هندسه فضایی

هذلولی‌گون یکپارچه

هندسهٔ فضایی (Solid geometry) به هندسهٔ اقلیدسی در فضای سه‌بعدی اطلاق می‌شود. فضایی که در آن جدا از طول و عرض، ارتفاع نیز وجود دارد. هندسهٔ فضایی تا حدود زیادی نیاز به تصورات بالا دارد. کل جهان اطراف ما به صورت سه بعدی و فضایی است. هر حجمی را که می شناسید باید ویژگیهایش در مبحث هندسهٔ فضایی محاسبه شود. اشکالی چون کره، مخروط، و استوانه از این دسته هستند.

تاریخ

تاریخ هندسه فضایی مربوط به دوران یونان باستان برمی گردد،فیثاغورثی ها با مواد جامد منظم سروکار داشتند، اما هرم، منشور، مخروط و استوانه تا افلاطونیان مورد مطالعه قرار نگرفتند. یوداکسوس اندازه گیری آنها را انجام داد و ثابت کرد که هرم و مخروط یک سوم حجم یک منشور و استوانه روی یک پایه و هم ارتفاع دارند. او احتمالاً همچنین کاشف دلیلی بود که نشان می‌داد حجم محصور شده توسط یک کره متناسب با مکعب شعاع آن است.

تعریف موضوعات

مساحت و حجم

حجم: به مقدار فضایی که یک جسم اشغال می‌کند حجم می‌گویند. واحد حجم برابر با واحد مکعب است.حَجم کمیتی از فضای سه‌بعدی است که با یک مرز مشخص محدود شده‌است برای نمونه فضای اشغالی یک ماده (جامد، گاز، مایع، پلاسما) یا شکل آن است.حجم، یک یکای فرعی اس‌آی است که واحد آن، متر به توان ۳ (متر مکعب) می‌باشد. میزان حجم یک ظرف، برابر است با حجم سیالی که آن را پر می‌کند. برای محاسبه حجم، شکل‌های ۳ بعدی خاص، روابط مشخصی وجود دارد که برای شکل‌های ساده دارای نظم هندسی، روابط ساده هستند. برای شکل‌های پیچیده نیز که رابطه‌ی ساده‌ای برای محاسبه حجم، وجود ندارد از روش‌های انتگرالی می‌توان حجم را به‌دست آورد. حجم شکل‌های یک‌بعدی، مانند خط یا دوبعدی، مانند صفحه، صفر می‌باشد.

مساحت:نوعی کمیت است که مقدار سطح رویه اجسام سه بعدی و مقدار درونی اجسام دوبعدی را محاسبه می‌کند واحد مساحت برابر با واحدمربع است.مساحت کمیتی است که وسعت یک ناحیه را روی صفحه یا روی یک سطح منحنی بیان می کند. مساحت ناحیه صفحه یا مساحت صفحه به مساحت یک لایه یا لایه مسطح اشاره دارد ، در حالی که مساحت سطح به مساحت یک سطح باز یا مرز یک جسم سه بعدی اشاره دارد . مساحت را می توان به عنوان مقدار ماده ای با ضخامت معین که برای شکل دادن به مدلی از شکل لازم است یا مقدار رنگ لازم برای پوشاندن سطح با یک لایه درک کرد. این آنالوگ دو بعدی طول یک منحنی (یک مفهوم یک بعدی) یا حجم یک جامد (یک مفهوم سه بعدی) است.

احجام هندسی و احجام غیرهندسی

حجم های غیر هندسی= حجم های غیر هندسی به حجم های پیچیده گفته می‌شود که حجم های آن سخت بدست آید. اما مساحت آنها را می‌توان بدست آورد اما کمی پیچیده است.برای بدست آوردن حجم های غیرهندسی ابتدا در یک لیوان بشر،آب می‌ریزیم.بعد که پر از آب کردیم و مقدار لیتر را اندازه گیری کردیم؛جسم غیر هندسی را در آب می‌اندازیم با این روش آب بالا می‌آید، بعد مقدار آبی که با حجم غیر هندسی بالا آمده است را با مقدار آبی که قبل تعیین شد کم می‌کنیم و بعد حجم آن را اندازه گیری و می‌نویسیم.

