В планиметрии плоскость является одной из основных фигур, поэтому, очень важно иметь ясное представление о ней. Эта статья создана с целью раскрытия этой темы. Сначала дано понятие плоскости, ее графическое представление и показаны обозначения плоскостей. Далее плоскость рассматривается вместе с точкой, прямой или другой плоскостью, при этом возникают варианты из взаимного расположения в пространстве. Во втором и третьем и четвертом пункте статьи как раз разобраны все варианты взаимного расположения двух плоскостей, прямой и плоскости, а также точки и плоскости, приведены основные аксиомы и графические иллюстрации. В заключении даны основные способы задания плоскости в пространстве.
Навигация по странице.
Плоскость – основные понятия, обозначения и изображение.
Простейшими и основными геометрическими фигурами в трехмерном пространстве являются точка, прямая и плоскость. Мы уже имеем представление о точке и прямой на плоскости . Если поместить плоскость, на которой изображены точки и прямые, в трехмерное пространство, то мы получим точки и прямые в пространстве. Представление о плоскости в пространстве позволяет получить, к примеру, поверхность стола или стены. Однако, стол или стена имеют конечные размеры, а плоскость простирается за их границы в бесконечность.
Точки и прямые в пространстве обозначаются также как и на плоскости – большими и маленькими латинскими буквами соответственно. Например, точки А и Q , прямые а и d . Если заданы две точки, лежащие на прямой, то прямую можно обозначить двумя буквами, соответствующими этим точкам. К примеру, прямая АВ или ВА проходит через точки А и В . Плоскости принято обозначать маленькими греческими буквами, например, плоскости , или .
При решении задач возникает необходимость изображать плоскости на чертеже. Плоскость обычно изображают в виде параллелограмма или произвольной простой замкнутой области.
Плоскость обычно рассматривается вместе с точками, прямыми или другими плоскостями, при этом возникают различные варианты их взаимного расположения. Переходим к их описанию.
Взаимное расположение плоскости и точки.
Начнем с аксиомы: в каждой плоскости имеются точки. Из нее следует первый вариант взаимного расположения плоскости и точки – точка может принадлежать плоскости. Другими словами, плоскость может проходить через точку. Для обозначения принадлежности какой-либо точки какой-либо плоскости используют символ «». Например, если плоскость проходит через точку А , то можно кратко записать .
Следует понимать, что на заданной плоскости в пространстве имеется бесконечно много точек.
Следующая аксиома показывает, сколько точек в пространстве необходимо отметить, чтобы они определяли конкретную плоскость: через три точки, не лежащие на одной прямой, проходит плоскость, причем только одна. Если известны три точки, лежащие в плоскости, то плоскость можно обозначить тремя буквами, соответствующими этим точкам. Например, если плоскость проходит через точки А , В и С , то ее можно обозначить АВС .
Сформулируем еще одну аксиому, которая дает второй вариант взаимного расположения плоскости и точки: имеются по крайней мере четыре точки, не лежащие в одной плоскости. Итак, точка пространства может не принадлежать плоскости. Действительно, в силу предыдущей аксиомы через три точки пространства проходит плоскость, а четвертая точка может как лежать на этой плоскости, так и не лежать. При краткой записи используют символ «», который равносилен фразе «не принадлежит».
К примеру, если точка А не лежит в плоскости , то используют краткую запись .
Прямая и плоскость в пространстве.
Во-первых, прямая может лежать в плоскости. В этом случае, в плоскости лежат хотя бы две точки этой прямой. Это устанавливается аксиомой: если две точки прямой лежат в плоскости, то все точки этой прямой лежат в плоскости. Для краткой записи принадлежности некоторой прямой данной плоскости пользуются символом «». Например, запись означает, что прямая а лежит в плоскости .
Во-вторых, прямая может пересекать плоскость. При этом прямая и плоскость имеют одну единственную общую точку, которую называют точкой пересечения прямой и плоскости. При краткой записи пересечение обозначаю символом «». К примеру, запись означает, что прямая а пересекает плоскость в точке М . При пересечении плоскости некоторой прямой возникает понятие угла между прямой и плоскостью .
Отдельно стоит остановиться на прямой, которая пересекает плоскость и перпендикулярна любой прямой, лежащей в этой плоскости. Такую прямую называют перпендикулярной к плоскости. Для краткой записи перпендикулярности используют симовл «». Для более глубокого изучения материала можете обратиться к статье перпендикулярность прямой и плоскости .
Особую значимость при решении задач, связанных с плоскостью, имеет так называемый нормальный вектор плоскости . Нормальным вектором плоскости является любой ненулевой вектор, лежащий на прямой, перпендикулярной этой плоскости.
В-третьих, прямая может быть параллельна плоскости, то есть, не иметь в ней общих точек. При краткой записи параллельности используют символ «». Например, если прямая а параллельна плоскости , то можно записать . Рекомендуем подробнее изучить этот случай, обратившись к статье параллельность прямой и плоскости .
Следует сказать, что прямая, лежащая в плоскости, делит эту плоскость на две полуплоскости. Прямая в этом случае называется границей полуплоскостей. Любые две точки одной полуплоскости лежат по одну сторону от прямой, а две точки разных полуплоскостей лежат по разные стороны от граничной прямой.
Взаимное расположение плоскостей.
Две плоскости в пространстве могут совпадать. В этом случае они имеют, по крайней мере, три общие точки.
Две плоскости в пространстве могут пересекаться. Пересечением двух плоскостей является прямая линия, что устанавливается аксиомой: если две плоскости имеют общую точку, то они имеют общую прямую, на которой лежат все общие точки этих плоскостей.
В этом случае возникает понятие угла между пересекающимися плоскостями . Отдельный интерес представляет случай, когда угол между плоскостями равен девяноста градусам. Такие плоскости называют перпендикулярными. О них мы поговорили в статье перпендикулярность плоскостей .
Наконец, две плоскости в пространстве могут быть параллельными, то есть, не иметь общих точек. Рекомендуем ознакомиться со статьей параллельность плоскостей , чтобы получить полное представление об этом варианте взаимного расположения плоскостей.
Способы задания плоскости.
Сейчас мы перечислим основные способы задания конкретной плоскости в пространстве.
Во-первых, плоскость можно задать, зафиксировав три не лежащие на одной прямой точки пространства. Этот способ основан на аксиоме: через любые три точки, не лежащие на одной прямой, проходит единственная плоскость.
