Понятия поверхности и тела вращения. III Вычисление объёмов тел вращения

Тела вращения. Цилиндр, конус, шар Выполнил: Попоудин Кирилл 6 В класс

Начало исследованию объемных тел положил древнегреческий математик Евклид. Главный труд Евклида – «Начала» (лат. Elementa) - посвящен построению геометрии и состоит из 13-ти книг, к которым присоединяют две книги о пяти правильных многогранниках.

Шар Шар - это пространственная фигура. Поверхность шара называют сферой. Слово «Сфера» произошло от греческого слова «Сфайра» которое переводится как «Мяч». Сфера – это оболочка шара. Сфера обладает очень интересным свойством - все её точки одинаково удалены от центра шара. Отрезок, соединяющий любую точку сферы с центром шара, называется радиусом шара. Отрезок, соединяющий две точки сферы и проходящий через центр шара, называется диаметром шара. Диаметр шара равен двум радиусам. Шар – это тело, состоящее из всех точек пространства, которые находятся на расстоянии, не большем данного от данной точки. Эта точка называется центром шара, а данное расстояние – радиусом шара.

Свойства шара Шар является телом вращения, так же как конус и цилиндр. Шар получается при вращении полукруга вокруг его диаметра как оси. Всякое сечение шара плоскостью есть круг. Радиус сечения тем больше, чем ближе секущая плоскости к центру шара. Наибольший радиус имеет сечение плоскостью, проходящей через центр шара. Радиус этого круга равен радиусу шара. Плоскость, проходящая через центр шара, называется диаметральной плоскостью. Сечение шара диаметральной плоскостью, называется большим кругом, а сечение сферы – большой окружностью. Площадь поверхности шара можно найти по формулам: S = 4 πr2 S = πd2, Объём шара находится по формуле: V = 4 / 3 πr3, где r – радиус шара, d – диаметр шара.

Шар - это наиболее знакомая вам геометрическая фигура. Мяч, глобус- это сфера, а вот арбуз, апельсин. Солнце, Луна, Земля и остальные планеты имеют форму немного сплющенного шара. Примеры предметов имеющих форму шара.

Цилиндр Цилиндр – является телом вращения, так же как конус и шар, это пространственная или объёмная фигура, которая получается при вращении прямоугольника вокруг его стороны. Полученная цилиндрическая поверхность называется боковой поверхностью цилиндра, а круги – основаниями цилиндра. Слово «Цилиндр» произошло от греческого слова «Кюлиндрос», означающего «Валик», «Каток». Высота цилиндра - это расстояние между основаниями, радиус цилиндра - радиус круга, является основанием цилиндра.

Свойства цилиндра Сечение цилиндра плоскостью, проходящей через ось цилиндра, называется осевым сечением. Сечение цилиндра, параллельные его оси, являются прямоугольниками. Сечение цилиндра плоскостью, параллельной основаниям – круг, равный основаниям. Основания цилиндра равны и лежат в параллельных плоскостях. Образующие цилиндра равны и параллельны. Площадь поверхности цилиндра. Боковая поверхность цилиндра составлена из образующих. Полная поверхность цилиндра состоит из оснований и боковой поверхности. Sполн = 2Sосн + Sбок; Sосн = π ∙R2; Sбок = 2 π ∙R∙Н Sполн = 2 π R∙(R + Н)

На рубеже 18-19 веков мужчины многих стран носили твёрдые шляпы с небольшими полями, которые так и назывались цилиндрами из-за большого сходства с геометрической фигурой цилиндром. Примеры предметов имеющих форму шара.

Конус Круговой конус - это тело, состоящее из круга (основание конуса), точки, которая не лежит в плоскости этого круга (вершина конуса) и всех отрезков, которые соединяют вершину конуса с точками основания. Конус, как шар и цилиндр, является пространственной фигурой. Конус, в отличие от цилиндра, имеет вершину. Слово «Конус» произошло от греческого слова «Конос» означающего сосновую шишку. Элементы конуса Виды конусов Прямой и косой круговой конусы с равным основанием и высотой. Эти конусы имеют равный объём.

Свойства конуса Сечение конуса плоскостью, который проходит через вершину конуса – это равнобедренный треугольник, боковые стороны этого треугольника являются образующими конуса. Плоскость, которая параллельна основанию конуса и которая пересекает конус, отсекает от него конус меньшего размера. Оставшаяся часть является усеченным конусом. Когда основание конуса является многоугольником – это уже пирамида. Площадь боковой поверхности конуса определяют с помощью формулы: S= π R·l , Полная площадь поверхности конуса (то есть сумма площадей боковой поверхности и основания) определяют с помощью формулы: S= π R(l+R), где R - радиус основания конуса, l - длина образующей.

Предметы имеющие форму конуса. Воронка Дорожные конусы Остриё иглы Суховская башня Абажур в виде усеченного конуса Коническая крыша

Цилиндром (точнее, круговым цилиндром) называется тело, которое состоит из двух кругов, совмещаемых параллельным переносом, и всех отрезков, соединяющих соответствующие точки этих кругов. Круги называются основаниями

цилиндра, а отрезки, соединяющие соответствующие точки окружностей кругов, - образующими цилиндра. На рисунке 156 изображен цилиндр. Круги с центрами О и являются его основаниями, его образующие.

