螺旋面
螺旋面是一类常见的曲面。以螺旋线和它的轴线为导线,直母线(也可以是曲母线)沿两条导线滑动,并始终与轴线交成定角所形成的曲面称为螺旋面。同螺旋线一样,螺旋面也分成左旋和右旋两种。在形成螺旋面的过程中,母线上各点轨迹都是螺旋线。这些螺旋线导程相等。画出螺旋线和轴线的投影,再画出若干直素线的投影以及包络线,就得到螺旋面的投影。常见的螺旋面有正螺旋面、斜螺旋面(阿基米德螺旋面)、sincos螺旋面、渐开螺旋面等。
正螺面定义
如《正螺面的图形》所示。
定义1:由一条垂直于螺旋轴的直线作螺旋运动时所画出的曲面叫正螺面。
旋转是以定角速度 w顺着 z轴方向,且移动的距离与转角 v 与( x 轴交角 ) 成正比,即正螺面的母线与螺线的“轴”垂直相交,当交点N沿轴移动时,母线绕轴旋转,且N点转动的距离与母线转动的角度成正比。把 z 轴取作旋转轴,M点为正螺面上任意一点,MN垂直于z轴,设MN=u,OP为MN在xy平面上的投影,OP与 x 轴的交角为 v 。 a 表示螺距 ( 比例系数 ) ,则正螺面的方程可写成:
即:
定义2:圆柱螺线 的主法线曲面(直纹面)为正螺面 。
性质
正螺面是经典微分几何曲面论中的重要研究对象,本身具有很多重要的几何性质,例如正螺面是一种特殊的直纹面,可看作圆柱螺线的主法线面;正螺面的平均曲率恒为零,因此是极小曲面;此外通过计算正螺面的Gauss曲率,可以发现其Gauss曲率沿着直母线的正交轨线保持不变。
定理1:设α是一条曲率和挠率均恒不为零的曲线,S为α的主法线面。如果S沿着每条直母线平均曲率保持不变,则S必为正螺面。
定理2:设α是一条曲率和挠率均恒不为零的曲线,S为α的主法线面。如果S沿着每条直母线的正交轨线Gauss曲率保持不变,则S必为正螺面。
由定理1可直接得到如下推论:
推论:设S为某条曲率和挠率均恒不为零的曲线的主法线面。如果S的平均曲率为常数,则S必为正螺面。
正螺面的性质
(1)正螺面的坐标曲线网是正交曲线网、渐近曲线网和等温网;
(2)正螺面的直纹性:正螺面是直纹曲面,但不可展;
(3)正螺面是极小曲面:正螺面上的任意光滑曲线C围成的曲面区域最小,换句话说,正螺面是极小曲面。
参考资料
最新修订时间:2024-07-01 13:51