Начертательная геометрия
Начертательная геометрия: Ключ к пониманию пространства
Эта книга, предназначенная для студентов технических специальностей, представляет собой учебник по начертательной геометрии, переработанный и дополненный для третьего издания. В ней рассматривается роль инвариантных свойств ортогонального проецирования в создании теоретической базы курса, а также уделяется особое внимание способам образования поверхностей и их заданию на эпюре Монжа.
Основы и методы проецирования
Книга начинается с обзора основных свойств евклидова пространства, включая понятия точки, прямой и плоскости, а также их взаимосвязи. Особое внимание уделяется реконструкции евклидова пространства, необходимой для понимания метода проецирования. Рассматриваются различные виды проецирования, включая центральное, параллельное и ортогональное, с акцентом на ортогональное проецирование как наиболее распространенный метод в инженерной практике. Подробно анализируются инвариантные свойства ортогонального проецирования, такие как сохранение точек, прямых, параллельности и отношений принадлежности, которые являются основой для решения задач на чертежах.
Преобразование проекций и решение задач
В книге подробно рассматриваются способы преобразования ортогональных проекций, необходимые для решения задач, связанных с определением формы и размеров геометрических фигур. Описываются способы плоскопараллельного перемещения, вращения вокруг осей, а также замена плоскостей проекций. Особое внимание уделяется способу совмещения, позволяющему определять истинные размеры и углы.
Линии и поверхности
В книге рассматриваются различные виды линий, включая пространственные и плоские кривые. Обсуждаются касательные и нормали к кривым, кривизна, эволюты и эвольвенты, а также классификация точек плоских кривых. Далее следует подробное изучение поверхностей, включая их образование, определение, классификацию и задание на эпюре Монжа. Рассматриваются различные классы и подклассы поверхностей, включая нелинейчатые и линейчатые поверхности, поверхности вращения, винтовые поверхности и поверхности Каталана.
Позиционные и метрические задачи
В книге подробно рассматриваются позиционные и метрические задачи, являющиеся основой начертательной геометрии. Обсуждаются задачи на принадлежность точки линии и поверхности, а также задачи на пересечение линий и поверхностей. Особое внимание уделяется определению расстояний между точками, прямыми и плоскостями, а также построению взаимно перпендикулярных прямых, прямой и плоскости, плоскостей.
Развертки и аксонометрия
В книге рассматриваются развертки поверхностей, включая развертки многогранников, конических и цилиндрических поверхностей, а также условные развертки неразвертываемых поверхностей. В заключительной главе рассматриваются аксонометрические проекции, их свойства и применение для построения геометрических фигур. Обсуждаются стандартные аксонометрические проекции, примеры построения аксонометрических проекций геометрических фигур и решение позиционных задач на аксонометрических проекциях.
Машинная графика
В последней главе рассматриваются основы машинной графики, включая компьютерные графические системы, работу с ними и примеры решения задач. Обсуждаются возможности использования машинной графики в обучении начертательной геометрии.
НАЧЕРТАТЕЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ С.А. ФРОЛОВ 3-е издание, переработанное и дополненное Москва ИНФРА-М 2026 УЧЕБНИК ¬¡ ©¡¡«¬ª°¡¤ª©§¸©ª¡ª¬£ª©¤¡ ÁÌÄÛÊÍÉʾ¼É¼¾¿ÊÀÏ
УДК 514(075.32) ББК 22.151.3я723 Ф91 Фролов С.А. Ф91 Начертательная геометрия : учебник / С.А. Фролов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2026. — 285 с. : ил. — (Среднее профессиональное образование). ISBN 978-5-16-020035-4 (print) ISBN 978-5-16-112576-2 (online) В учебнике подчеркнута роль инвариантных свойств ортогонального проецирования в создании теоретической базы курса. Особое внимание уделено способам образования поверхностей, их заданию на эпюре Монжа. Соответствует примерной программе по начертательной геометрии технических направлений. Предназначен для студентов средних специальных учебных заведений. УДК 514(075.32) ББК 22.151.3я723 Р е ц е н з е н т ы: Верховский А.В., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Московского государственного института электроники и математики (технического университета); Лобачов В.И., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана ISBN 978-5-16-020035-4 (print) ISBN 978-5-16-112576-2 (online) © Фролов С.А., 2025 Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru Подписано в печать 15.09.2025. Формат 70100/16. Бумага офсетная. Гарнитура Petersburg. Печать цифровая. Усл. печ. л. 23,16. Тираж 500 экз. (I — 50). Заказ № 00000 ТК 832806-2150765-150925 Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1
ПРЕДИСЛОВИЕ Учебник предназначен для студентов технических направлений (кроме архитектурных и строительных специальностей). Содержание учебника полностью соответствует новой программе по начертательной геометрии. Второе издание подверглось значительной переработке. При подготовке рукописи к изданию были учтены отзывы и предложения, полученные автором от читателей и относящиеся как к содержанию, так и объему некоторых разделов учебника, в частности: внесены изменения в систему обозначений проекций геометрических фигур; строже изложен вопрос, касающийся инвариантных свойств ортогонального проецирования, и более четко подчеркнута их роль в создании теоретической базы курса начертательной геометрии; подробнее изложен материал, связанный с определителем поверхностей, и уточнена построенная на его базе систематизация наиболее распространенных видов поверхностей; внесены уточнения в классификацию позиционных и метрических задач; включен новый материал, связанный с построением плоскости, касательной к поверхности; изложение способов преобразования ортогональных проекций дано в главе I непосредственно за методом Монжа. Более раннее знакомство со способами преобразования ортогональных проекций позволяет использовать эти способы на всех этапах изложения курса. В третьем издании полностью сохранен дидактический принцип изложения материала – от общего к частному, а не наоборот, как это имеет место в большинстве курсов начертательной геометрии. Для облегчения чтения чертежей они выполнены линиями двух цветов. Кроме того, чтобы легче представить «игру» геометрических образов в пространстве, многие чертежи, построенные по правилам ортогонального проецирования, иллюстрируются наглядными изображениями. Глава IX написана А.А. Чекмаревым. Им же чертежи переведены в двухцветное изображение: реальные объекты даны черным, аппарат проецирования и вспомогательные построения, в основном, – красным цветом.
