Метод проекций

В основе начертательной геометрии лежит метод проекций.

Правила построения изображений, излагаемые в начертательной геометрии, основаны на методе проекций. Всякое правильное изображение предметов на плоскости (например, лист бумаги, кран монитора) является проекцией его на эту плоскость.

Правильным мы называем изображение, построенное в соответствии с законами геометрической оптики, действующими в реальном мире. Т.о., проекцией являются: технический рисунок, фотография, технический чертеж, тень, падающая от предмета, изображение на сетчатке глаза и т.д. Существуют изображения, выполненные с отклонением от этих законов. Таковыми, например, являются рисунки первобытных людей, детские рисунки, картины художников различных нереалистических направлений и т.д. Такие изображения на являются проекциями и к ним не могут быть применены методы геометрического исследования.

Латинская основа слова "проекция" означает "бросание вперед".

Начертательная геометрия рассматривает несколько видов проецирования. Основными являются центральное и параллельное проецирование.

Центральное проецирование

Д ля получения центральных проекций необходимо задаться плоскостью проекций H и центром проекций S.

Рис. 1 Рис. 2

Центр проекций действует как точечный источник света, испуская проецирующие лучи. Точки пересечения проецирующих лучей с плоскостью проекций H называются проекциями. Проекций не получается, когда центр проецирования лежит в данной плоскости или проецирующие лучи параллельны плоскости проекций.

Глаз, фотоаппарат являются примерами этой системы изображения. Одна центральная проекция точки не дает возможность судить о положении самой точки в пространстве, и поэтому в техническом черчении это проецирование почти не применяется.

Для определения положения точки при данном способе необходимо иметь две ее центральные проекции, полученные из двух различных центров ( рис. 2).

Центральные проекции применяют для изображения предметов в перспективе. Изображения в центральных проекциях наглядны, но для технического черчения неудобны.

П араллельное проецирование

Рис. 3 Рис. 4

Параллельное проецирование – частный случай центрального проецирования, когда центр проецирования перемещен в несобственную точку т.е. в бесконечность. При таком положении центра проекций все проецирующие прямые будут параллельны между собой (рис. 3). В связи с параллельностью проецирующих прямых рассматриваемый способ называется параллельным, а полученные с его помощью проекции – параллельными проекциями. Аппарат параллельного проецирования полностью определяется положением плоскости проецирования (H) и направлением проецирования.

Параллельное проецирование, как и центральное при одном центре проецирования, также не обеспечивает обратимости чертежа.

Применяя приемы параллельного проецирования точки и линии, можно строить параллельные проекции поверхности и тела.

Параллельные проекции применяют для построения наглядных изображений различных технических устройств и их деталей.

Параллельное проецирование делится на косоугольное (проецирующие лучи расположены под любым углом к плоскости проекций) и прямоугольное или ортогональное (проецирующие лучи перпендикулярны к плоскости проекций).

В данном курсе рассматривается преимущественно прямоугольное проецирование.

Прямоугольное (ортогональное проецирование) проецирование

Частный случай параллельного проецирования, при котором направление проецирования перпендикулярно плоскости проекций, называется прямоугольным или ортогональным проецированием. Прямоугольной (ортогональной) проекцией точки называют основание перпендикуляра, проведенного из точки на плоскость проекций. Прямоугольная проекция точек А и В показана на рис. 5.

Для определения положения точки в пространстве по ее параллельным проекциям необходимо иметь две параллельные плоскости , полученные при двух направлениях проецирования.

Рис. 5 Рис. 6

Т.к. через точку можно провести только одну прямую, перпендикулярную плоскости, то, очевидно, при ортогональном проецировании для получения двух проекций одной точки необходимо иметь две не параллельные плоскости проекций (рис. 6).

Ортогональное проецирование обладает рядом преимуществ перед центральным и параллельным проецированием. К ним в первую очередь следует отнести:

1. Простоту графических построений для определения ортогональных проекций точек.

2. Возможность при определенных условиях сохранить на проекциях форму и размеры проецируемой фигуры.

Отмеченные преимущества обеспечили широкое применение ортогонального проецирования в технике, в частности, для составления машиностроительных чертежей.

В машиностроении для того чтобы иметь возможность по чертежу судить о форме и размерах изображаемых предметов, при составлении чертежей, как правило, пользуются не двумя, а несколькими плоскостями проекций.

Положение точки в пространстве, а следовательно, и любой геометрической фигуры может быть определено, если будет задана какая-либо координатная система отнесения. Плоскости проекции делят пространство на восемь частей – октантов. Их условно нумеруют римскими цифрами (рис. 7).

П лоскости проекции делят пространство на восемь частей – октантов. Их условно нумеруют римскими цифрами (рис. 7).

