Пересечение цилиндр в пирамиду

Начертательная геометрия

Пересечение прямого кругового цилиндра с поверхностью пирамиды.

На рис 17 показано пересечение цилиндра и правильной шестиугольной пирамиды. Сначала определяется на каких проекциях нужно строить линию пересечения. Затем определяют характерные точки. Дополнительные точки строятся с помощью вспомогательных горизонтальных плоскостей.

Раздел 5 Взаимное пересечение поверхностей двух тел вращения.

5.1 Пересечение поверхностей цилиндров.

Построение линии пересечения цилиндров начинают со сравнения их оснований. На рис. 18 изображены три вертикальных цилиндра (А,Б,В) разных диаметров, которые пересекаются с половиной горизонтального цилиндра.

Рассмотрим, какая получается линия пересечения в зависимости от соотношения диаметров цилиндров. Если пересекаются два цилиндра разных диаметров, то линия их пересечения представляет собой кривую, кривизна которой зависит от разности диаметров. Чем больше разность, тем меньше кривизна, и наоборот. При этом изгиб кривой всегда идет в сторону большего диаметра, так как цилиндр с меньшим диаметром как бы проходит через цилиндр с большим диаметром. Если же диаметры одинаковые, то линия пересечения изображается прямыми линиями, имея форму эллипсов.

5.2 Построение пересечения поверхностей тел вращения с помощью вспомогательных секущих плоскостей.

Линии пересечения тел вращения обычно строят с помощью вспомогательных секущих плоскостей Р (рис. 19). Каждая плоскость пересекает одновременно оба тела вращения по соответствующим линиям. Эти линии пересекаются между собой в точках, определяющих линию пересечения заданных поверхностей. Количество вспомогательных плоскостей берется в зависимости от требуемой точности построения.

Еще один пример на рис. 20. Здесь рассматривается построение линии пересечения конуса и шара. Вспомогательные плоскости — фронтально-прецирующие плоскости N, R, Т, М.

Источник

Вписанный в пирамиду цилиндр. Цилиндр и пирамида: варианты комбинаций

Одними из интересных задач, которые позволяют сравнить различные объемные фигуры, являются задачи на описание одной из них около другой. В данной статье рассмотрим различные варианты описанного около пирамиды и вписанного в пирамиду цилиндра.

Пирамида в геометрии

Прежде чем изучать комбинации вписанного в пирамиду цилиндра и вписанной пирамиды в цилиндр, следует рассмотреть эти фигуры с точки зрения геометрии. Начнем с пирамиды.

Фигура пирамида представляет собой тело в пространстве, которое получается, если соединить все вершины произвольного плоского n-угольника с некоторой точкой в пространстве. При этом n-угольник может быть совершенно произвольным (выпуклым, вогнутым, правильным, с различным количеством сторон n). На положение отмеченной точки накладывается одно единственное условие: она не должна лежать в той плоскости, в которой n-угольник находится.

На рисунке выше показана, пожалуй, самая известная пирамида — четырехугольная. Видно, что вершины четырехугольника, который называется основанием фигуры, соединены с точкой, лежащей над ним. Эта точка называется вершиной пирамиды.

Приведенное определение и также представленный рисунок свидетельствуют, что любая пирамида, независимо от типа ее основания, будет включать в себя n треугольников. Все они соединяются в вершине фигуры.

Перпендикулярный отрезок, проведенный из вершины фигуры к ее основанию, называется высотой. Если высота пересекает в геометрическом центре n-угольник, то такая пирамида будет прямой. В противном случае имеет место наклонная фигура.

Если все стороны n-угольника равны между собой, и фигура является прямой, то ее называют правильной. Именно с правильными пирамидами удобно работать при изучении их взаимного расположения с другими объемными телами в геометрии.

Цилиндр в геометрии

Цилиндр в общем случае можно получить, если вдоль замкнутой кривой перемещать отрезок параллельно самому себе таким образом, чтобы отрезок не лежал в плоскости этой кривой. Этот отрезок называется образующей цилиндра, а кривая, вдоль которой он перемещается, носит название направляющей.

Если направляющая является окружностью, а образующая ей перпендикулярна, то полученный цилиндр будет называться прямым с круглым основанием. Эта фигура известна каждому. Она представлена на рисунке ниже.

