что такое гладкая поверхность

20.04.202221.04.2022 admin 0 Comments

Гладкая поверхность

Последняя бука буква «ь»

Ответ на вопрос «Гладкая поверхность «, 9 (девять) букв:
плоскость

Альтернативные вопросы в кроссвордах для слова плоскость

Определение слова плоскость в словарях

Энциклопедический словарь, 1998 г. Значение слова в словаре Энциклопедический словарь, 1998 г.
простейшая поверхность. Понятие плоскость (подобно точке и прямой) принадлежит к числу основных понятий геометрии. Плоскость обладает тем свойством, что любая прямая, соединяющая две ее точки, целиком принадлежит ей.

Примеры употребления слова плоскость в литературе.

Если типы и есть, то они существуют не в той плоскости, как это намечается Аарне, а в плоскости структурных особенностей сходных сказок, но об этом после.

В системе не было планет как таковых, однако еще четыре факельщика условного противника обнаружили в засаде в аккреционном диске в плоскости эклиптики.

Говорят, что в последние годы, благодаря успехам отечественной, а может быть, зарубежной химии, для летчиков изобрели что-то такое, что можно лить только на плоскости, но в то отсталое время антиобледенителем был чистый спирт-ректификат.

К району заправки шли сквозь облачность, самолет дважды пересекал зоны обледенения, дважды Тасманов по команде Боровского включал антиобледенители, освобождая от наледи плоскости крыльев и заборники двигателей.

Таким образом, Кант подчеркивает априорность категорий времени и пространства в двух плоскостях: при объяснении опыта и при объяснении науки.

Источник: библиотека Максима Мошкова

Источник

Гладкая поверхность (плоскость)

Основные понятия и аксиомы статики

Основные понятия

Статикой называется раздел теоретической механики, в котором излагается общее учение о силах и изучается равновесие материальных тел, находящихся под действием сил.

Сила – мера механического взаимодействия тел, векторная величина, характеризующаяся линией действия nn, точкой приложения A, направлением, модулем (численным значением).

Для изображения вектора силы на чертеже в масштабе используют масштабный коэффициент

Под равновесием понимают состояние покоя тела по отношению к инерциальной системе отсчета, связанной обычно с условно неподвижным телом.

Свободным телом называется тело, движение которого в пространстве не ограничено другими телами. Реально окружающие нас тела являются несвободными, так как их перемещение в пространстве ограничено другими телами.

Тела, ограничивающие свободное перемещение рассматриваемого тела в пространстве, называются связями.

Сила, с которой связь действует на рассматриваемое тело, называется реакцией связи.

В теоретической механике рассматриваются покой или движение только свободных тел. Для этого отбрасывают наложенные на рассматриваемое тело связи и заменяют их реакциями связей. Это принцип освобождаемости от связей.

Совокупность сил, действующих на твердое тело, называется системой сил.

Эквивалентными называются системы сил оказывающие на рассматриваемое тело одинаковое воздействие.

Аксиомы статики

Аксиома 1. Если на свободное абсолютно твердое тело действуют две силы , то тело находится в равновесии, если эти силы равны по модулю и противоположно направлены вдоль одной прямой, то есть .

Система сил называется уравновешенной, или эквивалентной нулю, если .

Аксиома 2. Действие системы сил на абсолютно твердое тело не изменится, если к ней добавить или от нее отнять уравновешенную систему сил.

По линии действия силы приложим уравновешенную систему сил , а затем отбросим уравновешенную систему сил . Сила переместилась по линии ее действия.

Аксиома 3. Две силы , приложенные к телу, можно заменить одной равнодействующей эквивалентной этой системе, приложенной в точке пересечения линий действия сил и равной диагонали параллелограмма,построенного на этих силах как на сторонах:

Аксиома 4.Силы , с которыми два тела А и В действуют друг на друга, равны по модулю и направлены по одной прямой в противоположные стороны, то есть (Третий закон Ньютона).

Но силы не образуют уравновешенную систему сил, так как они приложены к разным телам.

Аксиома 5.Равновесие деформируемого тела не нарушится, если тело считать отвердевшим (принцип отвердевания).