Можно доказать, что основания цилиндра равны и лежат в параллельных плоскостях, что у цилиндра образующие - параллельны и равны. Поверхность цилиндра состоит из оснований и боковой поверхности. Боковая поверхность составлена из образующих.

Цилиндр называется прямым, если его образующие перпендикулярны плоскостям оснований. На рисунке 155, б изображен наклонный цилиндр, а на рисунке 155, а - прямой.

В дальнейшем мы будем рассматривать только прямой цилиндр, называя его для краткости просто цилиндром. Его можно рассматривать как тело, полученное при вращении прямоугольника вокруг одной из сторон как оси (рис. 156).

Радиусом цилиндра называется радиус его основания. Высотой цилиндра назаывается расстояние между плоскостями оснований. Осью цилиндра называется прямая, проходящая через центры оснований. Она параллельна образующим. Сечение цилиндра плоскостью, проходящей через ось цилиндра, называется осевым сечением. Плоскость, проходящая через образующую прямого цилиндра и перпендикулярная осевому сечению, проведенному через эту образующую, называется касательной плоскостью цилиндра.

На рисунке 157 сечение проходит через ось цилиндра ОО и т. е. является осевым сечением.

Плоскость, перпендикулярная оси цилиндра» пересекает его боковую поверхность по окружности, равной окружности основания.

Призмой, вписанной в цилиндр, называется такая призма, основания которой - равные многоугольники, вписанные в основания цилиндра. Ее боковые ребра являются образующими цилиндра. Призма называется описанной около цилиндра, если ее основания - равные многоугольники, описанные около оснований цилиндра. Плоскости ее граней касаются боковой поверхности цилиндра.

На рисунке 158 изображена призма вписанная в цилиндр. На рисунке 159 призма описана около цилиндра.

Пример. В цилиндр вписать правильную четырехугольную призму.

Решение. 1) Впишем в основание цилиндра квадрат ABCD (рис. 158).

2) Проведем образующие

3) Через соседние пары этих образующих проведем плоскости, которые пересекают верхнее основание по хордам

4) Призма искомая (по определениям правильной и вписанной призмы).

53. Конус.

Конусом (точнее, круговым конусом) называется тело, которое состоит из круга - основания конуса, точки, не лежащей в плоскости этого круга, - вершины конуса и всех отрезков, соединяющих вершину конуса с точками основания. Отрезки, соединяющие вершину конуса с точками окружности основания, называются образующими конуса. Поверхность конуса состоит из основания и боковой поверхности. На рисунке 160, а изображен круговой конус. S - вершина конуса, круг с центром в точке О - основание конуса, SA, SB и SC - образующие конуса.

Конус называется прямым, если прямая, соединяющая вершину конуса с центром основания, перпендикулярна плоскости основания. На рисунке 160, б изображен наклонный конус, а на рисунке 160, а - прямой. В дальнейшем мы будем рассматривать только прямой конус, называя его для краткости просто конусом. Прямой круговой конус можно рассматривать как тело, полученное при вращении прямоугольного треугольника вокруг его катета как оси (рис. 161).

Высотой конуса называется перпендикуляр, опущенный из его вершины на плоскость основания. У прямого конуса основание высоты совпадает с центром основания. Осью прямого конуса называется прямая, содержащая его высоту.

Сечение конуса плоскостью, проходящей через его ось, называется осевым сечением. Плоскость, проходящая через образующую конуса и перпендикулярная осевому сечению, проведенному через эту образующую, называется касательной плоскостью конуса.

На рисунке 162 изображено сечение конуса, проходящее через его ось - осевое сечение конуса.

Плоскость, перпендикулярная оси конуса, пересекает конус по кругу, а боковую поверхность - по окружности с центром на оси конуса.

Плоскость, перпендикулярная осн конуса, отсекает от него меньший конус. Оставшаяся часть называется усеченным конусом (рис. 163).

Пирамидой, вписанной в конус, называется такая пирамида, основание которой есть многоугольник, вписанный в окружность основания конуса, а вершиной является вершина конуса. Боковые ребра пирамиды, вписанной в конус, являются образующими конуса. Пирамида называется описанной около конуса, если ее основанием является многоугольник, описанный около основания конуса, а вершина совпадает с вершиной конуса. Плоскости боковых граней описанной пирамиды являются касательными плоскостями конуса.

На рисунке 164 изображена пирамида, вписанная в конус, а на рисунке 165 изображен конус, вписанный в пирамиду, т. е. пирамида, описанная около конуса.

54. Шар.

Шаром называется тело, которое состоит из всех точек пространства, находящихся на расстоянии, не большем

данного, от данной точки. Эта точка называется центром шара, а данное расстояние - радиусом шара. На рисунке 166 изображен шар с центром в точке радиусом В. Заметим, что точки принадлежат данному шару. Граница шара называется шаровой поверхностью или сферой. На рисунке 166 точки А, В и D принадлежат сфере, а, например, точка М ей не принадлежит. Таким образом, точками сфер» являются все точки шара, которые удалены от центра на расстояние, равное радиусу. Любой отрезок, соединяющий центр шара о точкой шаровой поверхности также называется радиусом. Отрезок, соединяющий две течки шаровой поверхности и проходящий через центр шара, называется диаметром. Концы любого диаметра называются диаметрально противоположными точками шара.

