равны между собой. На рисунке 1.3.38, например, показан правильный многогранник, называемый октаэдром .

Рисунок 1.3.39 – Коническая и цилиндрическая поверхности

Коническая поверхность образуется прямой линией l m (направляющей) и имеющей неподвижную точку S (вершину) в соответствии с рисунком 1.3.39, а . Определитель поверхности Q (l,m,S ).

Цилиндрическая поверхность образуется прямой линией l (образующей), перемещающейся вдоль кривой линии m (направляющей) и имеющей постоянное направление s в соответствии с рисунком 1.3.39, б . Определитель поверхности S (l,m,s ).

Поскольку все прямые, имеющие одно и то же направление, т.е. параллельные между собой, пересекаются в бесконечно удалённой (несобственной) точке, то цилиндрическую поверхность можно рассматривать как частный случай конической поверхности.

При задании конической и цилиндрической поверхностей на комплексном чертеже в качестве направляющей часто выбирают линию m пересечения поверхности с одной из плоскостей проекций.

При формировании линейчатой поверхности с помощью плоскости параллелизма образующие должны быть параллельны. этой плоскости, поэтому они пересекаются с ней в несобственных точках, множество которых определяет несобственную прямую; эту прямую следует рассматривать как третью направляющую линейчатой поверхности, т. е. плоскость параллелизма является как бы собственным представителем несобственной прямой. Образование линейчатой поверхности с помощью плоскости параллелизма является частным случаем общего способа формирования линейчатой поверхности с двумя направляющими.

Определитель для группы поверхностей Каталана имеет вид

Ф(g ; d 1 , d 2 , γ);

Для задания поверхности этой группы на эпюре Монжа достаточно указать проекции направляющих d 1 и d 2 и положение плоскости параллелизма γ (табл. 5, рис. 140 ... 142).

* По имени бельгийского математика Каталана (Katalan), исследовавшего свои ства этих поверхностей.

Таблица 5. Линейчатые понерхноети с двумя направляющими и плоскостью параллелизма. Группа Б II ; Ф(g ; d 1 , d 2 , γ);

1. Поверхность прямого цилиндроида (см. табл. 5, рис. 140). Поверхность прямого цилиндроида образуется в том случае, когда направляющие d 1 и d 2 гладкие кривые линии, причем одна из них должна принадлежать плоскости, перпендикулярной плоскости параллелизма.

Для определения проекций прямолинейных образующих поверхности прямого цилиндроида достаточно провести прямые, параллельные плоскости параллелизма. На рис. 143 показано построение образующей g j .

Вначале проводим g" j -, определяем точки М" и N", по ним находим М" и N". (MN) проводим параллельно плоскости параллелизма γ; для этого достаточно, чтобы (М"N") || h 0γ .

Поверхность прямого цилиндроида находит применение в инженерной практике, в частности, она используется при изготовлении воздухопроводов большого диаметра.

2. Поверхность прямого коноида (см. табл. 5, рис. 141). Отличие поверхности коноида от цилиндроида состоит только в том, что одна из направляющих линий коноида - прямая. Поэтому для задания поверхности коноида на эпюре Монжа необходимо указать проекции: кривой ᵭ 2 (одна направляющая), прямой d 1 , (вторая направляющая) и плоскости параллелизма γ. Е1сли прямолинейная направляющая перпендикулярна плоскости параллелизма, то мы будем иметь дело с частным случаем поверхности, которая называется прямым коноидом .

Для получения проекционного чертежа (эпюра Монжа), обладающего наглядностью, следует указать проекции не одной, а ряда прямолинейных образующих этой поверхности. Для этого проводим несколько прямых, параллельных плоскости параллелизма γ и пересекающих направляющие d 1 и d 2 . На рис. 144 показано построение произвольной образующей g j . Чтобы прямая g j была параллельна плоскости параллелизма γ, необходимо, чтобы она была параллельна прямой, принадлежащей плоскости γ. Так как плоскость γ горизонтально проецирующая, то горизонтальные проекции всех прямых, принадлежащих этой плоскости, совпадают с горизонтальным следом плоскости h 0γ . Поэтому построение частной образующей поверхности коноида начинаем

с проведения ее горизонтальной проекции g" j , причем g" j || h 0γ (на основании инвариантного свойства 2г (см. § 6) ортогонального проецирования] . Отмечаем точки М" и N", в которых горизонтальная проекция образующей g" j пересекает горизонтальные проекции направляющих d" 1 и d" 2 , по М" и N" находим точки М" и N", которые определяют фронтальную проекцию прямой g" j .

Поверхность прямого коноида используется в гидротехническом строительстве для формирования поверхности устоев мостовых опор.

3. Поверхность гиперболического параболоида - косая плоскость (см. табл. 5, рис. 142). Гиперболический параболоид может быть получен при скольжении прямой по двум скрещивающимся прямолинейным направляющим, при этом образующая все время остается параллельной. плоскости параллелизма. Гиперболический параболоид имеет две плоскости параллелизма, соответствующие двум семействам прямолинейных направляющих. Если плоскости параллелизма перпендикулярны друг другу, то гиперболический параболоид называют прямым. В инженерной практике гиперболический параболоид часто называют косой плоскостью .

Для задания на чертеже косой плоскости достаточно указать проекции двух скрещивающихся прямых d 1 , и d 2 и положение плоскости параллелизма γ. Для получения проекционного чертежа, обладающего наглядностью, обычно указывают проекции нескольких прямолинейных образующих, для этого:

1) на направляющих d 1 и d 2 выделяют отрезки |АВ| и |CD| ;

2) делят проекции отрезков |АВ| и |CD| на произвольное число равных частей (на рис. 145 проекции точек деления обозначены 1", ... , 6";1", ... , 6" и 1" 1 , ... , 6" 1 ;1" 1 , ... , 6" 1

3) одноименные проекции точек деления соединяют прямыми.

Задавая таким путем косую плоскость, мы не пользовались плоскостями параллелизма. Если требуется определить их положение, то достаточно через произвольную точку К провести прямые е и f, параллельные соответственно прямым d 2 и d 1 . Вторая плоскость паралле

лизма (для семейства направляющих g 1 и g 2) определяется пересекающимися прямыми l и m (l || g 1 , m || g 2).

Косая плоскость находит широкое применение и инженерно-строительной практике для формирования поверхностей откосов насыпей железных и автомобильных дорог, набережных гидротехнических сооружений в местах сопряжения откосов, имеющих различные углы наклона.

4. Плоскость. Коли направляющие прямые d 1 , и d 2 пересекаются или параллельны, то гтри движении по ним прямолинейной образующей g получается плоскость. Изображение плоскости на знюре Монжа и различные варианты ее расположения по отношению к плоскостям проекций были подробно рассмотрены в § 8 гл. I.