Исследовательская работа по теме

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Исследовательская работа по теме

«Невозможные фигуры»

Выполнил: Слинчук Данил ученик 6Б класса

Руководитель: учитель математики

Казьменко Елена Александровна

Воронеж

2017 г

Содержание

Введение 3

1. Определение невозможных фигур 4

2. Виды невозможных фигур 8

2.1. Удивительный треугольник – трибар 8

2.2. Бесконечная лестница 9

2.3. Космическая вилка 11

2.4. Невозможные ящики 12

3. Применение невозможных фигур 13

3.1. Невозможные фигуры в иконописи 13

3.2. Невозможные фигуры в архитектуре и скульптуре 15

3.3.Невозможные фигуры в живописи 16

3.4.Невозможные фигуры в филателистке 18

3.5.Невозможные фигуры в оформительском искусстве 19

3.6.Невозможные фигуры в мультипликации 20

3.7.Невозможные фигуры в логотипах и символике 21

4. Создание невозможных фигур 22

Заключение 24

Список литературы 25

Введение

Невозможные фигуры известны чуть ли не со времен наскальной живописи, их систематическое изучение началось лишь в середине XX века, то есть практически на наших глазах, а до этого математики отмахивались от них как от досадного недоразумения.

В 1934 году Оскар Реутерсвард (Oscar Reutersvard) случайно создал свою первую невозможную фигуру - треугольник, составленный из девяти кубиков, но вместо того, чтобы что-то исправить, принялся создавать другие невозможные фигуры одну за другой.

Даже такие простые объемные формы, как куб, пирамида, параллелепипед можно представить как комбинацию нескольких фигур, находящихся на разном расстоянии от глаза наблюдателя. Всегда при этом должна быть линия, по которой изображение отдельных частей совмещающих в целостную картину.

«Невозможная фигура» - это выполненный на бумаге трехмерный объект, который не может существовать в действительности, но который, однако, можно видеть как двухмерное изображение». Это один из видов оптических иллюзий, фигура, кажущаяся на первый взгляд проекцией обычного трёхмерного объекта, при внимательном рассмотрении которой становятся видны противоречивые соединения элементов фигуры. Создаётся иллюзия невозможности существования такой фигуры в трёхмерном пространстве.

Несмотря на значительное количество публикаций о невозможных фигурах их четкого определения по существу не сформулировано. Можно прочесть, что к невозможным фигурам относятся все оптические иллюзии, связанные с особенностями нашего восприятия мира. С другой стороны человек может показать Вам фигуру человека зеленого цвета или с десятью руками и пятью головами и сказать, что все это невозможные фигуры. При этом он будет по своему прав. Ведь людей зеленого цвета с десятью ногами не бывает. Мы под невозможными фигурами будем понимать плоские изображения фигур воспринимаемые человеком однозначно, как они нарисованы без восприятия человеком каких бы то ни было дополнительных, фактически не нарисованных изображений или искажений и которые не возможно представить в трехмерном виде. Невозможность представления в трехмерном виде понимается, конечно, только непосредственная без учета возможности применения специальных средств при изготовлении невозможных фигур, т. к. всегда невозможную фигуру можно изготовить, применив хитроумную систему прорезей, дополнительных поддерживающих элементов и изгибания элементов фигуры, а затем сфотографировав ее под нужным углом

Передо мной встал вопрос: «Существуют ли в реальном мире невозможные фигуры?»

Цель проекта:

1.Выяснить, как создаются невозможные фигуры и где их применяют.

Задачи проекта:

1.Изучить литературу по теме «Невозможные фигуры».

2.Составить классификацию невозможных фигур.

3.Рассмотреть способы построения невозможных фигур.

4.Создать невозможную фигуру.

Тема моей работы актуальна ведь понимание парадоксов является одним из признаков того вида творческого потенциала, которым обладают лучшие математики, ученые и художники. Многие работы с нереальными объектами можно отнести к «интеллектуальным математическим играм». Моделировать подобный мир можно только с помощью математических формул, человек представить его просто не в состоянии. И для развития пространственного воображения оказываются полезными невозможные фигуры. Человек неустанно мысленно создает вокруг себя то, что для него будет просто и понятно. Он даже не может себе представить, что некоторые объекты, окружающие его, могут быть «невозможными». На самом деле мир един, но рассматривать его можно с разных сторон.