Условия равновесия, являющиеся необходимыми и достаточными для твердого тела,являются необходимыми, но недостаточнымидля деформируемого тела. Например, деформируемая нить находится в равновесии только, если силы ее растягивают, а брус – если силы или сжимают или растягивают его.

1.1.3 Две основные задачи статики:

1. Задача оприведении системы сил заключается в замене данной системы сил другой, наиболее простой, ей эквивалентной.

2. Задача оравновесии состоит в определении условий, при которых система сил, приложенная к телу, будет уравновешенной.

1.1.4 Классификация систем сил:

Виды связей

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся типы связей и направления их реакций.

1.2.1 Связи, направления реакций которых заранее известно.

Гладкая поверхность (плоскость)

Реакция гладкой поверхности (плоскости) или опоры направлена по общей нормали к поверхностям соприкасающихся тел в точке их касания и приложена к этой точке.

что такое гладкая поверхность. Смотреть фото что такое гладкая поверхность. Смотреть картинку что такое гладкая поверхность. Картинка про что такое гладкая поверхность. Фото что такое гладкая поверхность

Гибкая связь(нити, канаты, цепи, ремни и т.д.)

Реакция направлена вдоль гибкой связи к точке подвеса.

Невесомый стержень (стержневая связь)

Реакция невесомого стержня направлена вдоль стержня. Обычно реакция изображается от тела по стержню, в предположении, что в равновесии стержень растянут.

Шарнирно-подвижная опора (опора на катках)

Реакция проходит через ось шарнира и направлена перпендикулярно к опорной плоскости

1.2.2 Связи, направления реакций которых неизвестны.

Цилиндрический шарнир, неподвижная шарнирная опора

Реакция цилиндрического шарнира может иметь любое направление в плоскости, перпендикулярной оси шарнира (оси вращения), т. е. в плоскости XAY. Обычно раскладывают на две составляющие и по двум взаимно перпендикулярным направлениям параллельно осям координат.

На плоских рисунках цилиндрический шарнир изображают окружностью, а шарнирную неподвижную опору – окружностью на треугольнике.

В аксонометрии – линиями параллельными оси шарнира со штриховкой.

Шаровой (сферический) шарнир

В зависимости от внешней нагрузки реакция шарового шарнира имеет заранее неизвестное направление в пространстве, поэтому ее раскладывают на три составляющие по осям координат . На аксонометрических рисунках шаровой шарнир изображают окружностью на треугольной опоре со штриховкой

Жесткая заделка

Если рассматриваемое тело A жестко закреплено в другом твердом теле B, то такая связь называется жесткой заделкой. Силы, действующие со стороны тела В на тело А, образуют произвольную (пространственную или плоскую) систему сил, которая приводится к главному вектору и главному моменту, которые можно разложить по осям координат.

При плоской системе сил, действующей на рассматриваемое тело, нахождение реакции жесткой заделки сводится к определению трех неизвестных величин: составляющих реакции , и алгебраической величины момента M_A.

При пространственной системе сил, действующей на рассматриваемое тело, нахождение реакции жесткой заделки сводится к определению шести неизвестных величин: трех составляющих главного вектора реакции заделки и трех составляющих главного момента (суммы моментов сил относительно координатных осей) M_X, M_Y, M_Z.

Источник

Поверхности

Простые поверхности.

Будем говорить, что функция $f(u, v)$ непрерывно дифференцируема на замкнутом множестве $E \subset \boldsymbol^<2>$, если она определена и имеет непрерывные частные производные $\partial f/\partial u$ и $\partial f/\partial v$ на открытом множестве $G$, содержащем замкнутое множество $E$.

Пусть $\Omega$ — ограниченная область в $\boldsymbol^<2>$, а функции $\varphi(u, v)$, $\psi(u, v)$ и $\chi(u, v)$ непрерывно дифференцируемы на замкнутом множестве $\overline <\Omega>= \Omega \cup \partial \Omega$, где $\partial \Omega$ — граница области $\Omega$. Тогда отображение $F: \overline <\Omega>\rightarrow \boldsymbol^<3>$, определяемое формулами
$$
x = \varphi(u, v),\quad y = \psi(u, v),\quad z = \chi(u, v),\quad (u, v) \in \overline<\Omega>,\label
$$
называется непрерывно дифференцируемым.