Если в трехмерном пространстве зафиксирована и задана плоскость с помощью указания координат трех ее различных точек, не лежащих на одной прямой, то мы можем написать уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки .
Два следующих способа задания плоскости являются следствием из предыдущего. Они основаны на следствиях из аксиомы о плоскости, проходящей через три точки:
- через прямую и не лежащую на ней точку проходит плоскость, притом только одна (смотрите также статью уравнение плоскости, проходящей через прямую и точку);
- через две пересекающиеся прямые проходит единственная плоскость (рекомендуем ознакомиться с материалом статьи уравнение плоскости, проходящей через две пересекающиеся прямые).
Четвертый способ задания плоскости в пространстве основан на определении параллельных прямых . Напомним, что две прямые в пространстве называются параллельными, если они лежат в одной плоскости и не пересекаются. Таким образом, указав две параллельные прямые в пространстве, мы определим единственную плоскость, в которой эти прямые лежат.
Если в трехмерном пространстве относительно прямоугольной системы координат задана плоскость указанным способом, то мы можем составить уравнение плоскости, проходящей через две параллельные прямые .
В курсе средней школы на уроках геометрии доказывается следующая теорема: через фиксированную точку пространства проходит единственная плоскость, перпендикулярная к данной прямой. Таким образом, мы можем задать плоскость, если укажем точку, через которую она проходит, и прямую, перпендикулярную к ней.
Если в трехмерном пространстве зафиксирована прямоугольная система координат и задана плоскость указанным способом, то можно составить уравнение плоскости, проходящей через заданную точку перпендикулярно к заданной прямой .
Вместо прямой, перпендикулярной к плоскости, можно указать один из нормальных векторов этой плоскости. В этом случае есть возможность написать
Статья рассказывает о понятии прямой на плоскости. Рассмотрим основные термины и их обозначения. Поработаем со взаимным расположением прямой и точки и двух прямых на плоскости. Поговорим об аксиомах. В итоге обсудим методы и способы задания прямой на плоскости.
Прямая на плоскости – понятие
Для начала необходимо иметь четкое представление о том, что такое плоскость. Любую поверхность чего-либо можно отнести к плоскости, только от предметов она отличается своей безграничностью. Если представить, что плоскость – это стол, то в нашем случае он не будет иметь границ, а будет бесконечно огромен.
Если карандашом дотронуться до стола, останется отметина, которую можно называть «точкой». Таким образом, получим представление о точке на плоскости.
Рассмотрим понятие прямой линии на плоскости. Если провести прямую на листе, то она отобразится на нем с ограниченной длиной. Мы получили не всю прямую, а только ее часть, так как на самом деле она не имеет конца, как и плоскость. Поэтому изображение прямых и плоскостей в тетради формальное.
Имеем аксиому:
Определение 1
На каждой прямой и в каждой плоскости могут быть отмечены точки.
Точки обозначают как большими, так и маленькими латинскими буквами. Например, А и D или a и d .
Для точки и прямой известны только два варианта расположения: точка на прямой, иначе говоря, что прямая проходит через нее, или точка не на прямой, то есть прямая не проходит через нее.
Чтобы обозначить, принадлежит точка плоскости или точка прямой, используют знак « ∈ ». Если в условии дано, что точка A лежит на прямой a , тогда это имеет такую форму записи A ∈ a . В случае, когда точка А не принадлежит, тогда другая запись A ∉ a .
Справедливо суждение:
Определение 2
Через любые две точки, находящиеся в любых плоскостях, существует единственная прямая, которая проходит через них.
Данное высказывание считается акисомой, поэтому не требует доказательств. Если рассмотреть это самостоятельно, видно, что при существующих двух точках имеется только один вариант их соединения. Если имеем две заданные точки А и В, то прямую, проходящую через них можно назвать данными буквами, например, прямая А В. Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.
Прямая, расположенная на плоскости, имеет большое количество точек. Отсюда исходит аксиома:
Определение 3
Если две точки прямой лежат в плоскости, то и все остальные точки данной прямой принадлежат плоскости.
Множество точек, находящееся между двумя заданными, называют отрезком прямой. Он имеет начало и конец. Введено обозначение двумя буквами.
Если дано, что точки А и Р – концы отрезка, значит, его обозначение примет вид Р А или А Р. Так как обозначения отрезка и прямой совпадают, рекомендовано дописывать или договаривать слова «отрезок», «прямая».
Краткая запись принадлежности включает в себя использование знаков ∈ и ∉ . Для того, чтобы зафиксировать расположение отрезка относительно заданной прямой, применяют ⊂ . Если в условии дано, что отрезок А Р принадлежит прямой b , значит, и запись будет выглядеть следующим образом: А Р ⊂ b .
Случай принадлежности одновременно трех точек одной прямой имеет место быть. Это верно, когда одна точка лежит между двумя другими. Данное утверждение принято считать аксиомой. Если даны точки А, В, С, которые принадлежат одной прямой, а точка В лежит между А и С, следует, что все заданные точки лежат на одной прямой, так как лежат по обе стороны относительно точки B .
Точка делит прямую на две части, называемые лучами.Имеем аксиому:
Определение 4
Любая точка O , находящаяся на прямой, делит ее на два луча, причем две любые точки одного луча лежат по одну сторону луча относительно точки O , а другие – по другую сторону луча.
Расположение прямых на плоскости может принимать вид двух состояний.
Определение 5
совпадать .
Такая возможность появляется, когда прямые имеют общие точки. Исходя из аксиомы, написанной выше, имеем, что через две точки проходит прямая и только одна. Значит, что при прохождении 2 прямых через заданные 2 точки, они совпадают.
Определение 6
Две прямые на плоскости могут пересекаться .
Данный случай показывает, что имеется одна общая точка, которую называют пересечением прямых. Вводится обозначение пересечение знаком ∩ . Если имеется форма записи a ∩ b = M , то отсюда следует, что заданные прямые a и b пересекаются в точке M .
При пересечении прямых имеем дело образовавшимся углом. Отдельному рассмотрению подвергается раздел пересечения прямых на плоскости с образованием угла в 90 градусов, то есть прямого угла. Тогда прямые называют перпендикулярными.Форма записи двух перпендикулярных прямых такая: a ⊥ b , а это значит, что прямая a перпендикулярна прямой b .