Далее будем рассматривать только прямой круглый цилиндр.

В отличие от пирамиды, цилиндр не имеет вершин и ребер. Однако он образован двумя основаниями (два одинаковых круга, находящихся в параллельных плоскостях) и боковой цилиндрической поверхностью. Если посмотреть на развертку этой фигуры, то можно увидеть, что она состоит из двух кругов и одного прямоугольника (см. рис. ниже).

Основными характеристиками цилиндра являются следующие:

• радиус основания;
• высота — расстояние между основаниями;
• площадь оснований и боковой поверхности;
• объем фигуры.

Многоугольник и окружность

Последний вопрос, который следует изучить перед тем, как рассматривать вписанный в пирамиду цилиндр и описанный около нее, связан с взаимным расположением правильного многоугольника и окружности.

Существуют всего два варианта расположения этих плоских фигур:

• описание окружностью n-угольника;
• описание n-угольником окружности.

Приведем формулы, позволяющие вычислить длину стороны многоугольника через радиус окружности. Рассмотрим для примера только два первых многоугольника, то есть равносторонний треугольник и квадрат.

Если окружность проходит через все вершины n-угольника, то говорят, что она его описывает. При известном радиусе R длина стороны вычисляется по формуле:

То есть сторона квадрата, вписанного в окружность с радиусом R, будет немного меньше таковой для равностороннего треугольника, описанного той же окружностью.

Если окружность касается каждой из сторон n-угольника, то говорят, что она вписана в него. В случае правильных многоугольников точка касания фигур находится точно посередине каждой стороны n-угольника. Если известен радиус r окружности вписанной, тогда сторона n-угольника определится по формуле:

То есть вокруг окружности фиксированного радиуса можно описать треугольник с большей длиной стороны, чем квадрат.

Треугольная пирамида, вписанная в цилиндр

Сначала рассмотрим более простой вариант, то есть когда пирамида находится внутри цилиндра. Разберем конкретный пример с правильной треугольной пирамидой. Предположим, что известен радиус R цилиндра и его высота h. Необходимо найти характеристики правильной треугольной пирамиды, вписанной в цилиндр.

Выше уже была приведена формула для стороны равностороннего треугольника, находящегося внутри окружности. Длина его стороны является длиной основания пирамиды. Она равна:

Вершина пирамиды вписанной лежит точно в центре верхнего основания цилиндра, поэтому высоты обеих фигур равны.

Зная длину стороны основания и высоту правильной пирамиды треугольной, можно рассчитать другие ее характеристики. Например, объем вычисляется по формуле:

Длину бокового ребра a_b можно рассчитать так:

Пирамида четырехугольная, вписанная в цилиндр

Как и в предыдущем случае, пирамида находится внутри цилиндра. Только теперь ее основание представляет собой квадрат, сторона которого через радиус R цилиндра вычисляется так:

Высота пирамиды равна таковой для цилиндра, то есть h.

Длина бокового ребра a_b составляет:

Заметим, что формула для длины бокового ребра получилась точно такой же, как в случае треугольной пирамиды.

Цилиндр вписан в фигуру

Цилиндр, вписанный в пирамиду, представляет более сложный случай расположения этих фигур. Чтобы рассчитать размеры пирамиды по известному радиусу и высоте цилиндра, следует разобраться, как этот цилиндр будет расположен внутри нее.

Предположим, что имеется плоскость, параллельная основанию пирамиды. Пересечем этой плоскостью боковую поверхность фигуры. Образованное сечение будет представлять точно такой же многоугольник, что лежит в основании, но меньшего размера. Этот многоугольник будет описывать верхнее основание цилиндра. Нижнее основание будет лежать в основании пирамиды.

Чтобы найти длину стороны многоугольника сечения, следует воспользоваться функцией зависимости площади сечения от вертикальной координаты z. Эта функция имеет вид:

Здесь z — расстояние от основания пирамиды вдоль ее высоты, h_p — высота пирамиды.

Как пользоваться этой формулой для определения параметров описанной около цилиндра пирамиды, покажем на примере решения задачи.