Шар, так же, как цилиндр и конус, является телом вращения. Он получается при вращении полукруга вокруг его два метра как оси (рис. 167).

Всякое сечение шара плоскостью есть круг. Центр этого круга есть основание перпендикуляра, опущенного из центра шара на секущую плоскость.

Если шар с центром О и радиусом R пересечен плоскостью то в сечении по Т. 3.5 получается круг радиуса . центром К. Радиус сечения шара плоскостью можно вычислить по формуле

Из формулы видно, что плоскости, равноудаленные от центра, пересекают шар равным кругам. Радкус сечения тем] больше, чем ближе секущая плоскость к центру шара, т. е.чем меньше расстояние ОК. Наибольший радиус имеет сечение плоскостью, проходящей через центр шара. Радиус этого» круга равен радиусу шара.

Плоскость, проходящая через центр шара, называется диаметральной плоскостью. Сечение шара диаметральной плоскостью называется большим кругом, а сечение сферы - большой окружностью. На рисунке 168 плоскость а является диаметральной плоскостью, круг радиуса К является большим кругом шара, а соответствующая окружность - большой окружностью.

Любая диаметральная плоскость шара является его плоскостью симметрии. Центр шара является его центром симметрии.

Плоскость, проходящая через точку А шаровой поверхности и перпендикулярная радиусу, проведенному в точку А, называется касательной плоскостью. Точка А называется точкой касания (рис. 169).

Касательная плоскость имеет с шаром только одну общую точку - точку касания.

Прямая, проходящая через точку А шаровой поверхности перпендикулярно к радиусу, проведенному в эту точку, называется касательной (рис. 169).

Через любую точку шаровой поверхности проходит бесконечно много касательных, причем все они лежат в касательной плоскости шара.

Шаровым сегментом называется часть шара, отсекаемая от него плоскостью. Шаровым слоем называется часть шара, расположенная

между двумя параллельными плоскостями, пересекающими шар (рис. 170).

Шаровой сектор получается из шарового сегмента и коиуса следующим образом. Если шаровой сегмент меньше полушара, то шаровой сегмент дополняется конусом, у которого вершина в центре шара, а основанием является основание сегмента. Если же сегмент больше полушара, то указанный конус из него удаляется (рис. 171).

Цилиндр

Цилиндром называется тело, которое состоит из двух кругов, не лежащих в одной плоскости и совмещаемых параллельным переносом, и всех отрезков, соединяющих соответствующие точки этих кругов.

Круги называются основаниями цилиндра, а отрезки, соединяющими цилиндра.

Так как параллельный перенос есть движение, то основания цилиндра равны.

Так как при параллельном переносе плоскость переходит в параллельную плоскость (или в себя), то у цилиндра основания лежат в параллельных плоскостях. Так как при параллельном переносе точки смещаются по параллельным (или совпадающим) прямым на одно и то же расстояние, то у цилиндра образующие параллельны и равны.

Поверхность цилиндра состоит из оснований и боковой поверхности. Боковая поверхность составлена из образующих.

Цилиндр называется прямым, если его образующие перпендикулярны плоскостям основания.

Радиусом цилиндра называется радиус его основания. Высотой цилиндра называется расстояние между плоскостями его оснований. Осью цилиндра называется прямая, проходящая через центры оснований. Она параллельна образующим.

Конус

Конусом называется тело, которое состоит из круга – основания конуса, точки, не лежащей в плоскости этого круга, – вершины конуса и всех отрезков, соединяющих вершину конуса с точками основания.

Отрезки, соединяющие вершину конуса с точьками окружности основания, называются образующими конуса. Поверхность конуса состоит из основания и боковой поверхности.

Конус называется прямым, если прямая, соединяющая вершину конуса с центром основания.

Высотой конуса называется перпендикуляр, опущенный из его вершины на плоскость основания. У прямого конуса основание высоты совпадает с центром основания. Осью прямого кругового конуса называется прямая, содержащая его высоту

Шаром называется тело, которое состоит из всех точек пространства, находящихся на расстоянии, не большем данного, от данной точки. Эта точка называется центром шара, а данное расстояние радиусом шара.

Граница шара называется шаровой поверхностью, или сферой.

Таким образом, точками сферы являются все точки шара, которые удалены от центра на расстояние, равное радиусу. Любой отрезок, соединяющий центр шара с точкой шаровой поверхности, также называется радиусом.

Отрезок, соединяющий две точки шаровой поверхности и проходящий через центр шара, называется диаметром. Концы любого диаметра называются диаметрально противоположными точками шара.

Шар, так же как цилиндр и конус, является телом вращения. Он получается при вращении полукруга вокруг его диаметра как оси.