ВВЕДЕНИЕ Начертательная геометрия является одним из разделов геометрии, в котором пространственные фигуры, представляющие собой совокупность точек, линий, поверхностей, изучаются по их проекционным изображениям на плоскости (или какой-либо другой поверхности). Основными задачами начертательной геометрии являются: а) создание метода изображения геометрических фигур на плоскости (поверхности), б) разработка способов решения позиционных и метрических задач, связанных с этими фигурами, при помощи их изображений на плоскости (поверхности). Начертательная геометрия по своему содержанию занимает особое положение среди других наук: она является лучшим средством развития у человека пространственного воображения, без которого немыслимо никакое инженерное творчество. Начертательная геометрия является теоретической базой для составления чертежа – гениального изобретения человеческой мысли. Чертеж – это своеобразный язык, с помощью которого, используя всего лишь точки, линии и ограниченное число геометрических знаков, букв и цифр, человек имеет возможность изобразить на поверхности, в частности на плоскости, геометрические фигуры или их сочетания (машины, приборы, инженерные сооружения и т.д.). Причем этот графический язык является интернациональным, он понятен любому технически грамотному человеку независимо от того, на каком языке он говорит. Решение задач способами начертательной геометрии осуществляется графическим путем. Простейшей геометрической операцией, которую приходится выполнять в процессе решения, является определение точки пересечения двух линий. Вследствие того, что все геометрические построения осуществляются с помощью только линейки и циркуля, линиями, точку пересечения которых следует определять, являются прямые и окружности. Иными словами, путем проведения отрезков прямых и дуг окружностей (в редких случаях участков лекальных кривых) в определенной последовательности, устанавливаемой теоремами и правилами начертательной геометрии, можно решать сложные задачи из различных областей науки и техники. Возможность расчленения процесса решения задач на выполнение элементарных, однотипных операций позволяет получить итерационные способы решения задач, которые легко и естественно могут быть автоматизированы с помощью вычислительной техники. Использование начертательной геометрии является рациональным при конструировании сложных поверхностей технических форм с наперед заданными параметрами, применяемых в авиационной и автомобильной
промышленности, при создании корпусов судов и судовых движителей и во многих других областях техники. Достижения многомерной начертательной геометрии находят применение при исследовании диаграмм состояния многокомпонентных систем и сплавов в тех случаях, когда другие способы исследования оказываются чрезвычайно сложными и не обеспечивают требуемой точности. Известна роль начертательной геометрии в архитектуре, строительстве, изобразительном искусстве. Проекционные способы, разработанные в начертательной геометрии, дают возможность получать наглядные изображения проектируемых объектов и целых комплексов. Благодаря начертательной геометрии появилась возможность изображать на плоскости рельеф земной поверхности и решать простыми графическими способами задачи, связанные с проектированием дорог, каналов, тоннелей, а также определять объемы выполняемых при этом земляных работ. Естественные науки достигают еще большего расцвета в тех случаях, когда изучаемые свойства сопровождаются доступными для человеческого восприятия наглядными геометрическими моделями. Способы начертательной геометрии, позволяющие решать математические задачи в их графической интерпретации, находят широкое применение в физике, химии, механике, кристаллографии и многих других науках. Как и другие отрасли математики, начертательная геометрия развивает логическое мышление. Приведенный далеко не полный перечень вопросов, которые составляют предмет исследования в начертательной геометрии, не оставляет сомнения, что начертательная геометрия входит в число фундаментальных дисциплин, составляющих основу инженерного образования. ОБОЗНАЧЕНИЯ И СИМВОЛИКА Для обозначения геометрических фигур и их проекций, для отображения отношения между ними, а также для краткости записей геометрических предложений, алгоритмов решения задач и доказательства теорем в курсе используется геометрический язык, составленный из обозначений и символов, принятых в курсе математики (в частности, в новом курсе геометрии в средней школе). Все многообразие обозначений и символов, а также связи между ними могут быть подразделены на две группы: группа I – обозначения геометрических фигур и отношений между ними; группа II – обозначения логических операций, составляющие синтаксическую основу геометрического языка. Обозначения и символика