Определение 7
Две прямые на плоскости могут быть параллельны .
Только в том случае, если две заданные прямые не имеют общих пересечений, а, значит, и точек, они параллельны. Используется обозначение, которое можно записать при заданной параллельности прямых a и b: a ∥ b .
Прямая на плоскости рассматривается вместе с векторами. Особое значение придается нулевым векторам, которые лежат на данной прямой или на любой из параллельных прямых, имеют название направляющие векторы прямой. Рассмотрим рисунок, расположенный ниже.
Ненулевые векторы, расположенные на прямых, перпендикулярных данной, иначе называют нормальными векторами прямой. Подробно имеется описание в статье нормальный вектор прямой на плоскости. Рассмотрим рисунок ниже.
Если на плоскости даны 3 линии, их расположение может быть самое разное. Есть несколько вариантов их расположения: пересечение всех, параллельность или наличие разных точек пересечения. На рисунке показано перпендикулярное пересечение двух прямых относительно одной.
Для этого приводим необходимы факторы, доказывающие их взаимное расположение:
- если две прямые параллельны третьей, тогда они все параллельны;
- если две прямые перпендикулярны третьей, тогда эти две прямые параллельны;
- если на плоскости прямая пересекла одну параллельную прямую, тогда пересечет и другую.
Рассмотрим это на рисунках.
Прямая на плоскости может быть задана несколькими способами. Все зависит от условия задачи и на чем будет основано ее решение. Эти знания способны помочь для практического расположения прямых.
Определение 8
Прямая задается при помощи указанных двух точек, расположенных в плоскости.
Из рассмотренной аксиомы следует, что через две точки можно провести прямую и притом только одну единственную. Когда прямоугольная система координат указывает координаты двух несовпадающих точек, тогда можно зафиксировать уравнение прямой, проходящей через две заданные точки. Рассмотрим рисунок, где имеем прямую, проходящую через две точки. 
Определение 9
Прямая может быть задана через точку и прямую, которой она параллельна.
Данный способ имеет место на существование, так как через точку можно провести прямую, параллельную заданной, причем, только одну. Доказательство известно еще из школьного курса по геометрии.
Если прямая задана относительно декартовой системы координат, тогда возможно составление уравнения прямой, проходящей через заданную точку параллельно заданной прямой. Рассмотрим принцип задания прямой на плоскости.
Определение 10
Прямая задается через указанную точку и направляющий вектор.
Когда прямая задается в прямоугольной системе координат, есть возможность составления канонического и параметрического уравнений на плоскости. Рассмотрим на рисунке расположение прямой при наличии направляющего вектора.
Четвертым пунктом задания прямой имеет смысл, когда указана точка, через которую ее следует начертить, и прямая, перпендикулярная ей. Из аксиомы имеем:
Определение 11
Через заданную точку, расположенную на плоскости, пройдет только одна прямая, перпендикулярная заданной.
И последний пункт, относящийся к заданию прямой на плоскости, это при указанной точке, через которую проходит прямая, и при наличии нормального вектора прямой. При известных координатах точки, которая расположена на заданной прямой, и координатах нормального вектора есть возможность записывания общего уравнения прямой.
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Прямая может принадлежать плоскости , быть ей параллельной или пересекать плоскость. Прямая принадлежит плоскости, если две точки, принадлежащие прямой и плоскости, имеют одинаковые отметки . Следствие, вытекающее из сказанного: точка принадлежит плоскости, если она принадлежит прямой, лежащей в этой плоскости.
Прямая параллельна плоскости, если она параллельна прямой, лежащей в этой плоскости.
Прямая, пересекающая плоскость. Чтобы найти точку пересечения прямой с плоскостью, необходимо (рис. 3.28):
1) через заданную прямую m провести вспомогательную плоскость Т ;
2) построить линию n пересечения заданной плоскости Σ с вспомогательной плоскостью Т;
3) отметить точку пересечения R, заданной прямой m с линией пересечения n.
Рассмотрим задачу (рис. 3.29).Прямая m задана на плане точкой А 6 и углом наклона 35°. Через эту прямую проведена вспомогательная вертикальная плоскость Т, которая пересекает плоскость Σ по линии n (В 2 С 3 ). Таким образом, переходят от взаимного положения прямой и плоскости к взаимному положению двух прямых, лежащих в одной вертикальной плоскости. Такая задача решается построением профилей этих прямых. Пересечение прямых m и n на профиле определяет искомую точку R . Высотную отметку точки R определяют по шкале вертикальных масштабов.
Прямая, перпендикулярная плоскости. Прямая линия перпендикулярна к плоскости, если она перпендикулярна к любым двум пересекающимся прямым этой плоскости. На рис 3.30 изображена прямая m , перпендикулярная к плоскости Σ и пересекающая ее в точке А. На плане проекции прямой m и горизонтали плоскости взаимно перпендикулярны (прямой угол, одна сторона которого параллельна плоскости проекций, проецируется без искажения. Обе прямые лежат в одной вертикальной плоскости, следовательно заложения у таких прямых обратны по величине друг другу: l m = l /l u . Но l uΣ = l Σ , тогда l m = l / l Σ , то есть заложение прямой m обратно пропорционально заложению плоскости. Падения у прямой и плоскости направлены в разные стороны.
3.4. Проекции с числовыми отметками. Поверхности
3.4.1.Многогранники и кривые поверхности. Топографическая поверхность
В природе многие вещества имеют кристаллическое строение в виде многогранников. Многогранником называют совокупность плоских многоугольников, не лежащих в одной и той же плоскости, где каждая сторона одного из них является одновременно стороной другого. При изображении многогранника достаточно указать проекции его вершин, соединив их в определенном порядке прямыми линиями - проекциями ребер. При этом на чертеже необходимо указывать видимые и невидимые ребра. На рис. 3.31 изображены призма и пирамида, а также нахождение отметок точек, принадлежащих данным поверхностям.
Особой группой выпуклых многоугольников является группа правильных многоугольников, у которых все грани - равные между собой правильные многоугольники и все многоугольные углы равны. Существует пять видов правильных многоугольников.
Тетраэдр - правильный четырехугольник, ограниченный равносторонними треугольниками, имеет 4 вершины и 6 ребер (рис. 3.32 а).