Призма называется вписанной в цилиндр, если основание её равные многоугольники, вписанные в основание цилиндра, а боковые рёбра являются образующими цилиндра.

Призма называется описанной около цилиндра, если осно­вание её – это многоугольники описанные около основания цилиндра, а боковые грани касаются цилиндра.

Шаровой или сферической поверхностью называется геометрическое место точек пространст­ва, удаленных от данной точки О (центра) на заданное расстоя­ние R (радиус). Все пространство по отношению к данной ша­ровой поверхности разбивается на внут­реннюю область (куда можно присоеди­нить и точки самой поверхности) и внешнюю. Первая из этих областей назы­вается шаром. Итак, шар - геометрическое место всех точек, удаленных от заданной точки О (центра) на расстоя­ние, не превышающее данной величины R (радиуса). Шаровая поверхность яв­ляется границей, отделяющей шар от ок­ружающего пространства.

Шаровую поверхность и шар можно получить также, вращая окружность (круг) вокруг одного из диаметров.

Рассмотрим окружность с центром О и радиусом R (рис. 1), лежащую в плоско­сти Я. Будем вращать ее вокруг диаметра АВ. Тогда каждая из точек окружности, например М, в свою оче­редь опишет при вращении окружность, имеющую своим центром точку М 0 -проекцию вращающейся точки М на ось враще­ния АВ. Плоскость этой окружности перпендикулярна к оси вращения. Радиус ОМ, ведущий из центра исходной окружности в точку М, будет сохранять свою величину во все время вра­щения, и потому точка М все время будет находиться на сфе­рической поверхности с центром О и радиусом R. Шаровая поверхность может быть получена вращением окружности вокруг любого из ее диаметров.

Сам шар как тело получается вращением круга; ясно, что для получения всего шара достаточно вращать полукруг около ограничивающего его диаметра.

Телами вращения называют тела, ограниченные либо поверхностью вращения, либо поверхностью вращения и плоскостью (рисунок 134). Под поверхностью вращения понимают поверхность, полученную от вращения какой-либо линии (ABCDE ), плоской или пространственной, называемой образующей, вокруг неподвижной прямой (i ) - оси вращения .

Рисунок 134

Любая точка образующей поверхности вращения описывает окружность, расположенную в плоскости, перпендикулярной к оси вращения – параллель , следовательно, плоскость, перпендикулярная к оси вращения, всегда пересекается с поверхностью вращения по окружности. Наибольшая параллель - экватор . Наименьшая параллель - горло (горловина).

Плоскости, проходящие через ось вращения, называют меридиональными плоскостями .

На комплексном чертеже изображение тел вращения выполняется посредством изображения ребер оснований и линий очерков поверхности.

Линии пересечения меридиональных плоскостей с поверхностью называют меридианами .

Меридиональная плоскость, параллельная плоскости проекций, называется главной меридиональной плоскостью . Линия ее пересечения с поверхностью - главный меридиан .

Прямой круговой цилиндр. Прямым круговым цилиндром (рисунок 135) называют тело, ограниченное цилиндрической поверхностью вращения и двумя кругами - основаниями цилиндра, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к оси цилиндра.Цилиндрической поверхностью вращения называется поверхность, полученная при вращении прямолинейной образующейAA 1 вокруг параллельной ей неподвижной прямой -i (ось вращения). Размерами, характеризующими прямой круговой цилиндр, являются его диаметрDц и высотаl (расстояние между основаниями цилиндра).

Рисунок 135

Прямой круговой цилиндр можно также рассматривать как тело, полученное при вращении какого-либо прямоугольника ABCD вокруг одной из его сторон, например, ВС (рисунок 136). Сторона ВС является осью вращения, а сторона AD - образующей цилиндра. Две другие стороны обозначат основания цилиндра.

Рисунок 136

Прямоугольника АВ и CD при вращении образуют круги - основания цилиндра.

Построение проекций цилиндра.

Построение горизонтальной и фронтальной проекций цилиндра начинают с изображения основания цилиндра, т. е. двух проекций окружности (см. рисунок 135, б). Так как окружность расположена на плоскости Н , то она проецируется на эту плоскость без искажения. Фронтальная проекция окружности представляет собой отрезок горизонтальной прямой линии, равный диаметру окружности основания.

После построения основания на фронтальной проекции проводят две очерковые образующие (крайние образующие) и на них откладывают высоту цилиндра. Проводят отрезок горизонтальной прямой, который является фронтальной проекцией верхнего основания цилиндра (рисунок 135, в).

Определение недостающих проекций точек А и В, расположенных на поверхности цилиндра, по заданным фронтальным проекциям в данном случае затруднений не вызывает, так как вся горизонтальная проекция боковой поверхности цилиндра представляет собой окружность (рисунок 137, а). Следовательно, горизонтальные проекции точек А и В можно найти, проводя из данных точек A"" и B"" вертикальные линии связи до их пересечения с окружностью в искомых точках A" и B".

Профильные проекции точек А и В строят также при помощи вертикальных и горизонтальных линий связи.

Изометрическую проекцию цилиндра вычерчивают, как показано на рисунок 137, б.

