Многогранники

Пять перечисленных выше правильных многогранников, часто называемых также "телами Платона", захватили воображение  математиков, мистиков и философов  древности более двух тысяч лет  назад. Древние греки даже установили мистическое соответствие между  тетраэдром, кубом, октаэдром и икосаэдром и четырьмя природными началами - огнем, землей, воздухом и водой. Что касается пятого правильного многогранника, додекаэдра, то они рассматривали  его как форму Вселенной. Эти  идеи не являются одним лишь достоянием прошлого. И сейчас, спустя два тысячелетия, многих привлекает лежащее в их основе эстетическое начало. О том, что они  не утратили свою притягательность и  поныне, весьма убедительно свидетельствует картина испанского художника Сальвадора Дали «Тайная вечеря». Древними греками исследовались также и многие геометрические свойства платоновых тел; с плодами их изысканий можно ознакомиться по 13-й книге Начал Евклида. Изучение платоновых тел и связанных с ними фигур продолжается и поныне. И хотя основными мотивами современных исследований служат красота и симметрия, они имеют также и некоторое научное значение, особенно в кристаллографии. Кристаллы поваренной соли, тиоантимонида натрия и хромовых квасцов встречаются в природе в виде куба, тетраэдра и октаэдра соответственно. Икосаэдр и додекаэдр среди кристаллических форм не встречаются, но их можно наблюдать среди форм микроскопических морских организмов, известных под названием радиолярий.

Число правильных многогранников. Естественно спросить, существуют ли кроме платоновых тел другие правильные многогранники. Как показывают следующие простые соображения, ответ должен быть отрицательным. Пусть {p, q} - произвольный правильный многогранник. Так как его гранями служат правильные р-угольники, их внутренние углы, как нетрудно показать, равны (180 - 360/р) или 180 (1 - 2/р) градусам. Так как многогранник {p, q} выпуклый, сумма всех внутренних углов по граням, примыкающим к любой из его вершин, должна быть меньше 360 градусов. Но к каждой вершине примыкают q граней, поэтому должно выполняться неравенство, где символ < означает "меньше чем".

После несложных алгебраических преобразований полученное неравенство приводится к виду (1)

Нетрудно видеть, что p и q должны быть больше 2. Подставляя в (1) р = 3, мы обнаруживаем, что единственными допустимыми значениями q в этом случае являются 3, 4 и 5, т.е. получаем многогранники {3, 3}, {3, 4} и {3, 5}. При р = 4 единственным допустимым значением q является 3, т.е. многогранник {4, 3}, при р = 5 неравенству (1) также удовлетворяет только q = 3, т.е. многогранник {5, 3}. При p > 5 допустимых значений q не существует. Следовательно, других правильных многогранников, кроме тел Платона, не существует. К сожалению, приводимое во многих учебниках геометрии определение правильного многогранника неполно. Распространенная ошибка состоит в том, что в определении требуется лишь выполнение приведенного выше условия (i), но упускается из виду условие (ii). Между тем условие (ii) совершенно необходимо, в чем проще всего убедиться, рассмотрев выпуклый многогранник, удовлетворяющий условию (i), но не удовлетворяющий условию (ii). Простейший пример такого рода можно построить, отождествив грань правильного тетраэдра с гранью еще одного тетраэдра, конгруэнтного первому. В результате мы получим выпуклый многогранник, шестью гранями которого являются конгруэнтные равносторонние треугольники. Однако к одним вершинам примыкают три грани, а к другим - четыре, что нарушает условие (ii). 
Свойства правильных многогранников. Вершины любого правильного многогранника лежат на сфере (что вряд ли вызовет удивление, если вспомнить, что вершины любого правильного многоугольника лежат на окружности). Помимо этой сферы, называемой "описанной сферой", имеются еще две важные сферы. Одна из них, "срединная сфера", проходит через середины всех ребер, а другая, "вписанная сфера", касается всех граней в их центрах. Все три сферы имеют общий центр, который называется центром многогранника.

Правильные звёздчатые многогранники.