Гексаэдр - правильный шестигранник (куб) - 8 вершин, 12 ребер (рис. 3.32б).
Октаэдр - правильный восьмигранник, ограниченный восемью равносторонними треугольниками - 6 вершин, 12 ребер (рис. 3.32в).
Додекаэдр - правильный двенадцатигранник, ограниченный двенадцатью правильными пятиугольниками, соединенными по три около каждой вершины.
Имеет 20 вершин и 30 ребер (рис.3.32 г).
Икосаэдр - правильный двадцатигранник, ограниченный двадцатью равносторонними треугольниками, соединенными по пяти около каждой вершины.12 вершин и 30 ребер (рис. 3.32 д).
При построении точки, лежащей на грани многогранника, необходимо провести прямую, принадлежащую этой грани и на ее проекции отметить проекцию точки.
Конические поверхности образуются перемещением прямолинейной образующей по криволинейной направляющей так, что во всех положениях образующая проходит через неподвижную точку -вершину поверхности. Конические поверхности общего вида на плане изображают направляющей горизонталью и вершиной. На рис. 3.33 показано нахождение отметки точки на поверхности конической поверхности.
Прямой круговой конус изображается серией концентрических окружностей, проведенных через равные интервалы (рис.3.34а). Эллиптический конус с круговым основанием - серией эксцентрических окружностей (рис. 3.34 б)
Сферические поверхности. Сферическую поверхность относят к поверхностям вращения. Она образуется вращением окружности вокруг ее диаметра. На плане сферическая поверхность определена центром К и проекцией одной из ее горизонталей (экватором сферы) (рис. 3.35).
Топографическая поверхность. Топографическую поверхность относят к геометрически неправильным поверхностям, так как она не имеет геометрического закона образования. Для характеристики поверхности определяют положение ее характерных точек относительно плоскости проекций. На рис. 3.3 б а дан пример участка топографической поверхности, на котором показаны проекции ее отдельных точек. Такой план хотя и дает возможность составить представление о форме изображаемой поверхности, однако отличается малой наглядностью. Чтобы придать чертежу большую наглядность и облегчить тем самым его чтение, проекции точек с одинаковыми отметками соединяют плавными кривыми линиями, которые называют горизонталями (изолиниями) (рис. 3.36 б).
Горизонтали топографической поверхности иногда определяют и как линии пересечения этой поверхности с горизонтальными плоскостями, отстоящими друг от друга на одно и то же расстояние (рис. 3.37). Разность отметок у двух смежных горизонталей называют высотой сечения.
Изображение топографической поверхности тем точнее, чем меньше разность отметок у двух смежных горизонталей. На планах горизонтали замыкаются в пределах чертежа или вне его. На более крутых склонах поверхности проекции горизонталей сближаются, на пологих – их проекции расходятся.
Кратчайшее расстояние между проекциями двух смежных горизонталей на плане называют заложением. На рис. 3.38 через точку А топографической поверхности проведено несколько отрезков прямых АВ, АС и АD . Все они имеют разные углы падения. Наибольший угол падения имеет отрезок АС , заложение которого имеет минимальное значение. Поэтому он и будет являться проекцией линии падения поверхности в данном месте.
На рис. 3.39 приводится пример построения проекции линии падения через заданную точку А . Из точки А 100 , как из центра, проводят дугу окружности, касающуюся ближайшей горизонтали в точке В 90 . Точка В 90 , лежащая на горизонтали h 90 , будет принадлежать линии падения. Из точки В 90 проводят дугу, касающуюся следующей горизонтали в точке С 80 , и т. д. Из чертежа видно, что линией падения топографической поверхности является ломаная линия, каждое звено которой перпендикулярно к горизонтали, проходящей через нижний, имеющий меньшую отметку, конец звена.
3.4.2.Пересечение конической поверхности плоскостью
Если секущая плоскость проходит через вершину конической поверхности, то она пересекает ее по прямым линиям-образующим поверхности. Во всех остальных случаях линия сечения будет плоской кривой: окружностью, эллипсом и т.д. Рассмотрим случай пересечения конической поверхности плоскостью.
Пример 1. Построить проекцию линии пересечения кругового конуса Φ(h о , S 5 ) с плоскостью Ω, параллельной образующей конической поверхности.
Коническая поверхность при заданном расположении плоскости пересекается по параболе. Проинтерполировав образующую t строим горизонтали кругового конуса - концентрические окружности с центром S 5 . Затем определяем точки пересечения одноименных горизонталей плоскости и конуса (рис. 3.40).
3.4.3. Пересечение топографической поверхности с плоскостью и прямой линией
Случай пересечения топографической поверхности с плоскостью наиболее часто встречается в решении геологических задач. На рис. 3.41 дан пример построения пересечения топографической поверхности с плоскостью Σ. Искомую кривую m определяют точками пересечения одноименных горизонталей плоскости и топографической поверхности.
На рис. 3.42 дан пример построения истинного вида топографической поверхности с вертикальной плоскостью Σ. Искомую линию m определяют точками А, В, С … пересечения горизонталей топографической поверхности с секущей плоскостью Σ. На плане проекция кривой вырождается в прямую линию, совпадающую с проекцией плоскости: m ≡ Σ. Профиль кривой m построен с учетом расположения на плане проекций ее точек, а также их высотных отметок.
3.4.4. Поверхность равного уклона
Поверхность равного уклона представляет собой линейчатую поверхность, все прямолинейные образующие которой составляют с горизонтальной плоскостью постоянный угол. Получить такую поверхность можно перемещением прямого кругового конуса с осью, перпендикулярной плоскости плана, так, что бы его вершина скользила по некоторой направляющей, а ось в любом положении оставалась вертикальной.
На рис. 3.43 изображена поверхность равного уклона (i=1/2), направляющей которой служит пространственная кривая A, B, C, D.
Градуирования плоскости. В качестве примеров рассмотрим плоскости откосов дорожного полотна.
Пример 1. Продольный уклон дорожного полотна i=0, уклон откоса насыпи i н =1:1,5, (рис. 3.44а). Требуется провести горизонтали через 1м. Решение сводится к следующему. Проводим масштаб уклона плоскости перпендикулярно бровке дорожного полотна, отмечаем точки на расстоянии, равном интервалу 1,5м, взятом с линейного масштаба, и определяем отметки 49, 48 и 47. Через полученные точки проводим горизонтали откоса параллельно бровке дороги.