Ниже приводится полный список математических символов, используемых в данном курсе. Особое внимание уделяется символам, которые применяются для обозначения проекций геометрических фигур. ГРУППА I СИМВОЛЫ, ОБОЗНАЧАЮЩИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ФИГУРЫ И ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ НИМИ А. Обозначение геометрических фигур 1. Геометрическая фигура обозначается – Φ. 2. Точки обозначаются прописными буквами латинского алфавита или арабскими цифрами: А, В, С, D, ..., L, М, N, ... 1, 2, 3, 4, ..., 12, 13, 14, ... 3. Линии, произвольно расположенные по отношению к плоскостям проекций, обозначаются строчными буквами латинского алфавита: a, b, c, d, ..., l, m, n, … Линии уровня обозначаются: h – горизонталь; f – фpoнтaль. Для прямых используются также следующие обозначения: (АВ) – прямая, проходящая через точки А и В; [АВ) – луч с началом в точке А; [АВ] – отрезок прямой, ограниченный точками А и В. 4. Поверхности обозначаются строчными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ, ..., ζ, η, ν, ... Чтобы подчеркнуть способ задания поверхности, следует указывать геометрические элементы, которыми она определяется, например: α (a || b) – плоскость α определяется параллельными прямыми a и b; β (d1d2gα) – поверхность β определяется направляющими d1 и d2, образующей g и плоскостью параллелизма α. 5. Углы обозначаются: ∠ABC – угол с вершиной в точке В, а также ∠α°, ∠β°, ..., ∠ϕ°, ... 6. Угловая величина (градусная мера) обозначается знаком , который ставится над углом: ABC – величина угла АВС, ϕ° – величина угла ϕ. Прямой угол отмечается квадратом с точкой внутри . 7. Расстояния между геометрическими фигурами обозначаются двумя вертикальными отрезками – | |. Обозначения и символика
Например: |АВ| – расстояние между точками А и В (длина отрезка АВ); |Аа| – расстояние от точки А до линии а; |Aα| – расстояние от точки А до поверхности α; |ab| – расстояние между линиями а и b; |αβ| – расстояние между поверхностями α и β. 8. Для плоскостей проекций приняты обозначения: π1 и π2, где π1 – горизонтальная плоскость проекций; π2 – фронтальная плоскость проекций. При замене плоскостей проекций или введении новых плоскостей последние обозначают π3, π4 и т.д. 9. Оси проекций обозначаются: х, у, z, где х – ось абсцисс; у – ось ординат; z – ось аппликат. Постоянную прямую эпюра Монжа обозначают k. 10. Проекции точек, линий, поверхностей, любой геометрической фигуры обозначаются теми же буквами (или цифрами), что и оригинал, с добавлением верхнего индекса, соответствующего плоскости проекции, на которой они получены: A′, B′, C′, D′, ..., L′, M′, N′, ... – горизонтальные проекции точек; A′′, B′′, C′′, D′′, ..., L′′, M′′, N′′, ... – фронтальные проекции точек; a′, b′, c′, d′, ..., l′, m′, n′, ... – горизонтальные проекции линий; a′′, b′′, c′′, d′′, ..., l′′, m′′, n′′, ... – фронтальные проекции линий; α′, β′, γ′, δ′, ..., ζ′, η′, ν′, ... – горизонтальные проекции поверхностей; α′′, β′′, γ′′, δ′′, ..., ζ′′, η′′, ν′′, ... – фронтальные проекции поверхностей. 11. Следы плоскостей (поверхностей) обозначаются теми же буквами, что и горизонталь или фронталь, с добавлением подстрочного индекса 0α, подчеркивающего, что эти линии лежат в плоскости проекции и принадлежат плоскости (поверхности) α. Так: h0α – горизонтальный след плоскости (поверхности) α; f0α – фронтальный след плоскости (поверхности) α. 12. Следы прямых (линий) обозначаются заглавными буквами, с которых начинаются слова, определяющие название (в латинской транскрипции) плоскости проекции, которую пересекает линия, с подстрочным индексом, указывающим принадлежность к линии. Например: Ha – горизонтальный след прямой (линии) а; Fa – фронтальный след прямой (линии) а. 13. Последовательность точек, линий (любой фигуры) отмечается подстрочными индексами 1, 2, 3, …, n: A1, A2, А3, ... , An; Обозначения и символика