В изометрии точки А и В строят по их координатам. Например, для построения точки В от начала координат О по оси x откладывают координату ∆x , а затем через ее конец проводят прямую, параллельную оси у , до пересечения с контуром основания в точке 2 . Из этой точки параллельно оси z проводят прямую, на которой откладывают координату Z B , точки В .

Рисунок 137

Прямой круговой конус . Прямым круговым конусом (рисунок 138) называют тело, ограниченное конической поверхностью вращения и кругом, расположенным в плоскости, перпендикулярной к оси конуса.Коническая поверхность получается при вращении прямолинейной образующейSA (рисунок 138, а), проходящей через неподвижную точкуS на оси вращенияi и составляющей с этой осью некоторый постоянный угол. ТочкаS называетсявершиной конуса , а коническая поверхность - боковой поверхностью конуса. Размер прямого кругового конуса характеризуют диаметр его основанияD K и высотаН .

Рисунок 138

Прямой круговой конус можно также рассматривать как тело, полученное при вращении прямоугольного треугольника SAB вокруг его катета SB (рисунок 139). При таком вращении гипотенуза описывает коническую поверхность, а катет АВ - круг, т. е. основание конуса.

Рисунок 139

Построение проекций конуса.

Последовательность построения двух проекций конуса показана на рисунке 167, б и в. Сначала строят две проекции основания. Горизонтальная проекция основания - окружность. Фронтальной проекцией будет отрезок горизонтальной прямой, равный диаметру этой окружности (рисунок 138, б). На фронтальной проекции из середины основания восставляют перпендикуляр, и на нем откладывают высоту конуса (рисунок 138, в). Полученную фронтальную проекцию вершины конуса соединяют прямыми с концами фронтальной проекции основания и получают фронтальную проекцию конуса.

Построение точек на поверхности конуса

Если на поверхности конуса задана одна проекция точки А (например, фронтальная проекция на рисунке 140), то две другие проекции этой точки определяют с помощью вспомогательных линий - образующей, расположенной на поверхности конуса и проведенной через точку А , или окружности, расположенной в плоскости, параллельной основанию конуса.

Рисунок 140

В первом случае (рисунок 140, а) через точку A проводят фронтальную проекцию 1""S"" вспомогательной образующей. Пользуясь вертикальной линией связи, проведенной из точки 1 , расположенной на фронтальной проекции окружности основания, находят горизонтальную проекцию 1" этой образующей, на которой при помощи линии связи, проходящей через A" , находят искомую точку A .

Во втором случае (рисунок 140, б) вспомогательной линией, проходящей через точку А , будет окружность, расположенная на конической поверхности и параллельная плоскости Н - параллель. Фронтальная проекция этой окружности изображается в виде отрезка 1""1"" горизонтальной прямой, величина которого равна диаметру вспомогательной окружности. Искомая горизонтальная проекция A" точки А находится на пересечении линии связи, опущенной из точки A" , с горизонтальной проекцией вспомогательной окружности.

Если заданная фронтальная проекция 1"" точки 1 расположена на контурной (очерковой) образующей, то горизонтальная проекция точки находится без вспомогательных линий.

В изометрической проекции точку А , находящуюся на поверхности конуса, строят по трем координатам (см. рисунок 140, в):  X ,  Y и Z А О по оси х отложена координата  X  Y z Z А А .

Шар. Шаром (рисунок 141) называют тело, полученное при вращении полукругаABC (образующая) вокруг его диаметраАС (ось вращения), а поверхность, которую при этом описывает дугаABC , называется шаровой или сферической. Шар относится к телам, ограниченным только поверхностью вращения.

Рисунок 141

Шаровая (сферическая) поверхность является геометрическим местом точек, равноудаленных от одной точки О , называемой центром шара . Если шар рассечь горизонтальными плоскостями, то в сечении получатся окружности – параллели . Наибольшая из параллелей имеет диаметр равный диаметру шара. Такая окружность называется экватором . Окружности же, получаемые в результате сечений шара плоскостями, проходящими через его ось вращения, называются меридианами .

Построение проекций шара и точек на его поверхности

Проекции шара приведены на рисунке 142, а. Горизонтальная и фронтальная проекции - окружности радиуса, равного радиусу сферы.

Рисунок 142

Если точка А расположена на сферической поверхности, то вспомогательная линия 1"" 2"" , проведенная через эту точку параллельно оси Ох (параллель), проецируется на горизонтальную плоскость проекций окружностью. На горизонтальной проекции вспомогательной окружности находят с помощью линии связи искомую горизонтальную проекцию A" точки А .

Величина диаметра вспомогательной окружности равна фронтальной проекции 1""2"" .

Аксонометрическое изображение сферы (шара) выполняется в виде окружности (рисунок 142 б), радиус которой геометрически определяется как расстояние от центра сферы до проекции экватора (эллипса) вдоль большей ее оси (перпендикулярной Oz ).

