Az egyköpenyű forgáshiperboloid síkmetszeteiről

Hasonló dokumentumok
A hordófelület síkmetszeteiről

Észrevételek a forgásfelületek síkmetszeteivel kapcsolatban. Bevezetés

A Cassini - görbékről

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

Egy sajátos ábrázolási feladatról

Ismét egy érdekes mechanizmusról. Az interneten találkoztunk az [ 1 ] művel, benne az 1. ábrával.

Ellipszis átszelése. 1. ábra

Két körhenger általánosabban ( Alkalmazzuk a vektoralgebrát! ) 1. ábra

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

Henger és kúp metsződő tengelyekkel

Ellipszis perspektivikus képe 2. rész

A főtengelyproblémához

További adalékok a merőleges axonometriához

A konfokális és a nem - konfokális ellipszis - seregekről és ortogonális trajektóriáikról

Egy forgáskúp metszéséről. Egy forgáskúpot az 1. ábra szerint helyeztünk el egy ( OXYZ ) derékszögű koordináta - rendszerben.

Egy kinematikai feladathoz

A kör és ellipszis csavarmozgása során keletkező felületekről

A kötélsúrlódás képletének egy általánosításáról

Egy kérdés: merre folyik le az esővíz az úttestről? Ezt a kérdést az után tettük fel magunknak, hogy megláttuk az 1. ábrát.

A tűzfalakkal lezárt nyeregtető feladatához

A szabályos sokszögek közelítő szerkesztéséhez

Vonatablakon át. A szabadvezeték alakjának leírása. 1. ábra

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

A loxodrómáról. Előző írásunkban melynek címe: A Gudermann - függvényről szó esett a Mercator - vetületről,illetve az ezen alapuló térképről 1. ábra.

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

Fa rudak forgatása II.

Egy érdekes nyeregtetőről

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

Érdekes geometriai számítások 10.

Egy geometriai szélsőérték - feladat

Egy mozgástani feladat

Néhány felületről. Az [ 1 ] munkában találtuk az 1. ábrát. 1. ábra

Végein függesztett rúd egyensúlyi helyzete. Az interneten találtuk az [ 1 ] munkát, benne az alábbi érdekes feladatot 1. ábra. Most erről lesz szó.

Egy újabb térmértani feladat. Az [ 1 ] könyvben az interneten találtuk az alábbi érdekes feladatot is 1. ábra.

Egy sík és a koordinátasíkok metszésvonalainak meghatározása

Aszimmetrikus nyeregtető ~ feladat 2.

t, u v. u v t A kúpra írt csavarvonalról I. rész

9. előadás. Térbeli koordinátageometria

Az R forgató mátrix [ 1 ] - beli képleteinek levezetése: I. rész

A lengőfűrészelésről

A csavarvonal axonometrikus képéről

Egy általános helyzetű lekerekített sarkú téglalap paraméteres egyenletrendszere. Az egyenletek felírása

Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

Néhány véges trigonometriai összegről. Határozzuk meg az alábbi véges összegek értékét!, ( 1 ) ( 2 )

Poncelet egy tételéről

A magától becsukódó ajtó működéséről

Szökőkút - feladat. 1. ábra. A fotók forrása:

Fiók ferde betolása. A hűtőszekrényünk ajtajának és kihúzott fiókjának érintkezése ihlette az alábbi feladatot. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

A csúszóvágásról, ill. - forgácsolásról

Ismét a fahengeres keresztmetszetű gerenda témájáról. 1. ábra forrása: [ 1 ]

Függőleges koncentrált erőkkel csuklóin terhelt csuklós rúdlánc számításához

Érdekes geometriai számítások Téma: A kardáncsukló kinematikai alapegyenletének levezetése gömbháromszögtani alapon

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

Profilmetsződésekről, avagy tórusz és körhenger áthatásáról

Az elforgatott ellipszisbe írható legnagyobb területű téglalapról

Ferde kúp ellipszis metszete

8. előadás. Kúpszeletek

4. Felületek Forgásfelületek. Felületek 1. Legyen adott egy paramétersíkbeli T tartomány. A paramétersíkot az u és v koordinátatengelyekkel

Egymásra támaszkodó rudak

Két naszád legkisebb távolsága. Az [ 1 ] gyűjteményben találtuk az alábbi feladatot és egy megoldását: 1. ábra.