Рис. 7 Рис. 8

Наиболее удобной для фиксирования положения геометрической фигуры в пространстве и выявления ее формы по ортогональным проекциям является декартова система координат, состоящая из трех взаимно перпендикулярных плоскостей проекций. В связи с тем, что начертательная геометрия призвана передавать результаты своих теоретических исследований для практического использования, ортогональное проецирование целесообразно рассматривать также в системе трех плоскостей проекций.

Для удобства проецирования в качестве трех плоскостей проекций выбирают три взаимно перпендикулярные плоскости (рис.8). Одну из них принято располагать горизонтально – ее называют горизонтальной плоскостью проекций, другую – вертикально, параллельно плоскости чертежа, ее называют фронтальной плоскостью проекций и третью, перпендикулярную двум имеющимся –ее называют профильной плоскостью проекций. Эти плоскости проекций пересекаются по линиям, называемыми осями проекций.

У нас принята правая система расположения плоскостей проекций. При этом положительными направлениями осей считают: для оси х (пересечение горизонтальной и фронтальной плоскостей проекций) – влево от начала координат, для оси y (пересечение горизонтальной и профильной плоскостей проекций) – в сторону наблюдателя от фронтальной плоскости проекций, для оси z (пересечение фронтальной и профильной плоскостей проекций) – вверх от горизонтальной плоскости проекций, противоположные направление осей считают отрицательными.

Проекцией точки является основание перпендикуляра, опущенного из точки на соответствующую плоскость проекций. Горизонтальной проекцией точки называют прямоугольную проекцию точки на горизонтальной плоскости проекций, фронтальной проекцией – соответственно на фронтальной плоскости проекций и профильной – на профильной плоскости проекций.

Пользоваться этим пространственным макетом для изображения ортогональных проекций геометрических фигур неудобно ввиду его громоздкости, а также из-за того, что на отдельных (горизонтальной и профильной) происходит искажение формы и размеров проецируемой фигуры. Поэтому вместо изображения на чертеже пространственного макета пользуются комплексным чертежом (эпюр Монжа) составленным из трех связанных между собой ортогональных проекций геометрической фигуры.

Преобразование пространственного макета в эпюр осуществляется путем совмещения горизонтальной и профильной плоскостей проекций с фронтальной плоскостью проекции (рис. 7).

Так как плоскости не имеют границ, в совмещенном положении (на эпюре) границы плоскостей не показывают, нет необходимости оставлять надписи, указывающие положение плоскостей проекций (рис. 10).

Перейдя к эпюру утратилась пространственная наглядность. Эпюр дает больше – точность и удобоизмереимость изображений, при простоте построений. Однако, чтобы представить пространственную картину требуется работа воображения.

Проецирование точки

Т очка, как математическое понятие, не имеет размеров. Очевидно, если объект проецирования является нульмерным объектом, то говорить о его проецировании бессмысленно.

Рис.9 Рис.10

В геометрии под точкой целесообразно принимать физический объект, имеющий линейные измерения. Условно за точку можно принять шарик с бесконечно малым радиусом. При такой трактовке понятия точки можно говорить о ее проекциях.

При построении ортогональных проекций точки следует руководствоваться первым инвариантным свойством ортогонального проецирования: ортогональная проекция точки есть точка.

Положение точки в пространстве определяется тремя координатами: X, Y, Z, показывающие величины расстояний, на которые точка удалена от плоскостей проекций. Чтобы определить эти расстояния, достаточно определить точки встречи этих прямых с плоскостями проекций и измерить соответствующие величины, которые укажут соответственно значения абсциссы X , ординаты Y и аппликаты Z точки (рис. 10).

Проекцией точки является основание перпендикуляра, опущенного из точки на соответствующую плоскость проекций. Горизонтальной проекцией точки а называют прямоугольную проекцию точки на горизонтальной плоскости проекций, фронтальной проекцией а ^/ – соответственно на фронтальной плоскости проекций и профильной а^// – на профильной плоскости проекций.

Прямые Аа, Аa ^/ и Аa ^// называются проецирующими прямыми. При этом прямую Аа, проецирующую точку А на горизонтальную плоскость проекций, называют горизонтально- проецирующей прямой, Аa ^/ и Аa ^// - соответственно: фронтально и профильно-проецирущими прямыми.

Две проецирующие прямые, проходящие через точку А определяют плоскость, которую принято называть проецирующей.

При преобразовании пространственного макета, фронтальная проекция точки А – а ^/ остается на месте, как принадлежащая плоскости, которая не менят своего положения при рассматриваемом преобразовании. Горизонтальная проекция – а вместе с горизонтальной плоскостью проекции повернется понаправлению движения часовой стрелки и расположится на одном перепендикуляре к оси Х с фронтальной проекцией. Профильная проекция - a ^// будет вращаться вместе с профильной плоскостью и к концу преобразования займет положение, указанное на рисунке 10. При этом - a ^// будет принадлежать перпендикуляру к оси Z , проведенному из точки а ^/ и будет удалена от оси Z на такое же расстояние, на какое горизонтальная проекция а удалена от оси Х. Поэтому связь между горизонтально и профильной проекциями точки может быть установлена с помощью двух ортогональных отрезков аа_y и а_y a ^// и сопрягающей их дуги окружности с центром в точке пересечения осей ( О – начало координат). Отмеченной связью пользуются для нахождения недостающей проекции ( при двух заданных). Положение профильной (горизонтальной) проекции по заданным горизонтальной (профильной) и фронтальной проекциям может быть найдено с помощью прямой, проведенной под углом 45⁰ из начала координат к оси Y ( эту биссектрису называют прямой k – постоянной Монжа). Первый из указанных способов предпочтителен, как более точный.