В аксонометрической проекции точку А , находящуюся на поверхности шара, строят по трем координатам: X А , Y А и Z А . Эти координаты последовательно откладывают по направлениям, параллельным изометрическим осям. В рассматриваемом примере от точки О по оси х отложена координата X А ; из конца ее параллельно оси у проведена прямая, на которой отложена координата Y А ; из конца отрезка, параллельно оси z проведена прямая, на которой отложена координата Z А . В результате построений получим искомую точку А .

Тор – тело (рисунок 143), образованное вращением окружности или ее дуги вокруг оси, расположенной в одной с ней плоскости но не проходящей через центр окружности или ее дуги.

Рисунок 143

Если ось вращения не пересекает образующую окружность, то тор называют кольцом (открытый тор) (рисунок 143, а). Если же ось вращения пересекает образующую окружность, то получается торовая поверхность бочкообразном формы (закрытый тор или пересекающийся тор) (рисунок 143, б). В последнем случае образующей торовой поверхности является дуга ABC окружности.

Наибольшую из окружностей, которые описывают точки образующей торовой поверхности, называют экватором , а наименьшую - горлом , или горловиной.

Построение проекций тора

Круговое кольцо (или открытый тор) имеет горизонтальную проекцию в виде двух концентрических окружностей, разность радиусов которых равна толщине кольца или диаметру образующей окружности (рисунок 145). Фронтальная проекция ограничивается справа и слева дугами полуокружностей диаметра образующей окружности.

На рисунке 144, а и б приведены два вида закрытого тора. В первом случае образующая дуга окружности радиуса R отстоит от оси вращения на расстоянии меньше радиуса R , а во втором случае - больше. В обоих случаях фронтальные проекции тора представляют собой действительный вид двух образующих дуг окружности радиуса R , расположенных симметрично по отношению к фронтальной проекции оси вращения. Профильными проекциями тора будут окружности.

Рисунок 144

Построение точек на поверхности тора

В случае, когда точка А лежит на поверхности кругового кольца и дана одна ее проекция, для нахождения второй проекции этой точки применяется вспомогательная окружность, проходящая через данную точку А и расположенная на поверхности кольца в плоскости, перпендикулярной оси кольца (рисунок 145).

Если задана фронтальная проекция A"" точки А , лежащей на поверхности кольца, то для нахождения ее второй проекции (в данном случае - горизонтальной) через A" проводят фронтальную проекцию вспомогательной окружности - отрезок горизонтальной прямой линии 2""2"" . Затем строят горизонтальную проекцию 2"2" этой окружности и на ней, применяя линию связи, находят точку A" .

Если задана горизонтальная проекция B" точки B , расположенной на поверхности этого кольца, то для нахождения фронтальной проекции этой точки через 1" проводят горизонтальную проекцию вспомогательной окружности радиуса R 1 . Затем через левую и правую точки 1" и 1" этой окружности проводят вертикальные линии связи до пересечения с фронтальными проекциями очерковой образующей окружности радиуса R и получают точки 1"" и 1"" . Эти точки соединяют горизонтальной прямой, которая представляет собой фронтальную проекцию вспомогательной окружности (она будет видима). Проводя вертикальную линию связи из точки B" до пересечения с прямой 1""1"" получаем искомую точку B"" .

Такие же приемы построения применимы и для точек, находящихся на поверхности тора.

Рисунок 145

Построение аксонометрического изображения тора можно разделит на три этапа (рисунок 146). Сначала строится в виде эллипса проекция радиальной осевой линии (траектория движения центра образующей окружности). Затем определяем радиус сферы, касающейся тора по образующей (окружности). Для этого строим в виде меньшего эллипса проекцию фронтальной очерковой образующей тора. Радиус сферы определим как длину отрезка О 1 F от центра эллипса до точки на этом эллипсе, лежащей на большой оси эллипса (перпендикулярной Oy ). Далее строим большое количество окружностей радиусом R сферы с центрами на проекции радиальной осевой тора О 1 … О n (чем больше, тем точнее контур будущего тора). В завершение проводим линию контура тора как линию, касающуюся каждой окружности сферы.

Рисунок 146

В аксонометрической проекции точку А , находящуюся на поверхности тора, строят по трем координатам: X А , Y А и Z А . Эти координаты последовательно откладывают по направлениям, параллельным изометрическим осям.

Главная особенность всех упомянутых тел - наличие оси вращения, которая является осью симметрии тела. Если совместить оси вращения двух разных тел, то также получится некая осесимметричная конструкция, все сечения которой плоскостью, проходящей через эту ось, будут одинаковыми. Это позволяет быстро и легко переходить от задачи по стереометрии к рассмотрению плоского сечения.

Поэтому в школьных учебниках, а также в заданиях ЕГЭ по математике часто встречаются задачи на вписанные и описанные тела вращения. Решим несколько примеров.

Могут потребоваться следующие формулы:

Объем цилиндра V = πr 2 h ;

Площадь боковой поверхности цилиндра S б = 2πrh ;
площадь полной поверхности цилиндра S п = 2πrh + 2πr 2 ,
где r - радиус основания цилиндра, h - его высота.

Объем конуса V = 1 _ 3 πr 2 h ;

Площадь боковой поверхности конуса S б = πrl ;
площадь полной поверхности конуса S п = πr(r + l) ,
где r - радиус основания конуса, l - длина образующей.