Если при этом в каждой точке $(u, v) \in \Omega$ ранг функциональной матрицы
$$
\begin\varphi_(u, v)&\psi_(u, v)&\chi_(u, v)\\\varphi_(u, v)&\psi_(u, v)&\chi_(u, v)\end\label
$$
равен двум, то отображение $F: \rightarrow \boldsymbol^<3>$ называется гладким.

Если $\overline<\Omega>$ есть замкнутое ограниченное множество в $\boldsymbol^<2>$, a $F: \overline <\Omega>\rightarrow \boldsymbol^<3>$ есть такое гладкое отображение, что соответствие между множествами $\overline<\Omega>$ и $\Sigma = F(\overline<\Omega>)$ является взаимно однозначным, то будем множество $\Sigma$ называть простой поверхностью в $\boldsymbol^<3>$, а уравнения \eqref будем называть параметрическими уравнениями простой поверхности $\Sigma$.

Пусть область $\Omega$ ограничена простым гладким или кусочно гладким контуром $\gamma$. Образ кривой $\gamma$ при гладком отображении $F: \overline <\Omega>\rightarrow \boldsymbol^<3>$ будем называть краем простой поверхности $\Sigma$ и обозначать через $\partial \Sigma$.

Если уравнение кривой $\gamma$ имеет вид
$$
u = u(t),\quad v = v(t),\quad \alpha \leq t \leq \beta,\nonumber
$$
то уравнение $\partial\Sigma$ задается следующими формулами:
$$
x = \varphi(u(t), v(t)),\quad y = \psi(u(t), v(t)),\quad z = \chi(u(t), v(t)),\quad \alpha \leq t \leq \beta.\label
$$

График функции $z = f(x, y)$, непрерывно дифференцируемой на замкнутом ограниченном множестве $\overline <\Omega>\subset \boldsymbol^<2>$, есть простая поверхность, определяемая параметрическими уравнениями
$$
x = u,\quad y = v,\quad z = f(u, v),\quad (u, v) \in \overline<\Omega>.\label
$$

В этом случае матрица $\beginx_&x_\\x_&y_\end$ является единичной, а поэтому ранг матрицы \eqref равен двум.

Например, график функции $z = x^ <2>+ y^<2>$, $(x, y) \in \overline<\Omega>$, где $\overline <\Omega>= \ <(x, y): x^<2>+ y^ <2>\leq 1\>$, есть простая поверхность. Окружность, получаемая при пересечении параболоида вращения $z = x^ <2>+ y^<2>$ и плоскости $z = 1$, является краем рассматриваемой простой поверхности.

Уравнения \eqref простой поверхности можно записать и в векторной форме:
$$
\boldsymbol = \boldsymbol(u, v),\quad (u, v) \in \overline<\Omega>,\quad \boldsymbol(u, v) = \varphi(u, v) \boldsymbol + \psi(u, v) \boldsymbol + \chi(u, v) \boldsymbol.\label
$$

С механической точки зрения формулы \eqref определяют гладкую (без разрывов и изломов) деформацию плоской области $\Omega$ в множество $\Sigma$ (простую поверхность в пространстве $\boldsymbol^<3>$). Для практических целей только простых поверхностей недостаточно. Например, сфера $x^ <2>+ y^ <2>+ z^ <2>= a^<2>$ не является простой поверхностью в $\boldsymbol^<3>$. Интуитивно ясно, что сферу нельзя получить никакой гладкой деформацией плоской области.

Имея в виду приложения теории поверхностных интегралов, введем в рассмотрение класс почти простых поверхностей.

Пусть $\Omega$ — плоская область и $F: \overline <\Omega>\rightarrow \boldsymbol^<3>$ — непрерывно дифференцируемое отображение. Будем множество $\Sigma = F(\overline<\Omega>)$ называть почти простой поверхностью в $\boldsymbol^<3>$, если найдется расширяющаяся последовательность ограниченных областей $\<\Omega_\>$ таких, что $\overline<\Omega>_ \subset \Omega_$, $\Omega = \displaystyle\bigcup_^<\infty>\Omega_$ и поверхности $\Sigma_ = F(\overline<\Omega>_)$ простые.

Сфера $S = \ <(x, y, z): x^<2>+ y^ <2>+ z^ <2>= a^<2>\>$ есть почти простая поверхность.