Пример 2. Продольный уклон дороги i≠0, уклон откоса насыпи i н =1:1,5, (рис.3.44б). Плоскость дорожного полотна градуируется. Откос дорожного полотна градуируется следующим образом. В точке с вершиной 50,00 (или другой точке) помещаем вершину конуса, описываем окружность радиусом, равным интервалу откоса насыпи (в нашем примере l = 1,5м). Отметка этой горизонтали конуса будет на единицу меньше отметки вершины, т.е. 49м. Проводим ряд окружностей, получаем отметки горизонталей 48, 47, касательно к которым из точек бровки с отметками 49, 48, 47 проводим горизонтали откоса насыпи.
Градуирование поверхностей.
Пример 3. Если продольный уклон дороги i=0 и уклон откоса насыпи i н =1:1,5, то горизонтали откосов проводят через точки масштаба уклона, интервал которого равен интервалу откосов насыпи, (рис.3.45а). Расстояние между двумя проекциями смежных горизонталей в направлении общей нормы (масштаб уклона) всюду одинаково.
Пример 4. Если продольный уклон дороги i≠0,а уклон откоса насыпи i н =1:1,5, (рис.3.45б) то горизонтали строят аналогично, за исключением того, что горизонтали откоса проводят не прямыми линиями, а кривыми.
3.4.5. Определение линии пределов земляных работ
Так как большинство грунтов неспособно сохранять вертикальные стенки, приходится строить откосы (искусственные сооружения). Уклон, придаваемый откосом, зависит от грунта.
Чтобы участку поверхности земли придать вид плоскости с определённым уклоном, нужно знать линию пределов земляных и нулевых работ. Эта линия, ограничивающая планируемый участок, представляется линиями пересечения откосов насыпей и выемок с заданной топографической поверхностью.
Так как каждая поверхность (в том числе и плоская) изображается при помощи горизонталей, то линию пересечения поверхностей строят как множество точек пересечения горизонталей с одинаковыми отметками. Рассмотрим примеры.
Пример 1. На рис. 3.46 дано земляное сооружение, имеющее форму усеченной четырехугольной пирамиды, стоящее на плоскости Н . Верхнее основание АВСD пирамиды имеет отметку 4м и размеры сторон 2×2,5 м . Боковые грани (откосы насыпи) имеет уклон 2:1 и 1:1, направление которых показано стрелками.
Нужно построить линию пересечения откосов сооружения с плоскостью Н и между собой, а также построить, продольный профиль по оси симметрии.
Вначале строят диаграмму уклонов, интервалов и масштабов заложений, заданных откосов. Перпендикулярно каждой стороне площадки вычерчиваются масштабы уклонов откосов с заданными интервалами, после чего проекции горизонталей с одинаковыми отметками смежных граней находятся линии пересечения откосов, которые являются проекциями боковых ребер данной пирамиды.
Нижнее основание пирамиды совпадает с нулевыми горизонталями откосов. Если данное земляное сооружение пересечь вертикальной плоскостью Q , в сечении получится ломаная линия – продольный профиль сооружения.
Пример 2 . Построить линию пересечения откосов котлована с плоским косогором и между собой. Дно (АВСD ) котлована представляет собой прямоугольную площадку с отметкой 10м и размерами 3×4м. Ось площадки составляет с линией юг – север угол 5°. Откосы выемок имеют одинаковые уклоны 2:1 (рис. 3.47).
Линия нулевых работ устанавливается по плану местности. Её строят по точкам пересечения между собой одноименных проекций горизонталей рассматриваемых поверхностей. По точкам пересечения горизонталей откосов и топографической поверхности с одинаковыми отметками находят линию пересечения откосов, которые являются проекциями боковых ребер данного котлована.
В данном случае к дну котлована примыкают боковые откосы выемок. Линия abcd – искомая линия пересечения. Aa, Bb, Сс, Dd – ребра котлована, линии пересечения откосов между собой.
4. Вопросы для самоконтроля и задачи для самостоятельной работы по теме «Прямоугольные проекции»
Точка
4.1.1. Сущность метода проекций.
4.1.2. Что такое проекция точки?
4.1.3. Как называются и обозначаются плоскости проекций?
4.1.4. Что такое линии проекционной связи на чертеже и как они располагаются на чертеже по отношению к осям проекций?
4.1.5. Как построить третью (профильную) проекцию точки?
4.1.6. Построить на трехкартинном чертеже три проекции точек А, В, С, записать их координаты и заполнить таблицу.
4.1.7. Построить недостающие оси проекций, х А =25, y A =20. Построить профильную проекцию точки А.
4.1.8. Построить три проекции точек по их координатам: А(25,20,15), В(20,25,0) и С(35,0,10). Указать положение точек по отношению к плоскостям и осям проекций. Какая из точек ближе к плоскости П 3 ?
4.1.9. Материальные точки А и В начинают одновременно падать. В каком положении окажется точка В, когда точка А коснется земли? Определить видимость точек. Построить точки в новом положении.
4.1.10. Построить три проекции точки А, если точка лежит в плоскости П 3 , а расстояние от нее до плоскости П 1 равно 20 мм, до плоскости П 2 – 30 мм. Записать координаты точки.
Прямая
4.2.1. Чем может быть задана прямая линия на чертеже?
4.2.2. Какая прямая называется прямой общего положения?
4.2.3. Какое положение может занимать прямая относительно плоскостей проекций?
4.2.4. В каком случае проекция прямой обращается в точку?
4.2.5. Что характерно для комплексного чертежа прямой уровня?
4.2.6. Определить взаимное положение данных прямых.
a … b a … b a … b
4.2.7. Построить проекции отрезка прямой АВ длиной 20 мм, параллельного плоскостям: а) П 2 ; б) П 1 ; в) оси Ох. Обозначить углы наклона отрезка к плоскостям проекций.
4.2.8. Построить проекции отрезка АВ по координатам его концов: А(30,10,10), В(10,15,30). Построить проекции точки С, делящей отрезок в отношении АС:СВ = 1:2.
4.2.9. Определить и записать количество ребер данного многогранника и положение их относительно плоскостей проекций.
4.2.10. Через точку А провести горизонталь и фронталь, пересекающие прямую m.
