Курсовая работа: Изгибаемые многогранники. Октаэдр Брикара. Флексор Штеффена
Легкозаметить, что октаэдр Брикара имеетсамопересечения (рис. 2).ИхотяпослеБрикараисследованияизгибаемыхоктаэдровразнымидругимиметодамипродолжались, ноглавного результата—примераизгибаемого и неимеющегосамопересечениймногогранникавсене былоинебыло. Болеетого, в 1974 г. американскийматематик Г.Глакдоказал, чтовнекотором смыслепочтивсемногогранники неизгибаемы, ипоэтомупоиск изгибаемогомногогранника без самопересеченийсчиталсяпочтибезнадежным. Темнеменеев 1977 г. американский математик Р.Коннеллисумелпостроитьтакоймногогранник— весьмасложнуюконструкциюс 18 вершинами. Коннэлли назвал такие многогранники флексорами[1] .
ВскорепослеКоннеллинемецкийматематикКлаус Штеффен предложилещеодинмногогранник, всегос 9 вершинами, которыйдосихпоростаетсясамым простымпримеромвложенного изгибаемогомногогранника. Отметим, что примеру Штефена уже более 20 лет, но вопрос о существовании изгибаемого многогранника без самопересечений с меньшим (чем девять) числом вершин пока остается открытым.
Почти сразу же после построения изгибаемых многогранников обнаружилось, что все они обладают удивительным свойством: в ходе изгибания их объем остается неизменным. Неизвестно, кто заметил это свойство первым. В августе 1978 г. на Международном математическом конгрессе в Хельсинки Коннелли высказал гипотезу о том, что оно является общим для всех изгибаемых многогранников. Не было никакой уверенности в справедливости гипотезы. По-видимому, многие склонялись к мысли, что она неверна, и искали контрпримеры. При этом были и курьезные случаи. Рассказывают, что на Западе на одной из научных выставок как опровержение этой гипотезы демонстрировали модель "изгибаемого" многогранника, из которой при ее деформации со свистом выходил воздух, так что на ней можно было играть, как на волынке. Но позже выяснилось, что в математическом смысле модель неизгибаема, а ее "изгибания" — следствие растяжения материала.
2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Многогранной поверхностью в пространстве называется поверхность, составленная из конечного числа многоугольников. Эти многоугольники являются гранями многогранной поверхности, а стороны граней — ее ребрами.
Две фигуры (в частности два многогранника) называют конгруэнтными, если они эквивалентны друг другу, то есть совпадают при наложении.
Если у многогранника есть ребро, принадлежащее всего одной грани, то это – многогранник с краем. Если же каждое ребро принадлежит двум граням, многогранник называют замкнутый. У замкнутого многогранника края нет.
Многогранные поверхности с самопересечениями - это такие поверхности, у которых грани могут иметь общие точки, не являющиеся вершинами данной многогранной поверхности и не принадлежащие ее ребрам.
Многогранную поверхность называют выпуклой, если плоскость, проходящую через любую ее грань, оставляет остальные ее грани по одну сторону.
Многогранная поверхность называется изгибаемой, если непрерывным изменением двугранных углов при ее ребрах можно изменить пространственную форму поверхности. Поэтому незамкнутая многогранная поверхность, составленная из двух треугольников, соединенных вдоль одного ребра, является изгибаемой.
Изгибанием многогранника называется такая непрерывная его деформация, при которой изменяется хотя бы один из двугранных углов при ребрах, но грани остаются конгруэнтными (равными) исходным. Иначе говоря, в теории изгибаний грани многогранника рассматриваются как абсолютно твердые пластинки, способные вращаться вокруг ребер и вершин. На "инженерном" языке это означает, что вдоль ребер грани имеют шарнирные связи, а вершины многогранника считаются сферическими шарнирами. Если многогранник допускает деформацию такого вида, он называется изгибаемым, в противном случае — неизгибаемым. Движения многогранника в пространстве как твёрдого тела не являются его изгибаниями, так как при таком движении ни один двугранный угол не изменяется. Поэтому такие движения иногда называют тривиальными изгибаниями, а те деформации, о которых шла речь в определении изгибаний, называют нетривиальными изгибаниями. Очевидно, требование изменения в ходе нетривиального изгибания хотя бы одного двугранного угла можно заменить требованием изменения хотя бы одной диагонали многогранника.
