Тема №1 Предмет инженерной графики.
Метод проекций
1. История развития инженерной графики
2. Обозначения и символы языка начертательной геометрии
3. Метод проекций
Контрольные вопросы
Контрольные задания по теме:
Рабочая тетрадь задача 7, задача 8,
задача 9, задача 10
1. История развития инженерной графики
Начертательная геометрия занимает особое положение среди других наук. Она является лучшим средством развития у человека пространственного мышления и воображения.
Начертательная геометрия – один из разделов геометрии, в котором пространственные фигуры, представляющие собой совокупность точек, линий, поверхностей, изучаются по их плоским изображениям или проекциям.
Основная задача начертательной геометрии заключается в сопоставлении трёхмерного объекта с его плоской проекционной моделью.
Плоское изображение предмета или детали называется её чертежом. Чертёж – это не просто рисунок, а конструкторский документ. Он выполняется по соответствующим требованиям, единым стандартом. Его можно назвать своеобразным языком, в котором используются точки, линии, буквы, цифры, причём этот язык является интернациональным, т.к. он понятен любому инженеру и не зависит от языка.
При помощи этих простых геометрических элементов (точек, линий и т.д.) человек имеет возможность изобразить сложнейшие механизмы, приборы, здания и т.д.
Методы начертательной геометрии находят широкое применение в физике, химии, механике, кристаллографии, архитектуре и применяются практически во всех отраслях промышленности, начиная от лесного хозяйства и заканчивая сложнейшей электроникой космических летательных аппаратов.
Начертательная геометрия, как и другие разделы математики, развивает логическое мышление и поэтому входит в число фундаментальных дисциплин инженерного образования.
Начертательная геометрия и инженерная графика укладываются в рамки одной учебной дисциплины и выполняют одну и ту же задачу – сопоставление трёхмерного объекта с его плоской проекционной моделью. Отличие между ними заключается в том, что в инженерной графике под трёхмерным объектом понимается конкретное, материально воплощённое задание, строительное сооружение или деталь, в то время как начертательная геометрия имеет дело с абстрактными, отвлечёнными моделями. В этом смысле инженерная графика представляет собой очень частное ответвление начертательной геометрии, её узкоспециализированный подраздел. Но, благодаря такой узкой практической направленности инженерной графики, в ней появляются совершенно новые вопросы, к начертательной геометрии отношения не имеющие. Сюда относятся правила оформления чертежей, сведения об использовании технических стандартов и ряд других вопросов.
История развития начертательной геометрии уходит корнями в глубокую древность. Об этом свидетельствуют памятники древнего искусства, строительные и архитектурные формы, сохранившиеся до нашего времени. Ещё древние египтяне пытались изображать объекты в виде плоских проекций, но это всё осуществлялось стихийно, без использования твёрдо установленных правил и закономерностей.
Первое сохранившееся систематизированное изложение инженерного опыта относится к 16-13 годам до н.э.: сочинение под названием «Десять книг об архитектуре» написал римский зодчий и инженер Марк Витрувий Поллион.
Примерно в это же время расцвета культуры древней Греции шло интенсивное накопление геометрических знаний. Появилась вычислительная геометрия. Пифагор, Эвклид и др. систематизировали геометрические сведения. Эвклид издал труд под названием «Начала» –15 книг, куда вошли определения, постулаты, основные аксиомы и теоремы. Он построил науку геометрию так, как она есть сейчас. Мы до сих пор пользуемся ей почти без изменений. Из учёных этой же эпохи можно назвать также Архимеда, Фалеса.
Следующим рывком в развитии наук, искусств и техники явилась эпоха Возрождения. Вопросам построения наглядных изображений (перспективы) уделяли в то время большое внимание многие известные учёные, инженеры, зодчие и художники. Среди них Леонардо да Винчи, Альбрехт Дюрер, Леон Баттист, Гвидо Убальди. Такое повышенное внимание к этой теме было вызвано развитием техники, усложнением архитектурно-строительных задач, а также общим духом времени, направленным на культ научного метода и научного знания.