4.2.11. Определить расстояние между прямой b и точкой А
4.2.12. Построить проекции отрезка АВ длиной 20 мм, проходящего через точку А и перпендикулярного плоскости а) П 2 ; б) П 1 ; в) П 3 .
Взаимное расположение двух прямых
Следующие утверждения выражают необходимые и достаточные признаки взаимного расположения двух прямых в пространстве, заданных каноническими уравнениями
а ) Прямые скрещиваются, т.е. не лежат на одной плоскости.
б ) Прямые пересекаются.
Но векторы и неколлинеарны (иначе их координаты пропорциональны).
в ) Прямые параллельны.
Векторы и коллинеарны, но вектор им неколлинеарен.
г ) Прямые совпадают.
Все три вектора: , коллинеарны.
Доказательство. Докажем достаточность указанных признаков
а ) Рассмотрим вектор и направляющие векторы данных прямых
то эти векторы некомпланарны, следовательно, данные прямые не лежат на одной плоскости.
б ) Если, то векторы компланарны, следовательно, данные прямые лежат в одной плоскости, а так как в случае (б ) направляющие векторы и этих прямых предполагаются неколлинеарными, то прямые пересекаются.
в ) Если направляющие векторы и данных прямых коллинеарны, то прямые или параллельные, или совпадают. В случае (в ) прямые параллельны, т.к. по условию вектор, начало которого находится в точке первой прямой, а конец – в точке второй прямой не коллинеарен и.
г) Если все векторы и коллинеарны, то прямые совпадают.
Необходимость признаков доказывается методом от противного.
Клетеник № 1007
Следующие утверждения дают необходимые и достаточные условия взаимного расположения прямой, заданной каноническими уравнениями
и плоскости, заданной общим уравнением
относительно общей декартовой системы координат.
Плоскость и прямая пересекаются:
Плоскость и прямая параллельны:
Прямая лежит на плоскости:
Докажем сначала достаточность указанных признаков. Запишем уравнения данной прямой в параметрическом виде:
Подставляя в уравнение (2 (плоскости)) координаты произвольной точки данной прямой, взятые из формул (3), будем иметь:
1. Если, то уравнение (4) имеет относительно t единственное решение:
а значит, данная прямая и данная плоскость имеют только одну общую точку, т.е. пересекаются.
2. Если, то уравнение (4) не удовлетворяется ни при каком значение t , т.е. на данной прямой нет ни одной точки, лежащей на данной плоскости, следовательно, данные прямая и плоскость параллельны.
3. Если, то уравнение (4) удовлетворяется при любом значении t , т.е. все точки данной прямой лежат на данной плоскости, значит, данная прямая лежит на данной плоскости.
Выведенные нами достаточные условия взаимного расположения прямой и плоскости являются и необходимыми и доказываются сразу методом от противного.
Из доказанного следует необходимое и достаточное условие того, что вектор компланарен плоскости, заданной общим уравнением относительно общей декартовой системы координат.
Взаимное положение прямой и плоскости определяется количествомобщих точек:
1) если прямая имеет две общие точки с плоскостью, то она принадлежит этой плоскости,
2) если прямая имеет одну общую точку с плоскостью, то прямая пересекает плоскость,
3) если точка пересечения прямой с плоскостью удалена в бесконечность, то прямая и плоскость параллельны.
Задачи, в которых определяется взаимное расположение различных геометрических фигур относительно друг друга, называются позиционными задачами.
Прямая принадлежащая плоскости рассматривалась ранее.
Прямая параллельна плоскости , если она параллельна какой-нибудь прямой, лежащей в этой плоскости. Чтобы построить такую прямую, необходимо в плоскости задать любую прямую и параллельно ей провести требуемую.
Рис. 1.53 Рис. 1.54 Рис.1.55
Пусть через точку А (рис. 1.53) необходимо провести прямую АВ , параллельную плоскости Q , заданную треугольником CDF. Для этого через фронтальную проекцию точки а / точки А проведем фронтальную проекцию а / в / искомой прямой параллельно фронтальной проекции любой прямой, лежащей в плоскости Р, например, прямой CD (а / в / !! с / д / ). Через горизонтальную проекцию а точки А параллельно сд проводим горизонтальную проекцию ав искомой прямой АВ (ав11 сд). Прямая АВ параллельна плоскости Р, заданной треугольником CDF.
Из всех возможных положений прямой, пересекающей плоскость, отметим случай, когда прямая перпендикулярна плоскости. Рассмотрим свойства проекций такой прямой.
Рис. 1.56 Рис. 1.57
Прямая перпендикулярна плоскости (частный случай пересечения прямой с плоскостью) если она перпендикулярна какой-либо прямой, лежащей в плоскости. Для построения проекций перпендикуляра к плоскости, находящейся в общем положении, этого недостаточно без преобразования проекций. Поэтому вводят дополнительное условие: прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна двум пересекающимся главным линиям (для построения проекций используется условие проецирования прямого угла). В этом случае: горизонтальная и фронтальная проекции перпендикуляра перпендикулярны соответственно горизонтальной проекции горизонтали и фронтальной проекции фронтали данной плоскости общего положения (рис. 1.54). При задании плоскости следами проекции перпендикуляра перпендикулярны соответственно фронтальная – фронтальному следу, горизонтальная – горизонтальному следу плоскости (рис. 1.55).
Пересечение прямой с проецирующей плоскостью. Рассмотрим прямую, пересекающую плоскость , когда плоскость находится в частном положении.
Плоскость, перпендикулярная плоскости проекций (проецирующая плоскость), проецируется на нее в виде прямой линии. На этой прямой (проекции плоскости) должна находиться соответствующая проекция точки, в которой некоторая прямая пересекает эту плоскость (рис.1.56).
На рисунке 1.56 фронтальная проекция точки К пересечения прямой АВ с треугольником СDE определяется в пересечении их фронтальных проекций, т.к. треугольник СDE проецируется на фронтальную плоскость в виде прямой линии. Находим горизонтальную проекцию точки пересечения прямой с плоскостью (она лежит на горизонтальной проекции прямой). Способом конкурирующих точек, определяем видимость прямой АВ относительно плоскости треугольника СDE на горизонтальной плоскости проекций.