حجم های هندسی= حجم های هندسی به اجسام هایی گفته می‌شود که برای آنها می‌توانیم برای آنهافرمول سطح و حجم بنویسیم.حجم آن اجسام هندسی را می‌توانیم به روش الگویابی با استفاده از تجزیه و تحلیل و اندازه گیری حجم اجزای متناظر و جمع بندی و فرمول بندی آن می‌توان فرمول حجم آن را بدست آورد.برای پیدا کردن مساحت آن ابتدا با تجزیه و گسترده کشیدن شکل به روش پیوسته و گسسته مساحت اجزای آن را حساب می‌کنیم و با آنالیز فرمول آن را می‌نویسیم.

مثال= کره،هرم،منشور،چندوجهی،استوانه،مخروط و مکعب،چهاروجهی،متوازی السطوح

تعریف منشور،کره،هرم،چندوجهی

تعریف منشور:منشور حجمی است که دارای دو قاعده وجه جانبی،راس و یال است .وجه های منشور مستطیلی است و تعداد وجه های آن با تعداد ضلع قاعده اش برابر است،تعداد راس های آن دو برابر وجه و تعداد یال سه برابر وجه منشور است.وجه های هرم با فرمولn+2بدست می آیو چون تعداد وجه هاب منشور همیشه دو تا بیشتر از وجه جانبی است چون دو وجه دیگر قاعده منشور هستند.منشور درهندسه،یک چندوجهی است که با یک قاعدهٔ n-ضلعی، انتقال‌یافتهٔ چندضلعی قاعده (درصفحه‌ای دیگر) و n وجه دیگر که لزوماً همه متوازی‌الأضلاع بوده و رأس‌های متناظر دو n-ضلعی را به هم متصل می‌کنند. همهٔ سطح مقطع‌های موازی با قاعده، یکسان هستند. منشورها با توجه به تعداد اضلاع قاعده‌شان نام‌گذاری می‌شوند؛ بنابراین به‌عنوان مثال، یک منشور با قاعدهٔ پنج‌ضلعی، منشور پنج‌ضلعی نامیده می‌شود.در تعریف منشور به هرم این است که منشور همان هرم است ولی راس آن در بی نهایت قرار دارد

تعریف هرم:هرم حجمی است که وجه های آن در یک نقطه قطع میشود و وجه های آن مثلثی شکل است که دارای یک قاعده است.وجه های هرم با فرمولn+1بدست می آید چودن هرم دارای یک راسی اضافه است.تعداد یال های هرم دوبرابر تعداد ضلع قاعده است.درواقع هرم شکلی سه‌بعدی است که از اتصال نقطه‌ای در فضا به تمام نقاط شکلی بسته در صفحه به وجود می‌آید. به آن نقطه، رأس هرم و به آن شکل مسطح، قاعده هرم گفته می‌شود. قاعده هرم، چندضلعی دلخواه است و سایر وجه‌ها مثلث‌هایی هم راس هستند که در رأس به یکدیگر متصل می‌شوند. خط قائمی که رأس را به قاعده متصل می‌کند، ارتفاع هرم نامیده می‌شود. از معروف ترین سازه های جهان به شکل هرم ،می توان به اهرام ثلاثه مصر اشاره کرد.

تعریف کره:کره یک جسم هندسی کاملاً گرد در فضای سه بعدی است. برای نمونه توپ یک کره است. کره مانند دایره که در دو بعد است، در فضای سه بعدی یک کاملاً متقارن در گرداگرد یک نقطه‌است. تمام نقاطی که بر سطح کره جای دارند در فاصلهٔ یکسان از مرکز کره قرار دارند. فاصلهٔ این نقطه‌ها از مرکز کره، شعاع کره نام دارد و با حرف r نمایش داده می‌شود. بلندترین فاصله از دو سوی کره (که از درون کره عبور کند) قطر کره نام دارد. قطر کره از مرکز آن نیز می‌گذرد و در نه نتیجه اندازهٔ آن دو برابر شعاع است. ،کره مجموعه نقاطی از فضا است که دارای شعاع و قاعده دایره ای شکل است که یک چند وجهی منتظم است.کره حاصل دوران یک نیم دایره و دایره حول قطر است که در دایره به اندازه ۱۸۰درجه می چرخد و در نیم دایره به اندازه۳۶۰درجه میچرخد.وجه های کره بر اساس تقسیمی از مساحت آن که۳۶۰ درجه است به چندین درجه تقسیم می‌کنیم.