Образами отрезков $\varphi = \varphi_<0>$, $\displaystyle-\frac<\pi> <2>\leq \psi \leq \frac<\pi><2>$ являются меридианы, а при \(\displaystyle|\psi_<0>| Рис. 52.1

Конус $K = \ <(x, y, z): x^<2>+ y^ <2>= z^<2>\>$ есть почти простая поверхность.

$\vartriangle$ Введем цилиндрические координаты. Тогда конус $K$ есть образ полуполосы
$$
\overline <\Omega>= \ <(r, \varphi): 0 \leq r Рис. 52.2

Легко проверить, что $\overline<\Omega>_ \subset \Omega_$, $\Omega = \displaystyle\bigcup_^<\infty>\Omega_$ и что поверхности $\Sigma_ = F(\overline<\Omega>_)$ являются простыми. Поэтому конус $K$ — почти простая поверхность. $\blacktriangle$

Если $\Sigma$ есть простая поверхность, заданная векторным уравнением \eqref, а непрерывно дифференцируемые функции
$$
u = u(u’, v’),\ v = v(u’, v’),\ (u’, v’) \in \Omega’\nonumber
$$
задают взаимно однозначное отображение замыкания области $\Omega’$ на замыкание ограниченной области $\Omega$, причем якобиан отображения
$$
\frac<\partial(u, v)> <\partial(u’, v’)>= \begin\displaystyle\frac<\partial u><\partial u’>&\displaystyle\frac<\partial u><\partial v’>\\\displaystyle\frac<\partial v><\partial u’>&\displaystyle\frac<\partial v><\partial v’>\end\nonumber
$$
отличен от нуля в $\overline<\Omega>’$, то уравнение
$$
\boldsymbol = \boldsymbol (u(u’, v’), v(u’, v’)) \equiv \boldsymbol<\rho>(u’, v’);\quad (u’, v’) \in \Omega’,\label
$$
определяет ту же простую поверхность, что и уравнение \eqref. Уравнения \eqref и \eqref называют различными параметризациями поверхности $\Sigma$.

Как и в случае кривых, можно расширить класс параметризаций, допуская и такие замены параметров, при которых непрерывная дифференцируемость, взаимная однозначность и необращение в нуль якобиана отображения нарушаются на границе области. Тогда можно получить такие параметризации простой поверхности, задаваемые функциями, непрерывная дифференцируемость которых не имеет места на границе области $\Omega$.

$\vartriangle$ Переход от уравнений \eqref к уравнениям \eqref задается формулами
$$
u = a \cos \varphi \cos \psi,\quad v = a \sin \varphi \cos \psi,\quad (\varphi, \psi) \in \Omega’.\label
$$

Якобиан отображения \eqref равен $a^ <2>\sin \varphi \cos \psi$ и обращается в нуль при $\psi = 0$, то есть на части границы области $\Omega’$. Это приводит к тому, что при переходе к параметризации \eqref частные производные функции $z = \sqrt-u^<2>-v^<2>>$ стремятся к бесконечности при приближении точки $u, v$ к окружности $u^ <2>+ v^ <2>= a^<2>$. $\blacktriangle$

Как правило, в дальнейшем для простых поверхностей будут рассматриваться только такие параметризации, которые задаются непрерывно дифференцируемыми на замкнутом ограниченном множестве функциями.

Криволинейные координаты на поверхности.

Пусть простая поверхность $\Sigma$ задана векторным уравнением \eqref. Предположим, что область $\Omega$ выпукла, $[a, b]$ есть проекция области $\Omega$ на ось $u$. Если $u_ <0>= \in (a, b)$, то прямая $u = u_<0>$ будет пересекаться с областью $\Omega$ по отрезку $u = u_<0>$, $\alpha \leq v \leq \beta$ (рис. 52.3). Образ этого отрезка при отображении \eqref есть кривая
$$
\boldsymbol = \boldsymbol (u_<0>, v),\ \alpha \leq v \leq \beta,\label
$$
лежащая на поверхности $\Sigma$. Будем называть ее координатной кривой $u = u_<0>$. Придавая $u_<0>$ все значения из отрезка $[a, b]$, получим семейство координатных кривых $u = \operatorname$. Аналогично строится и семейство координатных кривых $v = \operatorname$.