Объём шара V = 4 _ 3 πR 3 ;

Площадь сферы (поверхности шара) S = 4πR 2 ,
где R - радиус шара (сферы).

Задачи на тела вращения

Внимание: задачи с решениями, но они временно скрыты. Сначала сделайте попытку решить задачу самостоятельно, и только после этого нажимайте кнопки "Посмотреть ответ" и "Посмотреть решение". Ваш ответ должен совпадать с указанным, но способ решения может быть несколько иным.

Задача 1

Цилиндр, объём которого равен 33, описан около шара. Найдите объём шара.

Как видно из рисунков выше, осевое сечение цилиндра с вписанным шаром представляет собой квадрат с вписанным кругом. Радиус основания цилиндра (r R ), а его высота (h
Тогда объем цилиндра V ц = πr 2 h = πR 2 ·2R = 2πR 3 .

Отсюда находим R 3 = V ц ___ 2π и, соответственно, V ш = 4 _ 3 πR 3 = 4π __ 3 ·V ц __ 2π

После сокращения дроби, получим V ш = 2V ц / 3 = 2·33/ 3 = 22.

Ответ: 22

Показать ответ

Задача 2

Шар вписан в цилиндр. Площадь поверхности шара равна 111. Найдите площадь полной поверхности цилиндра.

Площадь полной поверхности цилиндра находим по формуле S ц = 2πrh + 2πr 2 .
Аналогично предыдущей задаче из рисунка для плоского сечения видно, что радиус основания цилиндра (r ) равен радиусу вписанного шара (R ), а его высота (h ) равна диаметру шара (удвоенному радиусу).
Поэтому S ц = 2πR ·2R + 2πR 2 = 6πR 2 .
Величину πR 2 найдем из формулы поверхности шара S ш = 4πR 2 . Следовательно, πR 2 = S ш / 4 = 111/4.
Окончательно находим S ц = 6·111/ 4 = 333/2 = 166,5 .

Ответ: 166,5

Показать ответ

Задача 3

Цилиндр вписан в шар, радиус которого равен √2_ . Найти объём цилиндра, если высота цилиндра в два раза больше радиуса цилиндра. Ответ записать в виде десятичной дроби с точностью до 0,01.

Объём цилиндра определяется по формуле V = πr 2 h .
По условию задачи h = 2r .
Чтобы найти радиус цилиндра, дополнили чертеж осевого сечения радиусом шара и расставили буквы для обозначения отрезков. Здесь O - центр шара, OB = R - радиус шара, AB = r - радиус цилиндра.
Точка O также является серединой высоты цилиндра, поэтому AO = h /2. В нашем случае h /2 = r , таким образом AO = AB = r , и треугольник OAB - прямоугольный, равнобедренный.

Следовательно AB __ OB = r _ R = sin45°

Отсюда находим радиус цилиндра r = R ·sin45° = R ·√2_ /2 = √2_ ·√2_ /2 = 1

И его объём V = πr 2 h = π·1 2 ·2 = 2π ≈ 6,28 .

Ответ: 6,28

Показать ответ

Задача 4

В шар, площадь поверхности которого равна 100π, вписан цилиндр. Найти высоту цилиндра, если радиус его основания равен 4.

Дополним чертеж осевого сечения радиусом шара и расставим буквы для обозначения отрезков.
Площадь поверхности шара S ш = 4πR 2 = 100π. Отсюда R 2 = 25 и R = 5.
В треугольнике OAB : OA = x - половина искомой высоты цилиндра; AB = 4 - радиус основания цилиндра; OB = 5 - радиус шара.
По теореме Пифагора:
x 2 + 4 2 = 5 2
x 2 = 25 − 16 = 9; x = 3. h = 6.

Ответ: 6

Показать ответ

Задача 5

Конус вписан в цилиндр. Вычислите объём цилиндра, если объём конуса равен 5.

Как видно из рисунков вверху, в этом случае конус и цилиндр имеют общее основание и общую высоту.

При одинаковых r и h объём конуса V к = 1 _ 3 πr 2 h

В три раза меньше объёма цилиндра V ц = πr 2 h .
Таким образом, искомая величина V ц = 3×5 = 15.

Ответ: 15

Показать ответ

Задача 6

Цилиндр и конус имеют общие основание и высоту. Высота цилиндра равна радиусу основания. Площадь боковой поверхности цилиндра равна 3√2_ . Найдите площадь боковой поверхности конуса.

AC = h - высота конуса и цилиндра, CB = r - радиус оснований конуса и цилиндра, AB = l - образующая цилиндра.
Из треугольника ABC по теореме Пифагора:

AB 2 = AC 2 + CB 2 ==> l 2 = h 2 + r 2
По условию задачи h = r , следовательно

l 2 = r 2 + r 2 ; l 2 = 2r 2 ; l = √2_ ·r .
Площадь боковой поверхности цилиндра S ц = 2πrh = 2πr 2 ;

Площадь боковой поверхности конуса S к = πrl = πr ·√2_ ·r = √2_ π r 2 ;

S ц ___ S к = 2πr 2 ______ √2_ πr 2 = √2_ ,

Т.е. площадь боковой поверхности цилиндра в √2_ раз больше площади боковой поверхности конуса.
Окончательно S к = 3√2_ / √2_ = 3

Ответ: 3

Показать ответ

Задача 7

В конус вписан цилиндр так, что его верхнее основание пересекает высоту конуса в её середине. Найдите объём конуса, если объем цилиндра равен 60.