Возможность простого перемещения многогранника в пространстве как твёрдого тела, т. е. без изменения его двугранных углов, используется для фиксации положения каких-либо «элементов» многогранника в ходе его изгибания. Делается это так: к деформации нетривиального изгибания многогранника добавляют движение, подобранное так, чтобы рассматриваемый элемент вернулся в исходное положение. Пусть, например, требуется, чтобы данная треугольная грань ABCбыла неподвижна. Если после деформации изгибания грань «ушла» из своего исходного положения, то сначала параллельным переносом вернём, скажем, точку A из нового в старое её положение, затем вращением вокруг точки A приведём в совпадение с прежними положениями вершины B и C.
Простейший пример изгибания многогранника — открытие или закрытие книги с твердой обложкой (многогранник может иметь край). Примеры посложнее: трёхгранный угол неизгибаем, а n-гранный угол при п>3 изгибаем. Если многогранник ещё сложнее, а особенно если он замкнутый, т. е. не имеет края, исследование его изгибаемости — сложная задача, так как изгибания всех многогранных углов должны быть согласованы между собой.
Октаэдр – правильный многогранник, который представляет собой четырехугольную бипирамиду. Октаэдр имеет 12 ребер, 6 вершин и 8 граней.
Октаэдр Брикара – это изгибаемый октаэдр, имеющий самопересечения
Флексором называется изгибаемая многогранная поверхность. Наименьшее число вершин среди всех замкнутых изгибаемых многогранных поверхностей без самопересечений имеет многогранная поверхность Штеффена. Другими словами, если замкнутая многогранная поверхность без самопересечений имеет менее девяти вершин, то она не является изгибаемой.
3. ИЗГИБАЕМЫЕ МНОГОГРАННИКИ КОННЕЛЛИ
|
|
Рис.3
ИзгибаемыемногогранникиКоннелли – это изгибаемые многогранники, которые не имеют самопересечений (т. е. являются вложенными в пространство). Основная идея — попытаться построить изгибаемый многогранник, устранив самопересечения в октаэдрах Брикара. Рассмотрим изгибаемый октаэдр Брикара первого типа, у которого грани дважды покрывают прямоугольник ABCD(рис. 3); L— точка пересечения диагоналей прямоугольника, через которую перпендикулярно к плоскости чертежа проходит ось симметрии l четырёх-звенника ABCD. Сначала сведём к минимуму возможные самопересечения. Для этого в четырёхгранном угле NABCDзаменим каждую грань тремя боковыми гранями тетраэдров, обращённых вершинами вверх, оставив рёбра основания на своём месте в прямоугольнике, причём выберем расположения всех 12 граней так, чтобы они между собой не пересекались (для чего достаточно, чтобы вершины тетраэдров проектировались внутрь треугольников, которые они заменяют). Получим многогранник, составленный из четырёх тетраэдров без основания, как на рис. 4, и назовём этот многогранник «крышкой».
Рис.4
Аналогичным образом заменим грани четырёхгранного угла SABCDтетраэдрами вершинами вниз и получим «дно» будущего многогранника (рис. 5).
При изгибании четырёхгранных углов NABCDи SABCDих рёбра как-то перемещаются, и они автоматически определяют движения боковых граней построенных тетраэдров.
Рис.5
«Крышка» и «дно» склеены между собой по сторонам прямоугольника ABCD, и они вместе образуют замкнутый изгибаемый многогранник Q, состоящий из 24 боковых граней 8 тетраэдров. В отдельности на «крышке» и «дне» по построению самопересечений нет. Боковые грани и рёбра тетраэдров «крышки» и «дна» располагаются по разные стороны от общей плоскости их оснований, поэтому они тоже не пересекаются. Но рёбра на основании тетраэдров остались те же, что были в прямоугольнике на рис. 3. Видно, что есть всего две точки самопересечения — точки a и b. Наша задача — убрать эти самопересечения. В многограннике Qсамопересечение выглядит как на рис. 6, т. е. фактически оно является самокасанием: в точке a касаются рёбра двух двугранных углов. Коннелли сумел изменить один двугранный угол в окрестности точки a так, чтобы исчезло самокасание, а новые элементы конструкции изгибались согласованно с изгибанием изменённого двугранного угла, состоящим в непрерывном изменении раствора двугранного угла.