A Kepler - problémáról. Megint az interneten találtunk egy szép animációt 1. ábra, amin elgondolkoztunk: Ezt hogyan oldanánk meg? Most erről lesz szó.

Egy kötélstatikai alapfeladat megoldása másként

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

A fatörzs és az ágak alakjának leírásához. Szétnéztünk az interneten. A lábon főleg a szabadon álló fák alakja meglehetősen bonyolult; pl.: 1. ábra.

A Lenz - vektorról. Ha jól emlékszem, először [ 1 ] - ben találkoztam a címbeli fogalommal 1. ábra.

Kúp és kúp metsződő tengelyekkel

Egy érdekes statikai - geometriai feladat

A tér lineáris leképezései síkra

Keresztezett pálcák II.

Chasles tételéről. Előkészítés

Egy újabb mozgásos felület - származtatási feladat

Egy szép és jó ábra csodákra képes. Az alábbi 1. ábrát [ 1 ] - ben találtuk; talán már máskor is hivatkoztunk rá.

Az eltérő hajlású szarufák és a taréjszelemen kapcsolatáról 1. rész. Eltérő keresztmetszet - magasságú szarufák esete

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Lövés csúzlival. Egy csúzli k merevségű gumival készült. Adjuk meg az ebből kilőtt m tömegű lövedék sebességét, ha a csúzlit L - re húztuk ki!

Egy kinematikai feladat

Kiegészítés a merőleges axonometriához

A térbeli mozgás leírásához

Kosárra dobás I. Egy érdekes feladattal találkoztunk [ 1 ] - ben, ahol ezt szerkesztéssel oldották meg. Most itt számítással oldjuk meg ugyanezt.

A rektellipszis csavarmozgása során keletkező felületről

A ferde tartó megoszló terheléseiről

Kerekes kút 2.: A zuhanó vödör mozgásáról

Kecskerágás már megint

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

A gúla ~ projekthez 1. rész

A gúla ~ projekthez 2. rész

A felcsapódó kavicsról. Az interneten találtuk az alábbi, a hajítás témakörébe tartozó érdekes feladatot 1. ábra.

Érdekes geometriai számítások Téma: Szimmetrikus kontytető tetősíkjai lapszögének meghatározásáról

Kocka perspektivikus ábrázolása. Bevezetés

Ellipszissel kapcsolatos képletekről

A kettősbelű fatörzs keresztmetszeti rajzolatáról

MINTAFELADATOK. 1. feladat: Két síkidom metszése I.33.,I.34.

A ferde szabadforgácsolásról, ill. a csúszóforgácsolásról ismét

A Maxwell - kerékről. Maxwell - ingának is nevezik azt a szerkezetet, melyről most lesz szó. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is!

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Csúcsívek rajzolása. Kezdjük egy általános csúcsív rajzolásával! Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Tető - feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladatot és végeredményeit ld. 1. ábra.

Az axonometrikus ábrázolás analitikus geometriai egyenleteinek másfajta levezetése. Bevezetés

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa kis elmozdulásainak számításáról

Rönk kiemelése a vízből

Átírás:

1 Az egyköpenyű forgáshiperboloid síkmetszeteiről Egyik előző dolgozatunkban melynek címe: Ismét egy érdekes mechanizmusról arról elmélkedtünk, hogy ha a forgáshenger ferde síkmetszete ( ellipszis ) mentén haladó emel - tyű a henger tengelyével párhuzamos szinuszos ( vetületi ) mozgást végez, akkor milyen ez a mozgás más alkotó -, illetve meridiángörbék esetén; a hordófelület ferde, ellipszis - szerű metszete menti emeltyűmozgást részletesebben meg is vizsgáltuk. Az 1. ábrán olyan mechanizmusok képét mutatjuk meg, ahol a forgástest alkotója egye - nes; ekkor a forgáskúp és az egyköpenyű forgáshiperboloid felületek ferde síkmetszete mentén haladhat az emeltyű. 1. ábra forrása: [ 1 ] A kúpszeletek tanulmányozásából tudjuk, hogy a forgáskúp ábrázolt ferde metszetének metszeti görbéje ellipszis. De vajon milyen görbe lehet az egyköpenyű forgáshiperboloid ferde síkmetszete? Egy ilyen metszési esetet mutat a 2. ábra is. Ennek forrásánál ezt a kér - dést meg is válaszolják: itt is ellipszis a metszeti görbe. Ezt azonban még be is kell látni. Ekkor azonban már egyéb síkmetszetek vizsgálatával is foglalkozhatunk, ami egy érdekes feladatnak ígérkezik. Ezt a munkát már sokan elvégezték, így nekünk csak annyi a dol - gunk, hogy a fellelt források közül kiválasszuk a számunkra leginkább megfelelőket, majd a minket érdeklő munka eredményeként szép függvényábrázolásokat végezzünk. Az egyik ilyen mű [ 2 ], ahol viszonylag sok, számunkra érdekes részletet közölnek e kér - déskörről. Megemlítjük, hogy a [ 2 ] munkát már egy korábbi dolgozatunkban is felhasz - náltuk, tetősíkok lapszögének meghatározásához.

2 2. ábra forrás: http://www.ttdh.bme.hu/~prok/forgasfeluletek_sikmetszete.pdf 3. ábra forrása: [ 2 ] A 3. ábrán az egyköpenyű forgáshiperboloid egy axonometrikus ábráját szemlélhetjük, ahol feltüntették a matematikai leíráshoz alkalmazott térbeli derékszögű k. r. - t is. Először is megmutatjuk, hogyan keletkezik ez a felület. A matematikai könyvekben el - mondják, hogy ez a felület egy hiperbolának a képzetes tengelye körüli megforgatásával áll elő. ( Ha a hiperbolát a valós tengelye körül forgatjuk meg, akkor a kétköpenyű hiper - boloid áll elő. ) A 3. ábráról közvetlenül leolvasható, hogy az egyköpenyű hiperboloid ~ minden z - tengelyre merőleges ( mondjuk itt: vízszintes ) síkmetszete: kör; ~ minden z - tengelyt tartalmazó ( mondjuk itt: függőleges ) síkmetszete: hiperbola. Ezek a tények a felület származtatásának közvetlen következményei. Meridiángörbéjét a 4. ábra mutatja.

3 4. ábra Adatok: a = 4 cm; b = 3 cm. ( A ) Ennek implicit egyenlete: ( 1 ) A forgásfelület egyenleteinek felírásához tekintsük az 5. ábrát is! 5. ábra

4 Itt feltüntettünk egy h hiperbola - meridiánt, valamint a felület egy α hajlású síkkal való m metszetgörbéjének egy H = M pontját. A forgásfelület egy H pontjának koordinátáit megadó egyenletek: ( 2 / 1 ) ( 2 / 2 ) ( 2 / 3 ) Most ( 2 / 1 ) és ( 2 / 2 ) - ből: majd ( 1 ) és ( 3 ) - mal az egyköpenyű forgáshiperboloid egyenlete: ( 3 ) ( 4 ) A metszősík egyenlete legyen itt alakú! Ekkor az M metszéspont koordinátáira fennáll, hogy ( 5 ) ( 6 ) ekkor ( 4 ), ( 5 ) és ( 6 ) - tal: rendezve: átalakítva: végül: ( 7 ) Bevezetve a metszet síkjában az η M koordinátát 5. ábra : így ( 7 ) és ( 8 ) szerint: ( 8 ) ( 9 ) A ( 9 ) képletből kiolvasható, hogy 3 - féle típusú metszeti görbe lehetséges: a), azaz: ( 10 )

5 ekkor bevezetve a tehát: ( 11 ) rövidítő jelölést, ( 9 ) és ( 11 ) - gyel: ( 12 ) tehát ( 10 ) fennállása esetén a metszetgörbe kör ( α = 0 ), ill. ellipszis ( 0 < α < α* ). Ezzel beláttuk, hogy a 2. ábra kapcsán tett állítás igaz. b) ( 13 ) ekkor ( 9 ) - ből: ( 14 ) tehát ( 13 ) fennállása esetén a metszeti görbe egyenespár, melynek egyenesei párhu - zamosak az η - tengellyel. c), azaz: ( 15 ) ekkor: azaz: ( 16 ) ekkor ( 9 ) alakja: ( 17 ) majd a

