螺旋面
螺旋面是一類常見的曲面。以螺旋線和它的軸線為導線,直母線(也可以是曲母線)沿兩條導線滑動,並始終與軸線交成定角所形成的曲面稱為螺旋面。同螺旋線一樣,螺旋面也分成左旋和右旋兩種。在形成螺旋面的過程中,母線上各點軌跡都是螺旋線。這些螺旋線導程相等。畫出螺旋線和軸線的投影,再畫出若干直素線的投影以及包絡線,就得到螺旋面的投影 。常見的螺旋面有正螺旋面、斜螺旋面(阿基米德螺旋面)、sincos螺旋面、漸開螺旋面等。
正螺面定義
正螺面的圖形如圖1所示。
定義1:由一條垂直於螺旋軸的直線作螺旋運動時所畫出的曲面叫正螺面。
旋轉是以定角速度 w順著 z軸方向,且移動的距離與轉角 v 與( x 軸交角 ) 成正比,即正螺面的母線與螺線的“軸”垂直相交,當交點N沿軸移動時,母線繞軸旋轉,且N點轉動的距離與母線轉動的角度成正比。把 z 軸取作旋轉軸,M點為正螺面上任意一點,MN垂直於z軸,設MN=u,OP為MN在xy平面上的投影,OP與 x 軸的交角為 v 。 a 表示螺距 ( 比例係數 ) ,則正螺面的方程可寫成:
即:
定義2:圓柱螺線 的主法線曲面(直紋面)為正螺面 。
性質
正螺面是經典微分幾何曲面論中的重要研究對象,本身具有很多重要的幾何性質,例如正螺面是一種特殊的直紋面,可看作圓柱螺線的主法線面;正螺面的平均曲率恆為零,因此是極小曲面;此外通過計算正螺面的Gauss曲率,可以發現其Gauss曲率沿著直母線的正交軌線保持不變。
定理1:設α是一條曲率和撓率均恆不為零的曲線,S為α的主法線面。如果S沿著每條直母線平均曲率保持不變,則S必為正螺面。
定理2:設α是一條曲率和撓率均恆不為零的曲線,S為α的主法線面。如果S沿著每條直母線的正交軌線Gauss曲率保持不變,則S必為正螺面。
由定理1可直接得到如下推論:
推論:設S為某條曲率和撓率均恆不為零的曲線的主法線面。如果S的平均曲率為常數,則S必為正螺面 。
正螺面的性質
(1)正螺面的坐標曲線網是正交曲線網、漸近曲線網和等溫網;
(2)正螺面的直紋性:正螺面是直紋曲面,但不可展;
(3)正螺面是極小曲面:正螺面上的任意光滑曲線C圍成的曲面區域最小,換句話說,正螺面是極小曲面。