تعریف چندوجهی:چندوجهی یک شیء صلب هندسی در فضای سه بعدی است که وجه‌هایی صاف (هر وجه در یک صفحه) و ضلع‌ها یا یال‌هایی واقع بر خط راست دارد. تا کنون تعریف واحدی برای آن ارائه نشده‌است. چهاروجهی از انواع هرم است و مکعب نمونه‌ای از یک شش وجهی است. چندوجهی می‌تواند محدب یا غیر محدب باشد.چندوجهی‌هایی مثل هرم و منشور را با می‌توان اکستروژن (بیرون کشیدن) چندضلعی‌های دوبعدی ساخت. تنها تعداد محدودی از چندوجهی‌های محدب با وجوه منتظم و شکل گوشه‌های برابر می‌تواند وجود داشته باشد که شامل اجسام افلاطونی و اجسام ارشمیدسی می‌شود. برخی اجسام ارشمیدسی را می‌توان با بریدن هرم راس اجسام افلاطونی ساخت.به دلیل سادگی ساختن، در غالب آثار معماری مانند گنبدهای ژئودزیک و اهرام از چندوجهی‌ها استفاده می‌شود. اخیراً نیز به علت استفاده از اشکال علاقه به سطوح چندوجهی افزایش یافته‌است. برخی مولکول‌ها و اتم‌های فشرده، به‌ویژه ساختارهای بلوری و هیدروکربن‌های افلاطونی و همچنین برخی شعاعیان شکلی شبیه اجسام افلاطونی دارند. از اجسام افلاطونی در ساخت تاس نیز استفاده می‌شود.چندوجهی‌ها ویژگی‌ها و انواع گوناگونی دارند و در گروه‌های تقارنی مختلفی جای می‌گیرند. با اعمالی روی هر چندوجهی می‌توان چندوجهی‌های دیگری ساخت. بعضی از آنها با هم روابطی دارند. چندوجهی‌ها از عصر حجر مورد توجه بوده‌اند.کره نیز از خانواده چندوجهی ها نیز به حساب می آید.مکعب،چهاروجهی،متوازی السطوح از احجام های هندسی هستند که چندوجهی نیز به حساب می آید.

مقطع مخروطی

در ریاضیات، یک مقطع مخروطی (یا به سادگی یک مخروطی، گاهی اوقات منحنی درجه دوم نامیده می شود) منحنی است که به عنوان تقاطع سطح یک مخروط با یک صفحه به دست می آید. سه نوع مقطع مخروطی عبارتند از هذلولی، سهمی و بیضی. دایره یک حالت خاص از بیضی است، اگرچه از نظر تاریخی گاهی اوقات آن را نوع چهارم می نامند. ریاضیدانان یونان باستان برش های مخروطی را مورد مطالعه قرار دادند که در حدود 200 سال قبل از میلاد در کار سیستماتیک آپولونیوس پرگا بر روی خواص آنها به اوج رسید.

فضای سه بعدی

در ریاضیات فضای سه بعدی فضای برداری دارای سه بعد و یک مدل هندسی از جهان فیزیکی است که در آن زندگی می‌کنیم. ابعاد سه‌گانه معمولاً به نام طول، عرض، و ارتفاع (یا عمق) شناخته می‌شوند اگر چه این نامگذاری اختیاری است.

