Параболоид - Paraboloid
В геометрии , A параболоида является поверхность второго порядка, которая имеет ровно одну ось симметрии и нет центра симметрии . Термин «параболоид» происходит от слова « парабола» , обозначающего коническое сечение , обладающее аналогичным свойством симметрии.
Каждое плоское сечение параболоида плоскостью, параллельной оси симметрии, является параболой. Параболоид является гиперболическим, если любое другое плоское сечение является либо гиперболой , либо двумя пересекающимися линиями (в случае сечения касательной плоскостью). Параболоид является эллиптическим, если любое другое непустое сечение плоскости является либо эллипсом , либо единственной точкой (в случае сечения касательной плоскостью). Параболоид бывает эллиптическим или гиперболическим.
Эквивалентно параболоид может быть определен как квадратная поверхность, которая не является цилиндром , и имеет неявное уравнение , часть второй степени которого может быть разложена на комплексные числа на два различных линейных фактора. Параболоид является гиперболическим, если факторы действительны; эллиптический, если множители комплексно сопряжены .
Эллиптический параболоид имеет форму овальной чашки и имеет точку максимума или минимума, когда его ось вертикальна. В подходящей системе координат с тремя осями x , y и z его можно представить уравнением
где a и b - константы, которые определяют уровень кривизны в плоскостях xz и yz соответственно. В этом положении эллиптический параболоид открывается вверх.
Гиперболоидный параболоид (не путать с гиперболоидом ) - это поверхность с двойной линией, имеющая форму седла . В подходящей системе координат гиперболический параболоид можно представить уравнением
В этом положении гиперболический параболоид открывается вниз по оси x и вверх по оси y (то есть парабола в плоскости x = 0 открывается вверх, а парабола в плоскости y = 0 открывается вниз).
Любой параболоид (эллиптический или гиперболический) является трансляционной поверхностью , так как он может быть создан движущейся параболой, направленной второй параболой.
Свойства и приложения
Эллиптический параболоид
В подходящей декартовой системе координат эллиптический параболоид имеет уравнение
Если a = b , эллиптический параболоид - это круговой параболоид или параболоид вращения . Это поверхность вращения, полученная путем вращения параболы вокруг своей оси.
Очевидно, круговой параболоид содержит круги. Это верно и в общем случае (см. Раздел Циркуляр ).
С точки зрения проективной геометрии , эллиптический параболоид является эллипсоидом , что является касательной к плоскости на бесконечности .
- Плоские секции
Плоские сечения эллиптического параболоида могут быть:
- парабола , если плоскость параллельна оси,
- точка , если плоскость является касательной плоскостью .
- эллипс или опорожнить , в противном случае.
Параболический отражатель
На оси кругового параболоида есть точка, называемая фокусом (или фокусной точкой ), так что, если параболоид является зеркалом, свет (или другие волны) от точечного источника в фокусе отражается в параллельный луч. , параллельно оси параболоида. Это также работает и наоборот: параллельный луч света, параллельный оси параболоида, концентрируется в фокусной точке. Для доказательства см. Парабола § Доказательство отражательного свойства .
Поэтому форма круглого параболоида широко используется в астрономии для параболических отражателей и параболических антенн.
Поверхность вращающейся жидкости также представляет собой круговой параболоид. Это используется в телескопах с жидкостными зеркалами и в изготовлении твердых зеркал телескопов (см. Вращающуюся печь ).
Гиперболический параболоид
Гиперболический параболоид - это двояковыпуклая поверхность : он содержит два семейства взаимно наклонных линий . Линии в каждом семействе параллельны общей плоскости, но не друг другу. Следовательно, гиперболический параболоид - коноид .
Эти свойства характеризуют гиперболические параболоиды и используются в одном из старейших определений гиперболических параболоидов: гиперболический параболоид - это поверхность, которая может быть образована движущейся линией, параллельной фиксированной плоскости и пересекающей две фиксированные наклонные линии .
Это свойство упрощает изготовление гиперболического параболоида из различных материалов и для различных целей, от бетонных крыш до закусок. В частности, жареные закуски Pringles напоминают усеченный гиперболический параболоид.
Гиперболический параболоид - это седловая поверхность , так как его кривизна Гаусса отрицательна в каждой точке. Таким образом, хотя это линейчатая поверхность, она не поддается развёртыванию .
С точки зрения проективной геометрии , гиперболический параболоид один гиперболоид , который является касательной к плоскости на бесконечности .