Виды невозможных фигур

"Невозможные фигуры" делятся на 4 группы:

2.1. Удивительный треугольник – трибар (рис.5).

Рисунок 5. Трибар

Эта – фигура – возможно первый опубликованный в печати невозможный объект. Она появилась в 1958 году. Её авторы, отец и сын Лайонелл и Роджер Пенроузы, генетик и математик соответственно, определили этот объект как "трехмерную прямоугольную структуру"[2]. Она также получила название "трибар". С первого взгляда трибар кажется просто изображением равностороннего треугольника. Но стороны, сходящиеся вверху рисунка, кажутся перпендикулярными. В тоже время левая и правая грани внизу тоже кажутся перпендикулярными. Если смотреть на каждую деталь отдельно, то она кажется реальной, но, в общем, эта фигура существовать не может. Она не деформирована, но при черчении были неправильно соединены правильные элементы.

Вот еще несколько примеров невозможных фигур на основе трибара (рис.6-9).

Рисунок 6. Тройной деформированный трибар Рисунок 7. Треугольник из 12 кубов

Рисунок 8. Крылатый трибар Рисунок 9. Тройное домино Знакомство с невозможными фигурами (особенно в исполнении Эшера), конечно, ошеломляет, но тот факт, что любую из невозможных фигур возможно сконструировать в реальном трехмерном мире, приводит в недоумение. Как известно, всякое двухмерное изображение представляет собой проекцию трехмерной фигуры на плоскость (лист бумаги). Способов проекции существует достаточно много, но в рамках каждого из них отображение выполняется однозначно, то есть существует строгое соответствие между трехмерной фигурой и ее двухмерным изображением. Однако аксонометрические, изометрические и другие популярные способы проекции являются однонаправленными преобразованиями, осуществляемыми с потерей информации и потому обратное преобразование может быть выполнено бесконечным множеством способов, то есть двухмерному изображению соответствует бесконечное множество трехмерных фигур и любой математик без труда докажет, что такое преобразование возможно для любого двухмерного изображения. То есть, на самом деле никаких невозможных фигур нет! А вот другое отображение от Матье Хемакерза. Возможных вариантов обратного отображения много (рис.10). Бесконечно много!

Рисунок 10. Треугольник Пенроуза в различных ракурсах

2.2. Бесконечная лестница

Эту фигуру чаще всего называют "Бесконечной лестницей", "Вечной лестницей" или "Лестницей Пенроуза" – по имени ее создателя. Ее также называют "непрерывно восходящей и нисходящей тропой" (рис.11).

Рисунок 11. Бесконечная лестница

Впервые эта фигура была опубликована в 1958 году [2]. Перед нами предстает лестница, ведущая, казалось бы, вверх или вниз, но при этом, человек, шагающий по ней, не поднимается и не опускается. Завершив свой визуальный маршрут, он окажется в начале пути.

"Бесконечной лестницей" с успехом воспользовался художник Мауриц К. Эшер, на этот раз в своей литографии "Восхождение и нисхождение", созданной в 1960 году.

Лестница с четырьмя или семью ступеньками. На создание этой фигуры с большим количеством ступенек автора могла вдохновить куча обыкновенных железнодорожных шпал. Собравшись взобраться на эту лестницу, вы будете стоять перед выбором: подняться ли по четырем или по семи ступенькам.

Создатели этой лестницы воспользовались параллельными линиями при разработке конечных деталей блоков, находящихся на одинаковом расстоянии; кажется, что некоторые блоки перекручиваются, чтобы соответствовать иллюзии.

2.3. Космическая вилка

Следующая группа фигур под общим названием "Космическая вилка". С этой фигурой мы входим в самую сердцевину и суть невозможного. Может быть, это самый многочисленный класс невозможных объектов (рис.12).

Рисунок 12. Космическая вилка

Этот пресловутый невозможный объект с тремя (или с двумя?) зубцами стал популярен у инженеров и любителей головоломок в 1964 году. Первая публикация, посвященная необычной фигуре, появилась в декабре 1964 года. Автор назвал ее "Скобой, состоящей из трех элементов".

С практической точки зрения этот странный трезубец или механизм в виде скобы, абсолютно неприменим. Некоторые называют его просто "досадной ошибкой". Один из представителей аэрокосмической промышленности предложил использовать его свойства при конструировании межпространственного космического камертона.