هندسه کروی

هندسه کروی شاخه ای از هندسه است که به سطح دو بعدی یک کره می پردازد. این نمونه ای از هندسه است که با هندسه اقلیدسی ارتباطی ندارد. کاربرد عملی هندسه کروی در زمینه هوانوردی و نجوم است.در هندسه اقلیدسی، خطوط مستقیم و نقاط مفاهیم اصلی هستند. در کره، نقاط به معنای معمول خود تعریف می شوند. در هندسه اقلیدسی، خطوط به معنای خط مستقیم نیستند، اما در مفهوم کوتاه ترین فاصله بین دو نقطه، خط مستقیمی مطرح می شود که به آن ژئودزیک می گویند. در یک کره، ژئودزیک ها دایره های بزرگی هستند. سایر مفاهیم هندسی در صفحه تعریف شده اند با این تفاوت که به جای دایره بزرگ از خط مستقیم استفاده می شود. بنابراین در هندسه کروی، زوایا بین دایره های بزرگ تعریف می شود و در نتیجه مثلثات کروی از بسیاری جهات با مثلثات معمولی متفاوت است. به عنوان مثال: مجموع زوایای داخلی یک مثلث بیش از ۱۸۰ درجه است.هندسه کروی هندسه بیضوی (ریمانی) نیست، اما این ویژگی که خطی از یک نقطه نمی تواند خطی موازی با آن داشته باشد، در هر دو مشترک است. در ایزومتریک هندسه کروی با هندسه اقلیدسی، خط از یک نقطه دارای خطی موازی با خود است و در ایزومتری با هندسه هذلولی، خط از یک نقطه دارای دو خط موازی با خود و بی نهایت است. مفاهیم هندسه کروی ممکن است برای کره دوکی به کار رود، اگرچه تغییرات جزئی باید در فرمول های خاصی انجام شود.

مختصات کروی

در ریاضیات مختصات کروی،برای فضای سه بعدی است که در آن موقعیت یک نقطه با سه عدد مشخص می شود: فاصله شعاعی آن نقطه از یک مبدأ ثابت، زاویه قطبی آن اندازه گیری شده از یک جهت اوج ثابت ، و زاویه متعامد برآمدگی متعامد آن بر روی صفحه مرجعی که از مبدا می گذرد و متعامد به نقطه اوج است، از یک جهت مرجع ثابت در آن صفحه اندازه گیری می شود. می توان آن را نسخه سه بعدی سیستم مختصات قطبی دید .

استفاده از نمادها و ترتیب مختصات در منابع و رشته ها متفاوت است. این مقاله از کنوانسیون ISO  که اغلب در فیزیک با آن مواجه می‌شود، استفاده می‌کند :فاصله شعاعی، زاویه قطبی و زاویه ازیموت را نشان می دهد. در بسیاری از کتاب های ریاضی،یافاصله شعاعی، زاویه ازیموتال و زاویه قطبی را نشان می‌دهد و معانی θ و φ را تغییر می‌دهد . قراردادهای دیگری نیز استفاده می شود، مانند r برای شعاع از محور z ، بنابراین باید دقت زیادی برای بررسی معنای نمادها انجام شود.

طبق قراردادهای سیستم های مختصات جغرافیایی ، موقعیت ها با طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع (ارتفاع) اندازه گیری می شوند. تعدادی سیستم مختصات آسمانی بر اساس صفحات بنیادی مختلف و با اصطلاحات مختلف برای مختصات مختلف وجود دارد. سیستم های مختصات کروی مورد استفاده در ریاضیات معمولاً به جای درجه از رادیان استفاده می کنند و زاویه آزیموتال را در خلاف جهت عقربه های ساعت از محور x به محور y اندازه می گیرند نه در جهت عقربه های ساعت از شمال (0 درجه) به شرق (90 درجه) مانند سیستم مختصات افقی . .  زاویه قطبی اغلب با زاویه جایگزین می شودزاویه ارتفاع از صفحه مرجع اندازه گیری می شود، به طوری که زاویه ارتفاع صفر در افق باشد.

سیستم مختصات کروی سیستم مختصات قطبی دو بعدی را تعمیم می دهد. همچنین می توان آن را به فضاهای با ابعاد بالاتر گسترش داد و سپس به عنوان یک سیستم مختصات ابرکره ای نامیده می شود .