Рис. 52.3

В силу взаимной однозначности отображения \eqref каждая точка $A$ поверхности $S$ однозначно определяется как пересечение двух координатных кривых, $u = u_<0>$ и $v = v_<0>$. Пара чисел $(u_<0>, v_<0>)$ называется криволинейными координатами точки $A$ поверхности. Запись $A(u_<0>, v_<0>)$ означает, что точка $A$ поверхности $\Sigma$ задана криволинейными координатами $(u_<0>, v_<0>)$.

Например, в сферических координатах часть сферы $x^ <2>+ y^ <2>+ z^ <2>= a^<2>$, ограниченная двумя меридианами и двумя параллелями, задается в криволинейных координатах $\varphi$, $\psi$ следующим образом:
$$
\varphi_ <1>\leq \varphi \leq \varphi_<2>,\quad \psi_ <1>\leq \psi \leq \psi_<2>.\nonumber
$$

На сфере координатные кривые $\varphi = \operatorname$ — меридианы, а координатные кривые $\psi = \operatorname$ — параллели.

На прямом круговом цилиндре координатными линиями будут образующие цилиндра и окружности, получающиеся при пересечении цилиндра плоскостями, перпендикулярными образующей.

Вектор-функция $\boldsymbol (u_<0>, v)$ есть непрерывно дифференцируемая функция параметра $v$, и, следовательно, координатная кривая $u = u_<0>$, определяемая равенством \eqref, является непрерывно дифференцируемой. Вектор $\boldsymbol_ (u_<0>, v_<0>)$ является касательным к этой кривой в точке $A(u_<0>, v_<0>)$. Аналогично, вектор $\boldsymbol_ (u_<0>, v_<0>)$ касателен к координатной кривой $v = v_<0>$ в точке $A(u_<0>, v_<0>)$. Заметим, что векторы $\boldsymbol_ (u_<0>, v_<0>)$ и $\boldsymbol_ (u_<0>, v_<0>)$ не могут обратиться в нуль, так как в этом случае ранг матрицы \eqref будет меньше двух. Следовательно, для простой поверхности координатные кривые являются гладкими.

Если область $\Omega$ не является выпуклой, а точка $(u_<0>, v_<0>)$ лежит внутри $\Omega$, то нужно взять выпуклую окрестность точки $(u_<0>, v_<0>)$, лежащую внутри $\Omega$. Тогда образ этой выпуклой окрестности будет куском поверхности $\Sigma$ и координатные кривые можно строить на этом куске поверхности (локально).

Касательная плоскость и нормаль к поверхности.

Пусть $\Sigma$ есть простая поверхность, заданная уравнениями \eqref или векторным уравнением \eqref. Рассмотрим точку $A(u, v)$ на поверхности $\Sigma$, где $(u, v)$ — внутренняя точка области $\Omega$. Построим координатные линии $u = \operatorname$ и $v = \operatorname$, проходящие через точку $A(u, v)$. Векторы $\boldsymbol_ (u, v)$ и $\boldsymbol_ (u, v)$ будут касательными к соответствующим координатным линиям.

В любой точке $A(u, v)$ простой поверхности $\Sigma$ векторы $\boldsymbol_ (u, v)$ и $\boldsymbol_(u, v)$ неколлинеарны. Направление вектора $N = [\boldsymbol_, \boldsymbol_]$ при изменении способа параметризации или не меняется, или изменяется на противоположное.