Из этого следует:

1. Точка в пространстве удалена:

от горизонтальной плоскости H на величину заданной координаты Z,

от фронтальной плоскости V на величину заданной координаты Y,

от профильной плоскости W на величину координаты .X.

2. Две проекции любой точки принадлежат одному перпендикуляру (одной линии связи):

горизонтальная и фронтальная – перпендикуляру к оси X,

горизонтальная и профильная – перпендикуляру к оси Y,

фронтальная и профильная – перпендикуляру к оси Z.

3. Положение точки в пространстве вполне определяется положением ее двух ортогональных проекций. Из этого следует – по двум любым заданным ортогональным проекциям точки всегда иожно построить недостающую ее третью проекцию .

Е сли точка имеет три определенные координаты, то такую точку называют точкой общего положения. Если у точки одна или две координаты имеют нулевое значение, то такую точку называют точкой частного положения.

Рис. 11 Рис. 12

На рисунке 11 дан пространственный чертеж точек частного положения, на рисунке 12 – комплексных чертеж (эпюр) этих точек. Точка А принадлежит фронтальной плоскости проекций, точка В – горизонтальной плоскости проекций, точка С – профильной плоскости проекций и точка D – оси абсцисс (Х ).

Проецирование отрезка прямой линии

При построении проекций прямой следует исходить из инвариантного свойства ортогонального проецирования, что проекция прямой есть прямая.

П ри ортогональном проецировании на плоскость прямая, не перпенди- Рис.13 Рис. 14 кулярная плоскости проекций, проецируется в прямую. Поэтому, для проецирования отрезка прямой достаточно найти проекции концов отрезка.

Наглядное (пространственное) изображение отрезка АВ показано на рисунке 13 и его ортогональное проецирование на три плоскости проекций – на рисунке 14. Отрезок АВ, определяющий прямую, занимает произвольное (общее) положение по отношению к плоскостям проекций (углы наклона прямой к плоскостям проекций произвольные, но отличные от 0⁰ и 90⁰). Такая прямая называется прямой общего положения.

Отметим, что если какая-либо точка принадлежит прямой, то ее проекции принадлежат соответственным проекциям данной прямой

Проецирование прямых частного положения.

Кроме рассмотренного общего случая, существуют частные случаи расположения прямой по отношению к плоскостям проецирования.

Прямые частного положения имеют очень важное значение. Необходимо усвоить положение проекций этих прямых на эпюре и уметь безошибочно определять положение таких прямых в пространстве.

Прямые уровня.

П рямая, параллельная какой-либо из плоскостей проекций, называется прямой уровня.

Рис.16

П рямая, параллельная горизонтальной плоскости проекций (точки A и В удалены от горизонтальной плоскости проекций на одинаковое расстояние, т.е. Z_A  Z_B) называется прямой горизонтального уровня или горизонталью

Рис. 17

(рис 16). Прямая, параллельная фронтальной плоскости (Y_A  Y_B) – фронталь (рис. 17). Прямая, параллельная профильной плоскости (X_A  X_B ) – профильная прямая.

На комплексных чертежах данных прямых уровня, видны углы наклона прямых к плоскостям проекций.

• - угол наклона прямой к горизонтальной плоскости,

 - угол наклона прямой к фронтальной плоскости.

Если прямая параллельна плоскости, то на эту плоскость она проецируется без искажения, т.е своей натуральной величиной. Горизонтальная проекция горизонтали равна длине самой горизонтали, ее фронтальная проекция параллельна оси ОХ. Длина фронтальной проекции фронтали равна длине самой фронтали, ее горизонтальная проекция параллельна оси ОХ. Профильная проекция профильной прямой равна самой прямой, горизонтальная и фронтальная ее проекции перпендикулярны оси ОХ.

Прямые перпендикулярные плоскостям проекций

Р ис.18

Такие прямые называются проецирующими прямыми (рис. 23). АВ – горизонтально-проецирующая прямая. На горизонтальную плоскость проекций такая прямая проецируется в точку, на фронтальную – в саму себя перпендикулярно оси ОХ. CD – фронтально-проецирующая прямая, На фронтальную плоскость проекций она проецируется в точку, на горизонтальную в саму себя перпендикулярно оси ОХ (рис. 18).