а1, a2, a3, ... , an; α1, α2, α3, ... , αn; Φ1, Φ2, Φ3, ... , Φn и т.п. Вспомогательная проекция точки, полученная в результате преобразования для получения действительной величины геометрической фигуры, обозначается той же буквой с подстрочным индексом 0: A0, В0, C0, D0, ... Аксонометрические проекции 14. Аксонометрические проекции точек, линий, поверхностей обозначаются теми же буквами, что и натура с добавлением верхнего индекса 0: A0, B 0, C 0, D 0, … 10, 20, 30, 40, ... a0, b0, c0, d 0, ... α0, β0, γ0, δ0, ... 15. Вторичные проекции обозначаются путем добавления верхнего индекса 1: A10, B 10, C 10, D10, … 110, 210, 310, 410, … a10, b10, c10, d10, ... α10, β10, γ10, δ10, ... Для облегчения чтения чертежей в учебнике при оформлении иллюстративного материала использованы два цвета, каждый из которых имеет определенное смысловое значение: линиями (точками) черного цвета обозначены исходные данные и результаты. Зеленый цвет использован для линий вспомогательных графических построений. Таблица 1 Б. Символы, обозначающие отношения между геометрическими фигурами № Обозначение Содержание Пример символической записи 1 ≡ Совпадают (AB) ≡ (CD) – прямая, проходящая через точки А и В, совпадает с прямой, проходящей через точки С и D Обозначения и символика
2
Конгруентны
∠ABC ฟ ∠MNK – угол АВС конгруентен углу MNK
3
Подобны
ΔABC ฑ ΔMNK – треугольники
АВС и MNK подобны
4
| |
Параллельны
α | | β – плоскость α параллельна
плоскости β
5
⊥
Перпендикулярны
a ⊥ b – прямые a и b перпендикулярны
6
•—
Скрещиваются
c •— d – прямые с и d скрещиваются
7
∩
—
Касательные
t ∩
— l – прямая t является касательной к линии l
β ∩
— α – плоскость β касательная к
поверхности α
8
→
Отображаются
Φ1 → Φ2 – фигура Φ1 отображается на фигуру Φ2
9
S
Центр проецирования. Если центр
проецирования
несобственная точка,
то его положение
обозначается стрелкой, указывающей
направление проецирования
–
10
s
Направление
проецирования
–
11
P
Параллельное
проецирование
P α
s – параллельное проецирование
на плоскость α в направлении s
Продолжение таблицы 1
В. Обозначения теоретико-множественные
№
Обозначение
Содержание
Пример
символической записи
Пример символической
записи в геометрии
1
M, N
Множества
–
–
2
А, В, С, ...
Элементы
множества
–
–
3
{…}
Состоит из ...
Φ{A, B, C, ... }
Φ{А, В, С, ...} – фигура Φ
состоит из точек А, В, С, ...
4
∅
Пустое
множество
L – ∅ – множество L
пустое (не содержит
элементов)
–
Обозначения и символика
5
∈
Принадлежит,
является элементом
2 ∈ N (где N – множество натуральных
чисел) – число 2 принадлежит множеству N
A ∈ a – точка А принадлежит прямой а (точка А
лежит на прямой а)
6
⊂
Включает,
содержит
N ⊂ M – множество N
является частью (подмножеством) множества M всех рациональных чисел
a ⊂ α – прямая а принадлежит плоскости α
(понимается в смысле:
множество точек прямой
а является подмножеством точек плоскости α)
7
∪
Объединение
C = A ∪ B – множество С есть объединение множеств A и В;
{1, 2, 3, 4, 5} = {1, 2,
3} ∪ {4, 5}
ABCD = [AB] ∪ [BC] ∪
∪ [CD] – ломаная линия,
ABCD есть объединение
отрезков [АВ], [ВС], [CD]
8
∩
Пересечение
множеств
M = K ∩ L – множество М есть пересечение множеств K
и L (содержит в себе
элементы, принадлежащие как множеству
K, так и множеству L).
M ∩ N = ∅ – пересечение множеств М и
N есть пустое множество (множества M
и N не имеют общих
элементов)
a = α ∩ β – прямая a есть
пересечение плоскостей
α и β
a ∩ b = ∅ – прямые а и b
не пересекаются (не имеют общих точек)
Продолжение таблицы 1
ГРУППА II
СИМВОЛЫ, ОБОЗНАЧАЮЩИЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
№
Обозначение
Содержание
Пример символической записи
1
∧
Конъюнкция предложений; соответствует союзу
«и». Предложение (p ∧ q)
истинно тогда и только
тогда, когда р и q оба
истинны
α ∩ β = {K : K ∈ α ∧ K ∈ β}
Пересечение поверхностей α
и β есть множество точек
(линия), состоящее из всех
тех и только тех точек K,
которые принадлежат как
поверхности α, так и поверхности β
Обозначения и символика