$\circ$ Рассмотрим вектор $N = [\boldsymbol_, \boldsymbol_]$ во всех точках поверхности $\Sigma$. Тогда
$$
\boldsymbol=\beginy_&z_\\y_&z_\end\boldsymbol + \beginz_&x_\\z_&x_\end\boldsymbol + \beginx_&y_\\x_&y_\end\boldsymbol.\nonumber
$$
Если $\boldsymbol = \boldsymbol<0>$, то все компоненты вектора $\boldsymbol$ равны нулю, и ранг матрицы \eqref будет меньше двух, что невозможно для простой поверхности. Пусть поверхность $\Sigma$ параметризована двумя способами, \eqref и \eqref. Тогда, воспользовавшись правилом нахождения частных производных сложной функции и аддитивностью и кососимметричностью векторного произведения, получаем
$$
\boldsymbol’ = [\boldsymbol<\rho>_, \boldsymbol<\rho>_] = [\boldsymbol_ \frac<\partial u> <\partial u’>+ \boldsymbol_ \frac<\partial v><\partial u’>,\ \boldsymbol_ \frac<\partial u> <\partial v’>+ \boldsymbol_ \frac<\partial v><\partial v’>] =\\= [\boldsymbol_, \boldsymbol_] \left(\frac<\partial u><\partial u’>\frac<\partial v><\partial u’>-\frac<\partial u><\partial v’>\frac<\partial v><\partial v’>\right) = [\boldsymbol_, \boldsymbol_] \frac<\partial(u, v)><\partial(u’, v’)>,\nonumber
$$
то есть
$$
\boldsymbol’ = \boldsymbol \frac<\partial(u, v)><\partial(u’, v’)>.\label
$$
Так как якобиан $J = \displaystyle\frac<\partial(u, v)><\partial(u’, v’)>$ не обращается в нуль в области $\Omega’$, то векторы $\boldsymbol’$ и $\boldsymbol$ коллинеарны. Эти векторы сонаправлены, если $J > 0$, и противоположно направлены, если \(J Лемма 2.

Вектор нормали к простой поверхности $\Sigma$ в точке $A(u_<0>, v_<0>)$ ортогонален ко всем гладким кривым, лежащим на поверхности и проходящим через точку $A(u_<0>, v_<0>)$.

$\circ$ В самом деле, такая кривая есть образ при отображении \eqref некоторой гладкой кривой, лежащей в области $\Omega$ и задаваемой уравнениями $u = u(t)$, $v = v(t)$, $\alpha \leq t \leq \beta$.

Уравнение кривой на поверхности тогда имеет вид
$$
\boldsymbol = \boldsymbol(u(t), v(t)),\ \alpha \leq t \leq \beta,\ u(t_<0>) = u_<0>,\ v(t_<0>) = v_<0>.
$$

Касательный вектор $\boldsymbol<\tau>$ к этой кривой в точке $A$ есть
$$
\boldsymbol <\tau>= \frac