6 tehát a ( 18 ) új jelölés bevezetésével ( 17 ) így alakul: ( 19 ) Tehát ( 15 ) fennállása esetén a metszeti síkidom a ( 19 ) szerinti hiperbola. Eredményeinket szemlélteti a 6. ábra. 6. ábra Jól látszik, hogy ~ hogyan nyúlik meg és hasad fel a zárt metszeti görbe, a metszősík hajlásának növekedésével; ~ hogyan oszlik 2 tartományra ellipszisekre és hiperbolákra a görbesereg. Itt a kört is az ellipszisek közé soroltuk.

7 A forgásfelület egyenletei esetünkben, ( 1 ) és ( 2 ) - vel: ( 20 / 1 ) ( 20/ 2 ) ( 20 / 3 ) A felület axonometrikus képe a 7. ábrán szemlélhető. 7. ábra forrása: http://www.math.uri.edu/~bkaskosz/flashmo/tools/parsur/ A 7. ábra a ( 20 ) képletekkel, az ( A ) adatokkal, a z t, φ s változó - cserével, vala - mint h = 10 ( cm ) felvételével készült, ahol h a forgástest magassága. Megjegyzések: M1. A metszősík hajlásának szögtartományára a forgásszimmetria miatt elegendő az ( a ) kikötést tenni. M2. A metszősík

8 szerinti helyzete nem a legáltalánosabb. Ez azt eredményezi, hogy a forgáshiperboloid ilyetén síkmetszetei sem a lehető legtöbb fajtájúak. Egy általánosabb ( b ) ( 5 ) felvétel például már parabola - metszetet is adna, ( c ) esetében. Ugyanis megfigyelhetjük, hogy az egyköpenyű forgáshiperboloid síkmetszetei ugyanolyan típusúak, mint aszimptotikus kúpjának metszetei. Az aszimptotikus kúp előáll a meridián - hiperbola aszimptotáinak z - tengely körüli megforgatásával. Ha a hiperbolát megforgatjuk, akkor vele együtt az aszimptotáit is, így e kúp együtt jár a hiperboloidjával. A 8. ábrán a kétféle forgáshiperboloidot szemlélhetjük, az azokat elválasztó aszimptotikus kúppal együtt. 8. ábra forrása: http://www.network-graphics.com/images/math/hyper_parts_m.jpg

9 Az itt ábrázolt két hiperboloid meridián - hiperbolái egymás konjugáltjai, melyek egyenlete ld.: [ 3 ]! : ( d ) míg az aszimptotáké A meridián - hiperbola, illetve az alkotó - egyenes megforgatása után a összefüggéssel is ~ a forgáshiperboloidok egyenlete: ~ az aszimptotikus kúpjuk egyenlete: ( e ) ( f ) ( g ) ( h ) A konjugált hiperbolákat és aszimptotáikat a 9. ábrán ábrázoltuk, a ( d ), ( e ), ( A ) kapcsolatok szerint. 9. ábra

10 A 9. ábrán ábrázolt grafikonok függvényei az ábra jobb felső sarkában olvashatók, esetleges nagyítás után. A 10. ábra segít áttekinteni a lehetséges síkmetszeteket. 10. ábra forrás: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/33/hyperbo-1s-cutall.svg/800px-hyperbo-1s-cut-all.svg.png