Из правильных многогранников – Платоновых тел можно получить так называемые правильные звездчатые многогранники. Их всего четыре. Первые два были открыты И. Кеплером (1571 – 1630 гг.), а два других были построены почти двести лет спустя французским математиком и механиком Луи Пуансо (1777 – 1859 гг.). Именно поэтому правильные звездчатые многогранники получили название тел Кеплера – Пуансо. В работе «О многоугольниках и многогранниках» (1810 г.) Луи Пуансо перечислил и описал все правильные звездчатые многогранники, поставил, но не решил вопрос о существовании правильных многогранников, число граней которых отлично от 4, 6, 8, 12, 20.Отчет на этот вопрос был дан год спустя, в 1811 году, французским математиком Огюстом Луи Коши (1789 – 1857 гг.) в работе «Исследование о многогранниках». В ней доказывается, что не существует других правильных многогранников, кроме перечисленных Пуансо. Автор приходит к выводу, что правильные звездчатые многогранники получаются из выпуклых правильных многогранников путем продолжения их ребер или граней, исследуется вопрос, из каких именно правильных многогранников могут быть получены правильные звездчатые многогранники. Делается вывод о том, что тетраэдр, куб и октаэдр не имеют звездчатых форм, додекаэдр имеет три, а икосаэдр – одну звездчатую форму (это малый звездчатый додекаэдр, большой додекаэдр и большой икосаэдр).  
Луи Кэрролл писал: "Правильных многогранников вызывающе мало, но этот весьма скромный по численности отряд сумел пробраться в самые глубины различных наук". 

Звёздчатый  икосаэдр 

Икосаэдр  имеет двадцать граней. Если каждую из них продолжить неограниченно, то тело будет окружено великим многообразием  отсеков – частей пространства, ограниченных плоскостями граней. Все  звездчатые формы икосаэдра можно  получить добавлением к исходному  телу таких отсеков. Не считая самого икосаэдра, продолжения его граней отделяют от пространства20+30+60+20+60+120+ 12+30+60+60 отсеков десяти различных форм и размеров. Большой икосаэдр (см. рис) состоит из всех этих кусков, за исключением последних шестидесяти.

Малый звездчатый додекаэдр 

Звездчатый додекаэдр  первого продолжения. Он образован  продолжением граней выпуклого додекаэдра до их первого пересечения. Каждая грань  выпуклого додекаэдра при продолжении  образует правильный звездчатый пятиугольник. Пересекающиеся плоскости граней додекаэдра отделяют от пространства новые "куски", внешние по отношению к додекаэдру. Это двенадцать правильных пятиугольных пирамид, основания которых совпадают  с гранями додекаэдра.

Большой звёздчатый додекаэдр 

Большой звездчатый додекаэдр принадлежит к семейству  тел Кеплера-Пуансо, то есть правильных невыпуклых многогранников. Грани большого звездчатого додекаэдра – пентаграммы, как и у малого звездчатого  додекаэдра. У каждой вершины соединяются  три грани. Вершины большого звездчатого  додекаэдра совпадают с вершинами  описанного додекаэдра.

Большой звездчатый додекаэдр был впервые описан Кеплером в 1619 г. Это последняя звездчатая форма правильного додекаэдра.

Применение многогранников.

Применение многогранников весьма широкое (рис.4). Использование оптических свойств стеклянной трехгранной призмы для изменения направления хода луча света показано на рисунке 4 а. Трехгранная призма — клин (рис. 4,6) использована для увеличения приложенного усилия при одновременном изменении его направления. Четырехгранная призма на конце цилиндрического вала (рис. 4, в) служит для передачи крутящегося момента на вал. На рисунке 4, г и д показаны волноводы для передачи электромагнитной энергии сверхвысоких частот (сантиметровый диапазон). Модульный принцип конструирования блоков радиоэлектронной аппаратуры иллюстрируется на рисунке 4,е. Минимальный призматический прямоугольный блок-модуль показан в правом верхнем углу (см. рис. 4, ё).

Остальные отсеки стойки аппаратуры выбирают кратными высоте и ширине модуля. Сотовую конструкцию из шестигранных призм (рис. 4, ж) применяют в качестве сеток, управляющих электронными потоками в электровакуумных приборах. Такие сетки имеют большую прозрачность (в связи с тонкими перемычками) при хорошей механической прочности и высокой теплопроводности. На рисунке 4,з показано применение призматических поверхностей в качестве направляющей прямолинейного движения с одной степенью свободы. Такие направляющие широко используются в различных видах технологического оборудования, особенно в металлорежущих станках.

Литература

http://dic.academic.ru

Александров А. Д., Выпуклые многогранники, М.-Л., 1950 http://rspu.edu.ru

Чекмарев А. А., Начертательная геометрия и черчение, 2002