(\boldsymbol(u(t_<0>, v(t_0))) = \boldsymbol_(u_<0>, v_<0>) \frac)>

+ \boldsymbol_(u_<0>, v_<0>) \frac)>

.\nonumber
$$
Итак, $\boldsymbol<\tau>$ есть линейная комбинация векторов $\boldsymbol_ (u_<0>, v_<0>)$ и $\boldsymbol_(u_<0>, v_<0>)$. Так как вектор $\boldsymbol$ ортогонален $\boldsymbol_ (u_<0>, v_<0>)$ и $\boldsymbol_(u_<0>, v_<0>)$, то он ортогонален и вектору $\boldsymbol<\tau>$, то есть вектор нормали к поверхности в точке $A$ ортогонален к любой гладкой кривой, лежащей на поверхности и проходящей через точку $A$. $\bullet$
Плоскость, проходящая через точку $A(u, v)$ поверхности и ортогональная вектору $\boldsymbol$, называется касательной плоскостью к поверхности в точке $A$. Пусть $(X, Y, Z)$ — декартовы координаты точки касательной плоскости и пусть $\boldsymbol = X\boldsymbol + Y\boldsymbol + Z\boldsymbol$. Тогда векторы $\boldsymbol-\boldsymbol(u, v),\ \boldsymbol_(u, v),\ \boldsymbol_(u, v)$ параллельны касательной плоскости, следовательно, их смешанное произведение равно нулю. Поэтому векторное уравнение касательной плоскости имеет вид
$$
(\boldsymbol-\boldsymbol(u, v),\ \boldsymbol_(u, v),\ \boldsymbol_(u, v)) = 0.\nonumber
$$
В силу равенства \eqref форма этого уравнения не зависит от выбора параметризации поверхности. Уравнение касательной плоскости в координатах имеет следующий вид:
$$
\beginX-x(u, v)&Y-y(u, v)&Z-z(u, v)\\x_(u, v)&y_(u, v)&z_(u, v)\\x_(u, v)&y_(u, v)&z_(u, v)\end = 0.\nonumber
$$
Кусочно гладкие поверхности.
Из определения простой поверхности, данного в п. 1, следует, что она есть гладкий и взаимно однозначный образ некоторой плоской области, то есть получается из этой области при помощи гладких (без изломов) деформаций (отображений). Ясно, что многие объекты, которые мы привыкли называть поверхностями, не будут простыми поверхностями. Так, сфера не может быть непрерывным образом деформирована в плоскую область. Коническая поверхность не может быть получена гладкой деформацией плоской области.
Попытки дать общую классификацию поверхностей увели бы нас далеко в область высшей геометрии. Замечательным классом поверхностей в $\boldsymbol^<3>$ являются гладкие многообразия размерности 2, то есть связные множества, которые локально (в окрестности каждой своей точки) устроены, как простая гладкая поверхность. Например, сфера будет гладким многообразием. Если $A$ есть точка сферы радиуса $a$, то шар $S_<\varepsilon>(A)$ при \(\varepsilon Рис. 52.4
Из гладких кусков можно склеивать не только гладкие многообразия, но и связные поверхности, имеющие ребра и вершины (например, поверхности многогранников) (рис. 52.5).
Рис. 52.5
Мы не станем тут заниматься математической формализацией таких понятий, как разрезание и склеивание поверхностей, и тем более основанной на этом классификации поверхностей. Заметим только, что трудности возникают при построении общих теорий. В любом разумном частном случае нет проблем с разрезанием поверхности на простые куски. Поверхность, которую можно разрезать на конечное число простых кусков, будем называть кусочно гладкой.
Ориентируемые поверхности.
Будем говорить, что гладкая поверхность ориентируема, если можно построить на этой поверхности непрерывное поле единичных нормальных векторов. Говорят, что это поле единичных нормалей определяет ориентацию (или сторону) поверхности. Меняя направление всех единичных нормалей на противоположное, получим опять непрерывное поле единичных нормальных векторов. Говорят, что оно определяет противоположную ориентацию (другую сторону) поверхности. На простой гладкой поверхности всегда определено непрерывное поле единичных нормальных векторов
$$
\boldsymbol = \frac<[\boldsymbol_, \boldsymbol_]><|[\boldsymbol_, \boldsymbol_]|>.\label
$$
Произвольные гладкие поверхности могут быть как ориентируемыми (двусторонними), так и неориентируемыми (односторонними).
Торы, изображенные на рис. 52.4, ориентируемы; бутылка Клейна — неориентируемая (односторонняя) поверхность. Легко построить лежащий на этой поверхности замкнутый гладкий контур такой, что, выбирая в какой-то точке контура вектор единичной нормали к поверхности и непрерывно изменяя его при движении по контуру, мы придем к начальной точке с противоположным направлением нормали. Следовательно, на бутылке Клейна построить непререрывное поле единичных нормальных векторов невозможно.
Заметим еще, что сфера, тор, тор с двумя дырами (рис. 52.4) делят пространство на ограниченную и неограниченную области, общей границей которых они являются. Бутылка Клейна таким свойством не обладает.