На рисунке 1.59 изображена горизонтально-проецирующая плоскость P и прямая общего положения АВ . Т.к. плоскость Р перпендикулярна горизонтальной плоскости проекций, то все, что в ней находится, на горизонтальную плоскость проекций проецируется на ее след, в том числе и точка ее пересечения с прямой АВ . Следовательно, на комплексном чертеже имеем горизонтальную проекцию точки пересечения прямой с плоскостью Р . По принадлежности точки прямой, находим фронтальную проекцию точки пересечения прямой АВ с плоскость Р . Определяем видимость прямой на фронтальной плоскости проекций.
Рис. 1.58 Рис. 1.59
На рисунке 1.58 дан комплексный чертеж построения проекций точки пересечения прямой АВ с плоскостью горизонтального уровня G . Фронтальный след плоскости G является ее фронтальной проекцией. Фронтальная проекция точки пересечения плоскости G с прямой АВ определятся в пересечении фронтальной проекции прямой и фронтального следа плоскости. Имея фронтальную проекцию точки пересечения, находим горизонтальную проекцию точки пересечения прямой АВ с плоскостью G .
На рисунке 1.57 изображена плоскость общего положения, заданная треугольником CDE и фронтально-проецирующая прямая АВ ? пересекающая плоскость в точке K. Фронтальная проекция точки – k / совпадает с точками a / и b / . Для построения горизонтальной проекции точки пересечения проведем через точку K в плоскости CDE прямую (например, 1-2 ). Построим ее фронтальную проекцию, а затем горизонтальную. Точка K является точкой пересечения прямых AB и 1-2. То есть точка K одновременно принадлежит прямой AB и плоскости треугольника и, следовательно, является точкой их пересечения.
Пересечение двух плоскостей. Прямая линия пересечения двух плоскостей определяется двумя точками, каждая из которых принадлежит обеим плоскостям, или одной точкой, принадлежащей двум плоскостям, и известным направлением линии. В обоих случаях задача заключается в нахождении точки, общей для двух плоскостей.
Пересечение проецирующих плоскостей. Две плоскости могут быть параллельны между собой или пересекаться. Рассмотрим случаи взаимного пересечения плоскостей.
Прямая линия, получаемая при взаимном пересечении двух плоскостей, вполне определяется двумя точками, из которых каждая принадлежит обеим плоскостям, следовательно, необходимо и достаточно найти эти две точки, принадлежащей линии пересечения двух заданных плоскостей.
Следовательно, в общем случае для построения линии пересечения двух плоскостей необходимо найти какие-либо две точки, каждая из которых принадлежит обеим плоскостям. Эти точки и определяют линию пересечения плоскостей. Для нахождения каждой из этих двух точек обычно приходится выполнять специальные построения. Но если хотя бы одна из пересекающихся плоскостей перпендикулярна (или параллельна) к какой-либо плоскости проекций, то построение проекции линии их пересечения упрощается.
Рис. 1.60 Рис. 1.61
Если плоскости, заданны следами, то естественно искать точки, определяющие прямую пересечения плоскостей, в точках пересечения одноименных следов плоскостей попарно: прямая, проходящая через эти точки, является общей для обеих плоскостей, т.е. их линией пересечения.
Рассмотрим частные случаи расположения одной (или обеих) из пересекающихся плоскостей.
На комплексном чертеже (рис.1.60) изображены горизонтально-проецирующие плоскости P и Q. Тогда горизонтальная проекция их линии пересечения вырождается в точку, а фронтальная проекция – в прямую, перпендикулярную оси оx.
На комплексном чертеже (рис. 1.61) изображены плоскости частного положения: плоскость Р перпендикулярна горизонтальной плоскости проекций (горизонтально-проецирующая плоскость) и плоскость Q - плоскость горизонтального уровня. В этом случая, горизонтальная проекция их линии пересечения совпадет с горизонтальным следом плоскости Р , а фронтальная – с фронтальным следом плоскости Q .
В случае задания плоскостей следами легко установить, что эти плоскости пересекаются: если хотя бы одна пара одноименных следов пересекается, то плоскости пересекаются между собой.
Изложенное относится к плоскостям, заданных пересекающимися следами. Если же обе плоскости имеют на горизонтальной и фронтальной плоскостях следы, параллельные друг другу, то эти плоскости могут быть параллельны либо пересекаться. О взаимном положении таких плоскостей можно судить, построив третью проекцию (третий след). Если следы обеих плоскостей на третьей проекции так же параллельны, то плоскости параллельны между собой. Если следы на третьей плоскости пересекаются, то заданные в пространстве плоскости пересекаются.
На комплексном чертеже (рис.1.62) изображены фронтально-проецирующие плоскости, заданные треугольником АВС и DEF . Проекция линии пересечения на фронтальной плоскости проекций – точка, т.е. так как треугольники перпендикулярны фронтальной плоскости проекций, то и их линия пересечения так же перпендикулярна фронтальной плоскости проекций. Следовательно горизонтальная проекции линии пересечения треугольников (12 ) перпендикулярна оси оx. Видимость элементов треугольников на горизонтальной плоскости проекции определяется с помощью конкурирующих точек (3,4).
На комплексном чертеже (рис. 1.63) заданы две плоскости: одна из которых треугольником АВС общего положения, другая – треугольником DEF перпендикулярна фронтальной плоскости проекций, т.е. находящийся в частном положении (фронтально-проецирующий). Фронтальная проекция линии пересечения треугольников (1 / 2 / ) находится исходя из общих точек, одновременно принадлежащих обоим треугольникам (все, что находится во фронтально- проецирующем треугольнике DEF на фронтальной проекции выльется в линию – проекцию его на фронтальную плоскость, в том числе и линия его пересечения с треугольником АВС. По принадлежности точек пересечения сторонам треугольника АВС , находим горизонтальную проекцию линии пересечения треугольников. Способом конкурирующих точек определяем видимость элементов треугольников на горизонтальной плоскости проекций.
Рис. 1.63 Рис. 1.64
На рисунке 1.64 дан комплексный чертеж двух плоскостей, заданных треугольником общего положения АВС и горизонтально-проецирующая плоскость Р , заданная следами. Так как плоскость Р – горизонтально- проецирующая, то все, что в ней находится, в том числе и линия ее пересечения с плоскостью треугольника АВС , на горизонтальной проекции совпадет с ее
горизонтальным следом. Фронтальную проекцию линии пересечения данных плоскостей находим из условия принадлежности точек элемента (сторонам) плоскости общего положения.