Рисунок 13. Башня с четырьмя колоннами-близнецами

2.4. Невозможные ящики

Еще один невозможный объект появился в 1966 году в Чикаго в результате оригинальных экспериментов фотографа доктора Чарльза Ф. Кокрана. Многие любители невозможных фигур проводили эксперименты с "Сумасшедшим ящиком". Первоначально автор назвал ее "Свободным ящиком" и заявил, что она была "сконструирована для пересылки невозможных объектов в большом количестве"(рис.14).

Рисунок 14. Невозможные ящики

"Сумасшедший ящик" – это вывернутый наизнанку каркас куба. Непосредственным предшественником "Сумасшедшего ящика" была "Невозможная коробка" (автор Эшер), а ее предшественником в свою очередь стал куб Неккера (рис.15).

Рисунок 15. Куб Неккера

Он не является невозможным объектом, однако представляет собой фигуру, в которой параметр глубины может восприниматься неоднозначно.

Когда мы вглядываемся в куб Неккера, то замечаем, что грань с точкой находится то на переднем, то на заднем плане, она перепрыгивает из одного положения в другое.

Создание невозможных фигур

Как показал опрос моих одноклассников большинство ребят не знают о существовании невозможных фигур (Приложение 1), хотя многие машинально чертят геометрические фигуры, когда разговаривают по телефону, и легко изображали невозможные фигуры. Например, можно провести пять, шесть или семь параллельных линий, закончить эти линии в разных концах по-разному – и невозможная фигура готова. Если, например, провести пять параллельных линий, то их можно закончить как две балки с одной стороны и три с другой (рис.29).

Рисунок 29. Простые чертежи невозможных фигур

Я создал несколько невозможных фигур, чтобы более наглядно представить, как они могут существовать. Для этого я взял в сети интернет развертки для склеивания (Приложения 2,3 и 4). Развертку невозможного треугольника (трибара) распечатал на принтере. В результате получились фигура, на первый взгляд мало похожая на трибар (рис.30).

Рисунок 30. Изготовленный трибар

Сначала я подумал, что ошибся в изготовлении, но посмотрев на нее под определенным углом, все отлично получилось. Отмечу, что для создания полной иллюзии необходим правильный угол зрения и верное освещение.

На следующих рисунках 31 и 32 показаны более сложные фигуры, так же изготовленные мною.

Рисунок 31. Невозможная фигура 1

Рисунок 32. Невозможная фигура 2

Заключение

Невозможные фигуры заставляют наш разум сначала увидеть то, чего быть не должно, затем искать ответ - что же сделано не так, в чем скрыта изюминка парадокса. А ответ найти порой не так - то просто - он скрыт в оптическом, психологическом, логическом восприятии рисунков.

Развитие науки, необходимость мыслить по-новому, поиски прекрасного - все эти требования современной жизни заставляют искать новые методы, которые способны изменить пространственное мышление, воображение.

Изучив литературу по теме, можно ответить на вопрос «Существуют ли в реальном мире невозможные фигуры?» Я понял, что невозможное возможно и нереальные фигуры можно сделать своими руками. Я создал модели Амес «Невозможного треугольника» и еще двух фигур. Мне удалось показать, что невозможные фигуры могут существовать в реальном мире.

Невозможные фигур широко используются в современной рекламе, промышленной графике, плакатах, оформительском искусстве и логотипах различных фирм, найдется ещё много областей, в которых будут использоваться невозможные фигуры.

Таким образом, можно сказать, что мир невозможных фигур чрезвычайно интересен и многообразен. Работа может быть использована на занятиях по математике для развития пространственного мышления учащихся. Для творческих людей, склонных к изобретательству, невозможные фигуры являются своеобразным рычагом для создания чего-то нового, необычного. Все это позволяет говорить об актуальности изучаемой темы.

Список литературы

1. Левитин Карл Геометрическая рапсодия. - М.: Знание, 1984, -176 с.

2. Пенроуз Л., Пенроуз Р. Невозможные объекты, Квант, № 5,1971, с.26

3. Реутерсвард О. Невозможные фигуры. – М.: Стройиздат,1990, 206 с.

4. Ткачева М.В. Вращающиеся кубики. – М.: Дрофа, 2002. – 168 с.

5. Интернет ресурсы:

· http://wikipedia.tomsk.ru

· http://www.konenko.net/imp.htm

· http://www.im-possible.info/russian/articles/reut_imp/