Достигнутые здесь успехи не прошли даром и принесли свои плоды в годы французской революции (18 век). Геометры этого времени - Жерар де Зак, Паскаль и другие. Паскалем были изучены конические сечения. Крупный математик, инженер, член Парижской Академии наук Гаспар Монж выступил со своей работой «Начертательная геометрия» в 1798 г. В этом научном труде впервые была проработана идея адекватного отображения трёхмерного пространства на плоскость с помощью проекционного метода. Вариант такого отображения, который называется системой ортогонального проецирования на три плоскости проекций, используется до настоящего времени. Гаспар Монж считается основоположником начертательной геометрии.
С тех пор начертательная геометрия пополнилась некоторыми вспомогательными вариантами проекционных изображений (аксонометрия) и постепенно оформлялась жёсткими правилами, требованиями, стандартами. Весь этот материал в совокупности составил основу современной инженерной графики.
Наряду с этим тенденция к обобщению привела к объединению идей Г. Монжа и исследователей эпохи Возрождения. В результате этого возникла классическая начертательная геометрия, предназначенная для изучения геометрических образов трёхмерного пространства. Развивалась проективная геометрия (Х. Винер, Г. Гаук, Э. Мюллер), рассматривались проблемы отображения многомерного геометрического пространства и способы построения нелинейных изображений (В. Фидлер, Е.С. Фёдоров). Эти исследования составили область математически абстрагированной начертательной геометрии.
Русские инженеры и зодчие пользовались на практике проекционными чертежами, в том числе и системой ортогональных проекций задолго до появления Г. Монжа. Об этом свидетельствуют сохранившиеся документы, относящиеся к началу XIX века (изобретатель Кулибин и зодчие С.И. Чевакинский, К.А. Ухтомский, В.И. Баженов). В те времена в инженерных школах преподавалось черчение. В Перновском военно-техническом училище 1731-1733 г. преподавание математических наук, фортификации и черчения вёл А.П. Ганнибал – прадед А.С. Пушкина. В начале XIX века в высших и средних учебных заведениях началось преподавание начертательной геометрии. Шарль Потье читал курс лекций в Московском институте инженеров путей сообщения. Появились первые учебные пособия (Я.С. Севастьянов, Н.И. Макаров, В.И. Курдюмов ) по начертательной геометрии в строго классическом её понимании. И в этом виде дисциплина сохранилась до 20 века.
Примерно с середины 40-х годов началось развитие вычислительной техники, появились ЭВМ. Среди разнообразных функций, доступных компьютеру, могут быть: выполнение графиков, схем и чертежей. Возникла специальная учебная дисциплина – «Машинная графика», которая, с 1987 г. вошла в учебную программу подготовки инженеров.
2. Обозначения и символы языка начертательной геометрии
При выполнении чертежей и изображений в начертательной геометрии приняты следующие условные обозначения:
а) точки обозначаются прописными буквами латинского алфавита или цифрами. Например: A, B, C или 1, 2, 3. Цифры и буквы могут быть снабжены индексами: A1, B2;
б) линии принято обозначать строчными буквами латинского алфавита: а1, в2, m3 и т.д.;
в) плоскости обозначаются заглавными буквами греческого алфавита: Γ, Σ, Ω, Ψ;
г) знак параллельности: //. Например, прямая А параллельна прямой В записывается: А//В;
д) пересечение: а Ç в;
е) скрещивание: ·/ . Прямая m скрещивается с прямой n: m /· n;
ж) обозначение угла: ÐABC;
з) принадлежность: Ì
Точка М принадлежит прямой t: М Ì t;
и) перпендикулярность: ^
Прямая l перпендикулярна плоскости S: l ^ S.
3. Метод проекций
Для решения основной задачи начертательной геометрии, т.е. для установления адекватного соответствия положения точки в пространстве и её изображения на плоскости применяется конструктивный приём, который именуется операцией проецирования. Для этого вводится некоторая плоскость, которая называется плоскостью проекций, и некоторая точка в пространстве – центр проекций. Через центр проекций и данную точку проводится луч до пересечения с плоскостью проекций.
Рисунок 1
На рисунке 1 точка S- центр проекций; П1- плоскость проекций; точка A1 и B2- проекции точек A и B на плоскость П1.