مختصات استوانه ای

مختصات استوانه‌ای نوعی مختصات متعامد (عمود برهم) است که در آن یک نقطه، در فضا بر روی قاعدهٔ یک استوانه در نظر گرفته می‌شود. مکان آن نقطه بر اساس شعاع و ارتفاع استوانه (r و z) و زاویه‌ای که شعاع قاعده گذرنده از آن نقطه با محور x می‌سازد (θ)، بیان می‌شود. این دستگاه، در حالت دوبعدی، با حذف مختص z به مختصات قطبی تبدیل می‌شود. در فیزیک و به ویژه در مباحث الکترومغناطیس و مخابرات به جای r، θ، z به ترتیب از حروف ρ، φ، z استفاده می‌شود.

جامدات و اجزای آن

جامدات اشکالی هستند که هندسه جامد با آنها سروکار دارد و دارای عناصر مختلفی هستند:

• حجم، همانطور که در سه بعد توسعه می یابند

• چهره (فقط برای جامدات با سطوح صاف، در مورد جامدات با سطوح منحنی این تعریف ممکن نیست)

• لبه ها :لبه ها از تشکیل راس و یال به وجود می آید

• رئوس :راس های اشکال چندوجهی دارای نقاطی هستند که یال های چندوجهی را تشکیل داده است.

• زوایای دو وجهی:زاویه ای است که بین دو وجه تشکیل می شود.

• زاویه فضایی :زاویه ای است که درون شکل حجمی قرار دارد.

حجم تمام فضای داخل شکل جامد است. بر خلاف منطقه به سه بعد تقسیم می شود. تا آنجا که به چند وجهی مربوط می شود، «صورت» هر یک از اشکال هندسی یا چندضلعی است که حجم آن را محدود می کند. نواحی تمام وجوه چند وجهی، وقتی با هم جمع شوند، مساحت سطح جامد را به دست می‌دهند. هر صورت با یک چند ضلعی نشان داده می شود که می تواند منظم یا نامنظم باشد. حداقل تعداد چهره های مورد نیاز برای ساخت یک چند وجهی 4 است. لبه قطعه تقاطع بین دو وجه چند ضلعی است. یعنی لبه ها با تقاطع بین وجه ها به دست می آیند، بنابراین در چند وجهی قطعاتی هستند که نشان دهنده اضلاع وجوه هستند. «راس» نقطه ای در هندسه است که در آن حداقل سه وجه از یک چندوجهی همگرا می شوند. بنابراین از تقاطع سه یا چند لبه مختلف تشکیل می شود.زاویه دو وجهی" همانطور که از نام آن پیداست، زاویه سه بعدی است که توسط دو وجه و لبه بین آنها تشکیل شده است. به طور کلی، یک زاویه دو وجهی از تقاطع دو صفحه در فضا ایجاد می شود. در مورد چند وجهی از تلاقی دو وجه ایجاد می شود. " "زاویه" ناحیه ای از فضا است که با 3 یا چند وجه محدود شده است که به سمت یک راس همگرا می شوند. حداقل تعداد وجه های لازم برای تشکیل زاویه 3 است. اندازه آن با مجموع تمام زوایای راس که آن را تشکیل می دهند به دست می آید. برای ساختن یک چندوجهی محدب، زوایای آن همیشه باید کمتر از 360 درجه باشد

چندوجهی به چندوجهی نامنظم، منشور و اهرام تقسیم می شود. در حالی که اجزای مختلف اولی به نظر از قانون خاصی از ترکیب پیروی نمی‌کنند، دومی همیشه توسط دو شکل‌های صفحه تشکیل می‌شوند که به‌عنوان پایه عمل می‌کنند (منظم یا نامنظم، اما در هر صورت برابر با هر کدام). دیگر) و تعدادی متوازی الاضلاع برابر با تعداد اضلاع شکل های اصلی است. از سوی دیگر، اهرام توسط یک شکل صاف که به عنوان قاعده عمل می کند (مانند قبل، منظم یا نامنظم) و توسط تعدادی مثلث برابر با تعداد اضلاع تشکیل می شوند. پایه؛ تمام مثلث های فوق دارای یک راس مشترک هستند.

منابع

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Solid geometry». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۲۴سپتامبر۲۰۲۲.