Можно доказать, что гладкая поверхность, являющаяся границей области в $\boldsymbol^<3>$, ориентируема. Ее внутренняя сторона задается нормальными векторами, направленными внутрь области (внутренними нормалями), внешняя сторона определяется внешними нормалями. Очевидно, что для построения поля внутренних нормалей к границе области достаточно построить внутреннюю нормаль к какой-то одной точке границы.
Рис. 52.6
Каждая плоскость делит пространство $\boldsymbol^<3>$ на два полупространства. Если плоскость рассматривать как границу полупространства, то внутренняя нормаль определяется естественным образом как направленная внутрь полупространства (рис. 52.6). Если $\partial G$ есть гладкая граница области $G$, то касательная плоскость в точке $x \in \partial G$ называется опорной, если область лежит по одну сторону от касательной плоскости, то есть в одном из полупространств, определяемых этой плоскостью. В точке $x \in \partial G$ определена внутренняя нормаль (рис. 52.7).
Рис. 52.7
Границу области $G$, ориентированную внешними нормалями, будем обозначать через $\partial G$, а внутренними — через $\partial G^<->$.
Несколько более сложно определяется ориентация кусочно гладких поверхностей.
Рис. 52.8
Пусть $\Sigma$ — простая поверхность (рис. 52.8), то есть гладкий и взаимно однозначный образ замыкания плоской области $\Omega$. В декартовых координатах отображение задается равенствами \eqref. Прообразом гладкого простого контура $\Gamma \subset \Sigma$ будет простой гладкий контур $\gamma \subset \Omega$. Будем говорить, что контур $\Gamma$ ориентирован положительно, если его прообраз $\gamma$ ориентирован в плоскости $(u, v)$ положительно (рис. 52.9), то есть при обходе контура $\gamma$ область, им ограничиваемая, остается слева (вектор касательной и вектор внутренней нормали образуют правую пару векторов в ориентированной плоскости $(u, v))$. Будем говорить, что ориентация простой поверхности $\Sigma$, задаваемая полем единичных нормалей
$$
\boldsymbol = \frac<[\boldsymbol_, \boldsymbol_]><|[\boldsymbol_, \boldsymbol_]|>,\nonumber
$$
согласована с положительной ориентацией простых контуров, лежащих на поверхности $\Sigma$.
Рис. 52.9
Покажем, что предложенное правило согласования ориентации поверхности с ориентациями простых контуров, лежащих на поверхности, совпадает с известным правилом правого винта. Пусть $A(u_<0>, v_<0>) \in \Sigma$, то есть $(u_<0>, v_<0>) \in \Omega$. Без ограничения общности можно считать, что $u_ <0>= 0$, $v_ <0>= 0$. Построим в точке $A$(0,0) касательную плоскость и ориентируем ее вектором нормали $\boldsymbol$ или, что то же самое, парой векторов ($\boldsymbol_$(0, 0), $\boldsymbol_$(0,0)). Возьмем в плоскости переменных $u$, $v$ окружность радиуса $\varepsilon$ с центром в точке (0,0):
$$
u = \varepsilon \cos t,\ v = \varepsilon \sin t,\ 0 \leq t \leq 2\pi.\nonumber
$$
Ее образ на поверхности есть простой замкнутый контур $\Gamma$:
$$
\boldsymbol = \boldsymbol (\varepsilon \cos t,\ \varepsilon \sin t),\ 0 \leq t \leq 2\pi.\nonumber
$$
С точностью до $\boldsymbol(\varepsilon)$ при $\varepsilon \rightarrow 0$ получаем, что
$$
\boldsymbol = \boldsymbol(0,0) + \varepsilon \boldsymbol_(0,0)\cos t + \varepsilon \boldsymbol_(0,0)\sin t + \boldsymbol(\varepsilon).\nonumber
$$
С точностью до $\boldsymbol(\varepsilon)$ кривая $\Gamma$ есть эллипс в касательной плоскости, ориентированной парой векторов ($\boldsymbol_$(0, 0), $\boldsymbol_$(0,0)).
Ориентация эллипса положительна (рис. 52.10). Если смотреть на касательную плоскость со стороны вектора нормали $\boldsymbol$, то движение по эллипсу происходит против часовой стрелки, от вектора $\boldsymbol_$(0, 0) к вектору $\boldsymbol_$(0, 0) (область, ограничиваемая эллипсом, остается слева).
Рис. 52.10
Пусть кусочно гладкая поверхность $\Sigma$ склеена из гладких простых кусков $\Sigma_<1>,\ \Sigma_<2>,\ \ldots,\ \Sigma_$. Если склеивание происходит вдоль кривой $\gamma$, то после удаления концов кривой $\gamma$ она входит в края двух и только двух поверхностей $\Sigma_$. Кусочно гладкая поверхность $\Sigma$ называется ориентируемой, если можно так ориентировать гладкие куски $\Sigma_$, $i = \overline<1, n>$ что после согласования ориентации $\Sigma_$ с ориентациями $\partial \Sigma_$ любая кривая склейки будет входить в состав краев соответствующих двух поверхностей с противоположными ориентациями (рис. 52.11).
Рис. 52.11
Можно показать, что кусочно гладкая поверхность, являющаяся границей ограниченной области, ориентируема, при этом каждый ее гладкий кусок можно ориентировать внутренними нормалями. В дальнейшем мы будем рассматривать только ориентируемые гладкие и кусочно гладкие поверхности.
Источник