Однако для того, чтобы проделать обратную процедуру, т.е. по проекции точки получить ее положение в пространстве, недостаточно одной ее проекции. Имея две проекции точки А и два центра проекций, можно получить точку А (рисунок 2).
Рисунок 2
Параллельное проецирование является частным случаем центрального, когда центр проекции удалён в бесконечность. В этом случае задаётся направление проецирования – луч S1 или S2. Проекцией точки А в данном случае будет точка пересечения луча, проведённого через эту точку параллельно направлению проецирования до пересечения с плоскостью проекций (рисунок 3).
Рисунок 3
Для того, чтобы по проекциям точки А получить её истинное положение в пространстве, необходимо иметь две её проекции на плоскость П. Точка пересечения лучей, восстановленных из точки А1 и А2 параллельно S1 и S2, будет являться точкой А.
Частным случаем параллельного проецирования является ортогональное проецирование. При этом направление проецирования всегда перпендикулярно плоскости проекций (рисунок 4).
Рисунок 4
В случае ортогонального проецирования, для того чтобы определить положение точки в пространстве по её проекции, необходимо ввести дополнительную плоскость проекций П2, которая была бы перпендикулярна П1 (рисунок 5).
Рисунок 5
На рисунке 5 показано построение проекций точки А на две взаимно ортогональные плоскости П1 и П2. И наоборот, имея две проекции точки А – А1 и А2, мы всегда можем получить положение точки А в пространстве, восстановив перпендикуляры к плоскостям проекций.
Преимущества ортогонального проецирования:
1. Простота графических построений для определения ортогональных проекций.
2. Возможность сохранить при определённых условиях на проекциях форму и размеры проецируемой фигуры.
В машиностроении, для того чтобы иметь возможность по чертежу судить о форме и размерах изображаемых деталей пользуются не двумя, а несколькими плоскостями проекций, как правило, тремя. Эти три взаимно ортогональные плоскости носят названия: П1 - горизонтальная, П2 - фронтальная и П3 - профильная плоскость проекций. На рисунке 6 показано построение проекций точки в этой системе плоскостей проекций.
Рисунок 6
Рисунок 6 представляет пространственное изображение точки А и плоскостей проекций, но в инженерной практике пользоваться такими изображениями не всегда удобно. Поэтому применяется плоский чертёж, на котором совмещены все три плоскости и который носит название Эпюр Монжа. Образуется он следующим образом: горизонтальная плоскость П1 поворачивается вокруг оси Х на 90 градусов вниз до совмещения с фронтальной плоскостью, а профильная поворачивается вокруг оси Z на 90 градусов вправо. В результате получим плоское изображение всех трёх плоскостей проекций (рисунок 7). Этот чертёж называется эпюром Монжа или комплексным чертежом.
Рисунок 7
Построим проекции точки А, изображённой на рисунке 6, на эпюре Монжа. Для этого отложим по оси X (рис.7) координату точки А по оси Х – расстояние Ах. Затем из этой точки восстановим перпендикуляры к оси Х на плоскости П2 и П1.
Вверх, на плоскость П2, отложим высоту точки А или её координату по оси Z, а вниз, на плоскость П1, откладываем глубину точки два раза. Это искажение по оси У получается из-за того, что ось У повернулась на 45 градусов по сравнению с пространственным изображением. Для того чтобы построить профильную проекцию точки А, из её фронтальной проекции А2 проводим перпендикуляр к оси Z и откладываем на нём от оси Z глубину точки или её координату по оси У. Полученные три проекции точки А(А1, А2, А3) дают полное представление о положении точки в пространстве. Этот чертёж называется комплексным чертежом точки. Линии, соединяющие проекции точки, называются линиями связи.
Контрольные вопросы
1. Что изучает начертательная геометрия?
2. Что называется чертежом?
3. В чем отличие начертательной геометрии от инженерной графики?
4. Назовите основные этапы развития геометрии.
5. Какие специальные символы существуют для обозначения параллельности, перпендикулярности, пересечения, скрещивания? Какие обозначения вы знаете, кроме этих?
6. В чем сущность центрального проецирования?
7. Как образуется проекция точки при параллельном проецировании?
8. Назовите основные плоскости проекций.
9. Что такое эпюр Монжа? Как он образуется?
|