Рис.7
Для этого рассмотрим октаэдр Брикара второго типа. Пусть дан самопересекающийся плоский четырёхзвенный механизм ABCDс равными противоположными сторонами AB = CD, BC=AD(рис. 7). Легко показать, что вершины этого четырёхугольника являются вершинами равнобочной трапеции, поэтому вокруг ABCDможно описать окружность. Центр O и радиус R окружности зависят от a = ZABC. Четырёхзвенник ABCDможет изменять свою форму с сохранением длин своих сторон (т. е. он может изгибаться), оставаясь на плоскости и имея сторону DCв неподвижном положении. При этом в новых положениях вершины четырёхугольника по-прежнему будут вершинами равнобочной трапеции и новое положение центра O(a) описанной окружности и её радиус R(a) при изгибании четырёхугольника ABCD на плоскости изменяются непрерывно вместе с a. Возьмём теперь над и под точкой O(a) две точки N и S на одинаковом расстоянии h(a) от O(a) (можно и на разных расстояниях, с соответствующими изменениями в дальнейших рассуждениях), таком, чтобы R2 (a) + h2 (a) = d2 = const и соединим N(a) и S(a) отрезками длины dс точками A(a), B(a), C и D. После «обшивки» каркаса плоскими треугольниками получится октаэдр P, у которого есть плоскость симметрии, проходящая через точки N и S перпендикулярно прямой AC, т. е. мы получили октаэдр Брикара второго типа. Его изгибания определяются изгибаниями плоского четырёхзвенногомеханизма ABCD. Удалим из P две грани, дающие самопересечения: NDCи SDC. Останется многогранник Р' с краем, изображённый на рис. 8. Хотя ребра CDи нет, в ходе изгибания многогранника Р' как части P расстояние CDостаётся постоянным, так как оно равно длине ребра CDв октаэдре P.
При этом же изгибании расстояние NS, равное 2h(a), изменяется, поэтому изменяется угол между плоскостями удалённых граней NDCи SDC, причём точки Dи C при этом можно считать остающимися на месте. Используем это обстоятельство для того, чтобы изменить двугранный угол на рис. 6, вставив туда соответствующим образом подобранный многогранник Р', который для краткости и большей ясности будем называть «зарубкой Коннелли». Пусть T — биссекторная плоскость, скажем, верхнего двугранного угла на рис. 6. Расположим четырёхзвенник ABCDна плоскости T так, чтобы отрезок DCшёл по ребру двугранного угла, отрезки NDи NCбыли на одной полуплоскости, а DSи CSбыли на другой полуплоскости двугранного угла. Части NDи NC, SDи SCкрая многогранника Р' — «зарубки Коннелли» — прилегают к соответствующим частям граней двугранного угла. Изменение величины b двугранного угла приводит к изгибанию многогранника Р', согласованному с движением граней двугранного угла, в который он был встроен (т. е. рёбра NDи NC, SDи SCкрая многогранника Р' не изменяют свою длину и остаются на гранях двугранного угла). Расположение точек Dи C на ребре двугранного угла может быть выбрано так, чтобы точка a оказалась на отрезке DC, не попадая, однако, на ребро AB, т. е. чтобы изменённый верхний двугранный угол на рис. 6 не касался нижнего двугранного угла. Такое же построение можно провести и в окрестности точки b — второй точки самокасания, причём размеры встроенного многогранника Р' можно подобрать так, чтобы в пределах некоторого изменения раствора двугранного угла не появились новые самопересечения. Таким образом получится изгибаемый многогранник без самопересечений с 26 вершинами.