В случае задания плоскостей общего положения не следами, то для получения линии пересечения плоскостей последовательно находится точка встречи стороны одного треугольника с плоскостью другого треугольника. Если плоскости общего положения заданы не треугольниками, то линию ппересечения таких плоскостей можно найти путем введения поочередно двух вспомогательных секущих плоскостей – проецирующих (для задания плоскостей треугольниками) или уровня для всех других случаев.
Пересечение прямой общего положения с плоскость общего положения. Ранее были рассмотрены случаи пересечения плоскостей, когда одна из них являлась проецирующей. На основе этого мы можем найти точку пересечения прямой общего положения с плоскостью общего положения, путем введения дополнительной проецирующей плоскости-посредника.
Прежде чем рассматривать пересечение плоскостей общего положения, рассмотрим пересечение прямой общего положения с плоскостью общего положения.
Для нахождения точки встречи прямой общего положения с плоскостью общего положения необходимо:
1) прямую заключить во вспомогательную проецирующую плоскость,
2) найти линию пересечения заданной и вспомогательных плоскостей,
определить общую точку, принадлежащую одновременно двум плоскостям (это их линия пересечения) и прямой.
Рис. 1.65 Рис. 1.66
Рис. 1.67 Рис. 1.68
На комплексном чертеже (рис. 1.65) изображен треугольник СDE общего положения и прямая АВ общего положения. Для нахождения точки пересечения прямой с плоскостью, заключим прямую АВ Q . Найдем линию пересечения (12 ) плоскости- посредника Q и заданной плоскости СDE . При построении горизонтально проекции линии пересечения найдется общая точка К , одновременно принадлежащая двум плоскостям и заданной прямой АВ . Из принадлежности точки прямой находим фронтальную проекцию точки пересечения прямой с заданной плоскостью. Видимость элементов прямой на плоскостях проекций, определяем с помощью конкурирующих точек.
На рисунке 1.66 показан пример нахождения точки встречи прямой АВ , являющейся горизонталью (прямая параллельна горизонтальной плоскости проекций) и плоскости Р , общего положения, заданной следами. Для нахождения точки их пересечения, прямая АВ заключается в горизонтально- проецирующую плоскость Q. Далее поступают, как и в выше изложенном примере.
Для нахождения точки встречи горизонтально-проецирующей прямой АВ с плоскостью общего положения (рис. 1.67), через точку встречи прямой с плоскостью (ее горизонтальная проекция совпадает с горизонтальной проекцией самой прямой) проводим горизонталь (т.е. привязываем точку пересечения прямой с плоскостью в плоскость Р ). Найдя фронтальную проекцию проведенной горизонтали в плоскости Р , отмечаем фронтальную проекцию точки встречи прямой АВ с плоскостью Р.
Для нахождения линии пересечения плоскостей общего положения, заданных следами достаточно отметить две общие точки, одновременно принадлежащие обеим плоскостям. Такими точками являются точки пересечения их следов (рис.1.68).
Для нахождения линии пересечения плоскостей общего положения, заданных двумя треугольниками (рис. 1.69), последовательно находим точку
встречи стороны одного треугольника с плоскостью другого треугольника. Взяв любые две стороны из любого треугольника, заключив их в проецирующие плоскости посредники, находятся две точки, одновременно принадлежащие обоим треугольникам – линия их пересечения.
На рисунке 1.69 дан комплексный чертеж треугольников ABC и DEF общего положения. Для нахождения линии пересечения данных плоскостей:
1. Заключаем сторону ВС треугольника АВС во фронтально- проецирующую плоскость S (выбор плоскостей совершенно произвольный).
2. Находим линию пересечения плоскости S и плоскости DEF – 12 .
3. Отмечаем горизонтальную проекцию точки встречи (общая точка двух треугольников) К из пересечения 12 и ВС и находим ее фронтальную проекцию на фронтальной проекции прямой ВС.
4. Проводим вторую вспомогательную проецирующую плоскость Q через сторону DF треугольника DEF .
5. Находим линию пересечения плоскости Q и треугольника АВС – 3 4.
6. Отмечаем горизонтальную проекцию точки L , являющейся точкой встречи стороны DF c плоскостью треугольника АВС и находим ее фронтальную проекцию.
7. Соединяем одноименные проекции точек К и L. К L – линя пересечения плоскостей общего положения, заданных треугольниками АВС и DEF .
8. Способом конкурирующих точек определяем видимость элементов треугольников на плоскостях проекций.
Так как выше изложенное действительно и для главных линий параллельных плоскостей, то можно сказать, что плоскости параллельны, если параллельны их одноименные следы (рис. 1.71).
На рисунке 1.72 показано построение плоскости параллельной заданной и проходящей через точку А. В первом случае через точку А проведена прямая (фронталь), параллельная заданной плоскости G . Тем самым проведена плоскость Р содержащая прямую параллельную заданной плоскости G и параллельная ей. Во втором случае через точку А проведена плоскость, заданная главными линиями из условия параллельности этих линий заданной плоскости G .
Взаимно-перпендикулярные плоскости. Если одна плоскость содержит
хотя бы одну прямую, перпендикулярную другой плоскости, то такие
плоскости перпендикулярны. На рисунке 1.73 показаны взаимно перпендикулярные плоскости. На рисунке 1.74 показано построение плоскости, перпендикулярной заданной через точку А, используя условие перпендикулярности прямой (в данном случае главных линий) плоскости.
В первом случае через точку А проведена фронталь, перпендикулярная плоскости Р , построен ее горизонтальный след и через него проведен горизонтальный след плоскости Q , перпендикулярно горизонтальному следу плоскости Р . Через полученную точку схода следов Q X проведен фронтальный след плоскости Q перпендикулярно фронтальному следу плоскости Р .
Во втором случае в плоскости треугольника проведены горизонталь ВЕ и фронталь BF и через заданную точку А задаем плоскость пересекающимися прямыми (главными линиями), перпендикулярную плоскости треугольника. Для этого проводим через точку А горизонталь и фронталь. Горизонтальную проекцию горизонтали искомой плоскости (N ) проводим перпендикулярно горизонтальной проекции горизонтали треугольника, фронтальную проекцию фронтали новой плоскости (M ) – перпендикулярно фронтальной проекции фронтали треугольника.