Воспользуемся чертежом осевого сечения, расставим буквы для обозначения отрезков:
AC = h к - высота конуса, CB = r к - радиус основания конуса,
DC = h ц - высота цилиндра, DE = r ц - радиус основания цилиндра.
Найдём отношение объёмов конуса и цилиндра:

Объем конуса V к = 1 _ 3 πr к 2 h к , объем цилиндра V ц = πr ц 2 h ц ,

Следовательно V к: V ц = r к 2 h к: 3r ц 2 h ц

По условию задачи точка D - середина отрезка AC , т.е. AD = DC = AC / 2 , и потому h к: h ц = 2: 1 .

Треугольники ADE и ACB подобны по двум углам: ∠ADE и ∠ACB - прямые, ∠EAD (∠BAC ) - общий.
Поэтому CB : DE = AC : AD , т.е. r к: r ц = h к: h ц = 2: 1.
Подставляем полученные отношения в пропорцию V к: V ц = (2 2 ·2) : (3·1 2 ·1) = 8: 3
Отсюда V к = V ц ·8/3 = 60·8/3 = 160.

Ответ: 160

Показать ответ

Задача 8

В конус с высотой 15 и радиусом основания 3 вписан цилиндр объёма V . Найти наибольшее возможное значение объёма цилиндра.

В один и тот же конус можно вписать разные цилиндры. Обозначим символом r радиус вписанного цилиндра, h - его высоту.
Из подобия треугольников ADE и ABC (см. решение предыдущей задачи) составим пропорцию
AC : AD = CB : DE ,
15: (15 − h ) = 3: r ,
преобразуя которую, найдём соотношение между высотой и радиусом цилиндра, вписанного в заданный конус:
15· r = 3·(15 − h ), h = 15 − 5r .

Теперь можем выразить объём цилиндра только через один его характерный размер:
V = πr 2 h = πr 2 ·(15 − 5r ) = 15πr 2 − 5r 3 .
Получили выражение для объёма цилиндра в виде функции одной переменной V = f (r ) .
Чтобы найти максимальное значение этой функции, нужно найти её производную.
V" = (15πr 2 − 5r 3)" = 15π·2r − 5·3r 2 = 30πr − 15r 2 .
Затем приравнять производную к нулю и решить уравнение V" = 0 относительно переменной r .
30πr − 15πr 2 = 0, 15πr (2 − r ) = 0 .
Это уравнение имеет два корня r 1 = 0 и r 2 = 2, которые являются точками экстремумов функции V (r ). Необходимости проводить исследование на характер экстремумов в данном случае нет, так как очевидно, что при r = 0 объем "цилиндра" будет нулевым, т.е. минимальным. Максимального значения объём достигает при r = 2. Вычислим это значение
V = 15πr 2 − 5r 3 = 15π·2 2 − 5π·2 3 = 60π − 40π = 20π .

Ответ: 20π

Показать ответ

Задача 9

Около конуса описана сфера (сфера содержит окружность основания конуса и его вершину). Центр сферы находится в центре основания конуса. Образующая конуса равна 7√2_ . Найдите радиус сферы.

Так как по условию задачи центр сферы находится в центре основания конуса, то основание конуса, в свою очередь, является диаметральным сечением сферы. Т.о. на плоском чертеже отрезок AB является диаметром окружности, и ∠ACB = 90° как вписанный угол, опирающийся на её диаметр.
Пусть l = 7√2_ - образующая конуса, R - радиус сферы. Тогда в прямоугольном треугольнике ABC AC = BC = l - катеты, AB = 2R - гипотенуза. По теореме Пифагора
AB 2 = AC 2 + BC 2 ;
(2R ) 2 = l 2 + l 2 ;
4R 2 = l 2 + l 2 = 2l 2 ; 4R 2 = 2(7√2_ ) 2 ;
4R 2 = 2·49·2 = 4·49; R 2 = 49; R = 7 .

Ответ: 7

Показать ответ

Задача 10

Найти площадь поверхности шара, описанного около конуса, у которого радиус основания 2 __ √π_ ,

А высота 1 __ √π_ .

Пусть R - радиус сферы. Поскольку СD - диаметр окружности осевого сечения, то СH + HD = 2R .
Воспользуемся свойством пересекающихся хорд окружности, чтобы найти длину отрезка HD = x .
DH·HС = AH·HC

x · 1 __ √π_ = 2 __ √π_ · 2 __ √π_

Преобразуя, получим х = 4 __ √π_ .

Тогда 2R = 1 __ √π_ + 4 __ √π_ = 5 __ √π_ ; R = 5 ___ 2√π_ .

Площадь сферы S = 4πR 2 = 4π·25 ___ 4π = 25 .