11 M3. A metszősík legáltalánosabb alakja: ( i ) Ezt az esetet viszonylag könnyen visszavezethetjük a ( b ) szerintire. Minthogy ( b ) a metszősík esésvonalának egyenlete is, ezért ( i ) - t transzformálnunk kell; vagyis meg kell keresnünk a sík eredeti ( Ox 1 y 1 z ) k. r. - ében azt az ( Oxyz ) tengelyrendszert, melyben a sík egyenlete ( b ) alakú, majd ezzel már dolgozhatunk. Ezt a munkát sem végezzük el itt, csak megemlítjük, hogy az előbb elmondott forgatási transzformációhoz adalékot szolgál - tathat egy korábbi dolgozatunk, melynek címe: Egy kérdés: merre folyik le az esővíz az úttestről? M4. A ( 13 ) szerinti α* szög nem más, mint a hiperbola aszimptotái és valós tengelyük közbezárt szöge 4. ábra. Némiképpen meglepőnek tűnhet, hogy ugyanezt a szöget zárják be a ferde metszés b) esetében a metszeti egyenesek is az Oxy síkra vett vetületükkel. A meglepetés forrása az a tény lehet, hogy amíg az aszimptoták pl. az x tengellyel az xoz síkban, addig a ( 14 ) szerinti metszeti egyenesek és az Oxy síkra vett merőleges vetületük az yoz síkkal párhuzamos síkban zárják be ugyanezt a szöget 11. ábra. 11. ábra M5. Javasoljuk az érdeklődő Olvasónak, hogy végezze el az itt kihagyott metszetgörbe - vizsgálatokat! M6. A ( 7 ) és ( 9 ) egyenletek alakja teljesen hasonló, ami arra a gondolatra / tételre vezet(het), hogy egy másodrendű görbe vetülete ugyanolyan típusú másodrendű görbe.

12 M7. A 10. ábrán talán helytakarékosság miatt nem szerepel a ferde metszés c) esete. M8. Most egy elnevezésekkel kapcsolatos kérdést hozunk szóba. Többször említettük az egyköpenyű forgáshiperboloid kapcsán az alkotó és a meridián - görbe kifejezést is. Mindkettőt jellemzi, hogy azokat egy tengely körül megforgatva előáll a forgásfelület. Az itteni felületnél: ~ az alkotó: egy a forgástengelyhez képest kitérő helyzetű egyenes 12. ábra; ~ a meridángörbe, amit a z - tengely körül forgó félsíkban értelmezünk [ 4 ] : a hiperbola ld. pl.: 3., 4., 5., 7. ábra. 12. ábra forrása:[ 5 ] Amint azt [ 4 ] - ben matematikailag kimutatják, az egyenes alkotó megforgatásával kapott felület implicit egyenlete ugyanaz, mint a hiperbola - meridián megforgatásával kapott ( 4 ) egyenlet. M9. A forgáskúp és az egyköpenyű forgáshiperboloid közeli rokonságát az is szemlélteti, hogy ha a 12. ábrán a z forgástengely és a g alkotó r távolságát a nullához tartatjuk, akkor a forgáshiperboloid tart a forgáskúphoz. Tehát nem a véletlen műve, hogy síkmetszeteik egyforma típusúak. Úgy is fogalmazhatunk, hogy a forgáskúp az egyköpenyű forgáshiper - boloid speciális esete. M10. Közvetlen feladatunkat az 1. ábra jobb oldali részén a vájat síkgörbe tengelyvonala mibenlétének kiderítését elvégeztük, majd ennek kapcsán néhány más összefüggést is megbeszéltünk. Az interneten ( is ) található sok szép, számítógéppel készített szemléltető ábra segítségével ma sokkal könnyebb elképzelni / elképzeltetni a nem is annyira egyszerű térbeli viszonyokat, mint a számítógép - előtti korban. Szerencsére!

13 Források: [ 1 ] I. I. Artoboljevszkij: Mehanizmü v szovremennoj tyehnyike Tom IV., Nauka, Moszkva, 1975., 59. o. [ 2 ] P. Sz. Mogyenov: Analityicseszkaja geometrija Izd. Mosz. Unyiv., Moszkva, 1966., 288 ~ 291. o. [ 3 ] I. N. Bronstejn ~ K. A. Szemengyajev: Matematikai zsebkönyv 2. kiadás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963., 260. o. [ 4 ] Szerk. Gáspár Gyula: Műszaki matematika III. kötet Tankönyvkiadó, Budapest, 1969., 33. o. [ 5 ] Georg Glaeser: Der mathematische Werzeugkasten: Anwendungen in Natur und Technik 4. kiadás, Springer Spektrum Berlin Heidelberg 2014., 156. o. Sződliget, 2017.08. 02. Összeállította: Galgóczi Gyula mérnöktanár