Задача с четырехугольной пирамидой и цилиндром

Известно, что цилиндр имеет радиус r = 5 см и высоту h = 6 см. Найти высоту и сторону правильной четырехугольной пирамиды, описывающей его.

Верхнее основание цилиндра должно вписываться в квадратный срез на высоте h = 6 см от основания пирамиды. Тогда площадь сечения равна:

Здесь a — сторона основания пирамиды. Если взять квадратный корень из S(6), то получим длину стороны квадрата сечения. Она должна быть равна 2*r, чтобы основание цилиндра могло вписаться в это сечение, тогда получаем:

Отсюда получаем выражение:

Таким образом, вписать цилиндр, заданный условием задачи, можно не в одну единственную правильную четырехугольную пирамиду, а в бесконечное их число. Однако параметры каждой из них должны удовлетворять выражению выше, которое связывает высоту фигуры с длиной стороны ее основания.

Источник

Построение линии пересечения поверхностей методом вспомогательных секущих плоскостей

Федеральное государственное образовательное учреждение

«Астраханский государственный технический университет»

Кафедра начертательной геометрии

ПОСТРОЕНИЕ ЛИНИИ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Методические указания для студентов первых курсов

всех технических специальностей

Составители: к. т.н. профессор ,

Рецензент: доцент кафедры НГГ

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры «Начертательной геометрии и инженерной графики»

Протокол № от «___» __________20 г.

Цель работы. Применение метода вспомогательных секущих плоскостей для построения линии пересечения двух поверхностей.

1. Вычертить условие задачи.

2. Построить характерные (опорные) и промежуточные точки линии пересечения поверхностей заданным методом.

3. Построить линию пересечения поверхностей.

4. Определить видимость проекций.

1 Общий алгоритм построения линии пересечения двух кривых поверхностей

Две кривые поверхности пересекаются по пространственной кривой линии, которая графически строится по отдельным точкам. Основной метод построения линии пересечения состоит в применении вспомогательных секущих поверхностей – посредников F.

Поверхности F выбираются такими, чтобы они пересекали данные поверхности Ф’ и Ф” по наиболее простым линиям — прямым или окружностям. Точки пересечения (I, II) этих линий и будут принадлежать искомой линии пересечения поверхностей (рисунок 1).

Рисунок 1 — Иллюстрация алгоритма построения линии пересечения поверхностей

Пространственный алгоритм состоит из следующих операций:

В зависимости от вида секущих поверхностей-посредников рассматриваются два способа построения линии пересечения поверхностей.

1) Способ вспомогательных секущих плоскостей;

2) Метод вспомогательных секущих сфер.

2 Метод вспомогательных секущих плоскостей

Метод вспомогательных секущих плоскостей применяется для построения:

а) поверхности многогранника и кривой поверхности;

б) двух поверхностей вращения с параллельными или скрещивающимися осями;

в) двух конических или цилиндрических, или конической и цилиндрической поверхностей общего вида.

2.1 Построение линии пересечения поверхности многогранника

Линия пересечения многогранника с кривой поверхностью имеет форму кривой с точками излома на ребрах многогранника.

Пример 1. Построить линию пересечения треугольной пирамиды с цилиндром вращения. (рисунок 2).

Линии пересечения треугольной пирамиды с поверхностью цилиндра вращения являются тремя дугами эллипсов, которые пересекаются между собой в точках пересечения А (А1,А2), В (В1,В2), С (С1,С2) ребер пирамиды с поверхностью цилиндра.

Горизонтальной проекцией этих дуг эллипсов является окружность – горизонтальная проекция цилиндра вращения.

Найдем ряд точек на фронтальной проекции. Фронтальные проекции D2, Е2 точек D и Е находим на фронтальной проекции основания пирамиды путем проведения линий связи через точки D1 и Е1 (т. е. через точки основания перпендикуляров из S1 на L1P1 и P1T1).

Точки видимости М2 и N2 найдем по принадлежности их боковым граням пирамиды, проводя через М1 и N1 горизонтальные проекции горизонталей.

Фронтальные проекции К2, F2,G2 и т. д. вспомогательных точек К, F, G и т. д. так же найдем из условия их инцидентности.

Найдя достаточное количество точек, соединяем их плавными кривыми.