Гиперболическое параболоид уравнения или (это то же самое до с вращением осей ) можно назвать прямоугольной гиперболический параболоид , по аналогии с прямоугольными гиперболы .
- Плоские секции
Плоское сечение гиперболического параболоида с уравнением
может быть
- линии , если плоскость параллельна г оси х, и имеет уравнение вида ,
- парабола , если плоскость параллельна г оси х, а секция не является прямой,
- пара пересекающихся прямых , если плоскость касается касательной ,
- в противном случае гипербола .
Примеры в архитектуре
Седловидные крыши часто представляют собой гиперболические параболоиды, поскольку их легко построить из прямых участков материала. Некоторые примеры:
- Собор Святой Марии, Токио , Япония (1964)
- Собор Пресвятой Богородицы Успения Пресвятой Богородицы , Сан-Франциско, Калифорния, США (1971 г.)
- Saddledome в Калгари, Альберта, Канада (1983)
- L'Oceanogràfic в Валенсии, Испания (2003)
- Лондонский Велопарк , Англия (2011)
Железнодорожная станция Варшава Охота , пример конструкции гиперболического параболоида
Гиперболические параболоидные тонкостенные крыши в L'Oceanogràfic , Валенсия, Испания (снято в 2019 г.)
Цилиндр между карандашами эллиптических и гиперболических параболоидов
Карандаш эллиптического параболоида
и пучок гиперболических параболоидов
подходить к той же поверхности
для , который представляет собой параболический цилиндр (см. изображение).
Кривизна
Эллиптический параболоид, параметризованный просто как
имеет гауссову кривизну
которые всегда положительны, имеют максимум в начале координат, становятся меньше по мере удаления точки на поверхности от начала координат и асимптотически стремятся к нулю по мере того, как указанная точка бесконечно удаляется от начала координат.
Гиперболический параболоид, параметризованный как
имеет гауссову кривизну
и средняя кривизна
Геометрическое представление таблицы умножения
Если гиперболический параболоид
поворачивается на угол π/4в направлении + z (согласно правилу правой руки ) результатом является поверхность
и если a = b, то это упрощается до
- .
Наконец, полагая a = √ 2 , мы видим, что гиперболический параболоид
конгруэнтно поверхности
которую можно рассматривать как геометрическое представление (как бы трехмерную номограмму ) таблицы умножения .
Две параболоидальные ℝ 2 → функции
а также
являются гармонически сопряженными и вместе образуют аналитическую функцию
который является аналитическим продолжением из ℝ → ℝ параболической функции F ( х ) =х 2/2.
Размеры параболоидальной тарелки
Размеры симметричной параболоидальной тарелки связаны уравнением
где F - фокусное расстояние, D - глубина тарелки (измеренная по оси симметрии от вершины до плоскости обода), R - радиус обода. Все они должны быть одной длины . Если известны две из этих трех длин, это уравнение можно использовать для расчета третьей.
Чтобы найти диаметр тарелки, измеренный по ее поверхности, требуется более сложный расчет . Иногда его называют «линейным диаметром», и он равен диаметру плоского круглого листа материала, обычно металла, который имеет правильный размер, который нужно разрезать и согнуть, чтобы сделать блюдо. При расчетах полезны два промежуточных результата: P = 2 F (или эквивалент: P =R 2/2 Д) и Q = √ P 2 + R 2 , где F , D и R определены выше. Диаметр тарелки, измеренный по поверхности, тогда определяется как
где ЛУ х означает , что натуральный логарифм от х , то есть ее логарифм основания е .
Объем блюда, количество жидкости, которое оно могло бы удержать, если бы край был горизонтальным, а вершина находилась на дне (например, вместимость параболоидального вок ), определяется выражением
где символы определены, как указано выше. Это можно сравнить с формулами для объемов цилиндра ( π R 2 D ), полусферы (2π/3R 2 D , где D = R ), и конус (π/3R 2 D ). π R 2 - это площадь апертуры тарелки, площадь, ограниченная ободком, которая пропорциональна количеству солнечного света, которое рефлекторная тарелка может перехватить. Площадь параболической тарелки можно найти с помощью формулы площади поверхности вращения, которая дает
Смотрите также
- Эллипсоид - Квадрическая поверхность, которая выглядит как деформированная сфера.
- Гиперболоид - неограниченная квадратичная поверхность
- Параболический громкоговоритель - параболический громкоговоритель, создающий когерентные плоские волны
- Параболический отражатель - отражатель, имеющий форму параболоида.
использованная литература
внешние ссылки
- СМИ, связанные с Параболоидом на Викискладе?