Винтовое движение: Просто и понятно
Винтовое движение объединяет два фундаментальных движения: поворот вокруг оси и скольжение вдоль неё. Так устроен штопор, саморез, винтовая лестница и молекула ДНК!
Карточки-перевёртыши: Разберись за 10 секунд
Коснись любой карточки пальцем, чтобы перевернуть её и узнать секрет:
Геометрическая «Змейка»: Играй прямо здесь
Собирай параметры винта: угол $\varphi$ и вектор сдвига $\vec{p}$! Геометрический смысл: по горизонтали поле замкнуто (выходя слева, змейка появляется справа) — это точная плоская развёртка поверхности цилиндра!
📱 На телефоне: просто проводи пальцем по экрану (свайпы вверх, вниз, влево, вправо)
💻 На ПК: стрелки клавиатуры или клавиши W, A, S, D
Плавная 3D-модель винта
Вращай фигуру пальцем в 3D. Нажми «Авто-полет», чтобы запустить шелковистую анимацию:
1. Определение винтового движения
«Винтовое движение – это композиция поворота $R_{\alpha}^{\varphi}$ на угол $\varphi$ вокруг оси $\alpha$ на вектор $\vec{p}$, который параллелен этой оси».
Оригинальные схемы из конспекта (первая фотография):
2. Доказательство, что это — движение
«Поворот и перенос – это движение, следовательно их композиция тоже движение, т.к. каждое преобразование сохраняет расстояние между точками».
3. Полный геометрический вывод формул
Рассмотрим пространственную прямоугольную систему координат $Oxyz$ (вторая фотография):
Шаг 1: Вывод формул поворота вокруг оси $Oz$
Пусть ось винта совпадает с осью $Oz$. При повороте вокруг $Oz$ координата $z$ остаётся неизменной ($z' = z$), а в плоскости $Oxy$ происходит поворот точки $M(x, y)$ на угол $\varphi$.
1. В полярных координатах: $x = r\cos\psi, \; y = r\sin\psi$.
2. При повороте на угол $\varphi$: $x' = r\cos(\psi + \varphi), \; y' = r\sin(\psi + \varphi)$.
3. По формулам сложения тригонометрии раскрываем скобки:
$$\begin{aligned} x' &= r(\cos\psi\cos\varphi - \sin\psi\sin\varphi) = x\cos\varphi - y\sin\varphi \\ y' &= r(\sin\psi\cos\varphi + \cos\psi\sin\varphi) = x\sin\varphi + y\cos\varphi \end{aligned}$$Шаг 2: Добавление переноса на вектор $\vec{p}$
Вектор параллелен оси вращения $Oz$: $\vec{p} = (0, 0, h)$, где $h$ — шаг винта:
📱 Интерактивный калькулятор координат
4. Неподвижные объекты
Если $\varphi \ne 180 \cdot n$, $n$ – целое:
- 1) неподвижных точек нет
- 2) неподвижная прямая только ось поворота
- 3) неподвижных плоскостей нет
5. Ориентация пространства
«Ориентация не меняется. Док-во аналогично».
Параллельный перенос сохраняет ориентацию.
Следовательно: их композиция (винтовое движение) тоже сохраняет ориентацию пространства!
6. Практические задачи для класса
Нахождение образа точки и расстояния
Условие: Точка $A(3, 0, 2)$ совершает винтовое движение вокруг оси $Oz$ на угол $\varphi = 90^\circ$ со сдвигом на вектор $\vec{p}(0, 0, 4)$.
1) Найдите координаты образа $A''$.
2) Найдите расстояние $|AA''|$ между начальной и конечной точкой.
👉 Показать понятное пошаговое решение
1. Поворот на $90^\circ$:
2. Сдвиг на вектор $(0, 0, 4)$:
3. Расстояние:
Ответ:
Неподвижные плоскости
Вопрос: Существуют ли неподвижные плоскости при винтовом движении, если угол $\varphi \ne 180^\circ \cdot n$?