Рисунок 2 – Построение линии пересечения пирамиды с цилиндром

2.2 Построение линии пересечения двух кривых поверхностей,

одна из которых – проецирующая

Пример 2. Построить линию пересечения цилиндра с конусом (рисунок 3).

В этом примере цилиндр является горизонтально-проецирующей поверхностью. Следовательно, известны горизонтальные проекции всех точек искомой линии пересечения. Так как точки пересечения принадлежат конической поверхности, можно построить их фронтальные проекции.

Построение следует начинать с характерных точек. Высшая (В2) и низшая (А2) точки лежат в горизонтально-проецирующей плоскости (11-21), проходящей через оси цилиндра и конуса (горизонтальные проекции точек А и В – А1 и В1).

Границей видимости (С2, D2) линии пересечения на фронтальной плоскости проекций являются горизонтальные проекции точек С и D.

Точки Е и F расположены на образующих конуса, которые являются очерковыми на фронтальной плоскости проекций. Точки М и N также являются опорными.

Для получения их проекций, как и промежуточных точек линии пересечения, намечают ряд горизонтальных проекций точек. Для получения фронтальной проекции этих точек проводят через их горизонтальные проекции одноименные проекции образующих конуса, строят фронтальные проекции этих образующих, и на них находят фронтальные проекции искомых точек (М2, N2).

Вместо образующих можно использовать параллели конической поверхности, которые на горизонтальную плоскость проецируются в виде окружностей.

На рисунке 3 параллель К2К’2 проведена через точку L.

Горизонтальной проекцией этой параллели является окружность, проходящая через точки L1 и L’1. Фронтальные проекции этих точек лежат на прямой К2К’2.

Соединяя полученные точки плавной кривой, получим фронтальную проекцию искомой линии пересечения поверхностей.

Часть линии пересечения от точки С2 через точки А2, М2 до точки D2 видимая, остальная ее часть (В2, N2, L2, Е2, С2) – невидимая.

Рисунок 3 – Построение линии пересечения цилиндра с конусом

Пример 3. Построить линию пересечения поверхности шара с цилиндром (рисунок 4).

Так как цилиндрическая поверхность фронтально-проецирующая, фронтальная проекция линии пересечения известна. Для построения горизонтальной проекции намечается на фронтальной проекции цилиндра ряд точек.

Построение начинают с характерных точек линии пересечения: высшей (точка А2), низших (точки В1, В’1), точки перехода от видимой части линии пересечения до невидимой (С1, С1′).

Горизонтальные проекции точек А и D находятся без построения, т. к. они лежат на очерковой окружности, которая на горизонтальной плоскости проецируется в прямую, совпадающую с горизонтальной осью.

Для нахождения промежуточных точек проводят на фронтальной проекции ряд параллелей, которые на горизонтальную проекцию спроецируются в виде окружностей. Пересечение окружности с образующими цилиндра дает искомые точки.

Соединяя их плавной кривой, получим искомую линию пересечения. Часть этой линии от точки А1 через точки F1′, F1 до точек С1, С’1 – видимая, остальная часть (Е1, В1, D1, …) – невидимая.

Рисунок 4 – Построение линии пересечения шара и цилиндра

2.3 Построение линии пересечения двух кривых поверхностей

введением вспомогательных секущих плоскостей

Пример 4..Построить линию пересечения конуса вращения и сферы (рисунок 5).

Заданные поверхности имеют общую (фронтальную) плоскость симметрии, определяемую осью конуса i и осью сферы i‘.

Построение линии пересечения начинаем с определения опорных точек. Сначала отмечаем очевидные общие 1 и 7 точки поверхностей в пересечении их главных меридианов δ и τ, так как поверхности имеют общую фронтальную плоскость симметрии Ф (Ф1). Фронтальные проекции точек 12 , 72 ≡ δ2 ∩ τ2.

Горизонтальные проекции точек 11 ≡ 12 11 ∩ τ1, 71 ≡ 72 71 ∩ τ1.

Эти опорные точки являются наивысшей 1 и наинизшей 7 точками линии пересечения, а также точками видимости на плоскости П2.

Выбирать вспомогательные фронтальные плоскости уровня, параллельные П2, для построения последующих точек неудобно, так как они будут пересекать конус по гиперболам. Графически простые линии (окружности параллелей) на данных поверхностях получаются от пересечения их горизонтальными плоскостями уровня Г2.

Первую такую вспомогательную плоскость Г (Г2) берем на уровне экватора сферы h (h2). Эта плоскость пересекает конус по параллели n. В пересечении n и h (параллелей конуса и сферы) находятся точки видимости линии пересечения на плоскости П1:

Промежуточные точки 6 и 6′ линии пересечения построены с помощью плоскости Г ‘ (Г2′), пересекающей поверхности по параллелям h и m.

Аналогично построены точки 2(2′) и 3(3′) с помощью вспомогательных плоскостей Г » (Г2») и Г »’(Г2»’).

Рисунок 5 – Построение линии пересечения конуса

Видимость заданных поверхностей и точек линии пересечения на плоскости проекций П2 определяет фронтальная плоскость Ф (Ф1). Плоскость Ф делит поверхности конуса и сферы на две симметричные части. Те части заданных поверхностей, которые расположены перед плоскостью Ф, на плоскости П2 видимы, а значит видимы и точки 2′, 3′, 4′, 5′, 6′, им принадлежащие. Точки 2, 3, 4, 5, 6 – невидимы на П2. Так как линия пересечения – кривая, симметричная относительно плоскости Ф, то на плоскости П2 видимая ее часть и невидимая совпадают. Изображаем на чертеже видимую часть линии пересечения сплошной основной линией. Границы видимости – точки 1 и 7.

Видимость заданных поверхностей и линий пересечения на плоскости проекций П1 определяет плоскость Г (Г2) и поверхность сферы: та часть сферы, которая расположена над плоскостью Г2, на П1 будет видима, значит и точки 1, 2′, 2, 3, 3′ на П1 видимы, как ей принадлежащие. Точки 5, 5′, 6, 6 ‘ – невидимы на П1. Границы видимости – точки 4 и 4′.

Соединяем одноименные проекции построенных точек с учетом их видимости плавными кривыми и получаем проекции искомой линии пересечения.

Если пересекающиеся поверхности вращения не имеют общей фронтальной плоскости симметрии (рисунок 6), то самую высокую 1 и самую низкую 2 точки линии пересечения поверхностей легко определить, построив изображения этих поверхностей на плоскости П4, параллельной осевой плоскости ∑ (∑1) данных поверхностей.

Можно строить проекции всей линии пересечения в системе плоскостей П1 ^ П4, а затем построить ее фронтальную проекцию в проекционной связи с горизонтальной проекцией, замеряя высоты точек на плоскости П4, так как это показано на рисунке 6 для точек 1 и 2.

Рисунок 6 – Пересечение поверхностей вращения, не имеющих общей плоскости

симметрии, методом замены плоскостей проекций

3 Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается способ вспомогательных поверхностей, применяемый для построения линии пересечения двух кривых поверхностей?

2. На какие виды подразделяется способ вспомогательных поверхностей?

3. Что называется экстремальными точками? Точками видимости?

4. Какие точки называются случайными?

5. Когда применяется способ вспомогательных секущих плоскостей?

1. и др. Начертательная геометрия. — М.: Высшая школа, 1963.-420 с.

2. , , Якунин начертательной геометрии (на базе ЭВМ). – М.: Высшая школа. – 1983.

3. Иванов геометрия. – М.: Машиностроение, 1995. – 224 с.

4. Харах геометрия на базе алгоритмизации и ЭВМ. Астрахань: Изд-во Астрахан. гос. технич. ун-та, 1995 – 106с.

5 Варианты заданий для самостоятельной работы

1 Общий алгоритм построения линии пересечения двух кривых

2 Метод вспомогательных секущих плоскостей……………………..4

2.1 Построение линии пересечения поверхности

многогранника с кривой поверхностью……..……………………..4

2.2 Построение линии пересечения кривых поверхностей,

одна из которых – проецирующая…..…………………………. …6

2.3 Построение линии пересечения двух кривых поверхностей

введением вспомогательных секущих плоскостей………………..9

3 Вопросы для самопроверки…………………………………………14

Источник