Что такое центр кривизны выпуклой поверхности полушара. Центр кривизны

давление непосредственно под выпуклой поверхностью жидкости больше давления под плоской поверхностью жидкости, а давление под вогнутой поверхностью жидкости меньше давления, чем под плоской поверхностью.

Расчет давления под сферической поверхностью жидкости

Она представляет из себя тонкий слой воды, который имеет две ограничивающие поверхности: внутреннюю и внешнюю. Радиусы кривизны этих поверхностей можно считать одинаковыми, так как толщина пленки в тысячи раз меньше радиуса пузыря. Вода из этого слоя постепенно стекает, слой утончается и, наконец, рвется. Так что пузыри по воде плавают не очень долго: от долей секунды до десятка секунд. Надо отметить, что по мере утончения водяной пленки размер пузыря практически не меняется.

Рассчитаем избыточное давление в таком пузыре. Для простоты рассмотрим однослойную полусферу радиуса r, располагающуюся на горизонтальной поверхности, будем так же считать, что снаружи воздуха нет. Пленка удерживается на заштрихованной поверхности за счет смачивания (рис. 2.3). При этом на нее вдоль границы контакта с поверхностью действует сила поверхностного натяжения, равная

где - коэффициент поверхностного натяжения жидкости,

Длина границы раздела пленка-поверхность равная .

Т. е. имеем:

.

Эта сила, действующая на пленку, а через нее и на воздух, направлена перпендикулярно поверхности (см. рис 2.3). Так что давление воздуха на поверхность и, следовательно, внутри пузыря можно рассчитать так:

Где F - сила поверхностного натяжения, равная ,

S - площадь поверхности: .

Подставляя значение силы F и площади S в формулу расчета давления получим:

и окончательно .

В нашем примере с воздушным пузырем на поверхности воды пленка двойная и, следовательно, избыточное давление равно .

На рисунке 2.4 приведены примеры однослойных сферических поверхностей, которые могут образоваться на поверхности жидкости. Над жидкостью находится газ, имеющий давление .

Капилля́рность (от лат. capillaris - волосяной), капиллярный эффект - физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п. Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.

На основе капиллярности основана жизнедеятельность животных и растений, химические технологии, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами.

Формула Лапласа

Рассмотрим тонкую жидкую плёнку, толщиной которой можно пренебречь. Стремясь минимизировать свою свободную энергию, плёнка создаёт разность давления с разных сторон. Этим объясняется существование мыльных пузырей: плёнка сжимается до тех пор, пока давление внутри пузыря не будет превышать атмосферное на величину добавочного давления плёнки. Добавочное давление в точке поверхности зависит от средней кривизны в этой точке и даётся формулой Лапласа:

Здесь R 1,2 - радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак - если по разную cторону. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому

Для случая поверхности кругового цилиндра радиуса R имеем

Спб.: Политехника, 2004. - 679 c.
ISBN 5-7325-0236-Х
Скачать (прямая ссылка): spravochniktehnologaoptika2004.djvu Предыдущая 1 .. 55 > .. >> Следующая
Погрешность метода пробного стекла складывается из погрешности определения радиуса кривизны самого пробного стекла и погрешности оценки числа наблюдаемых интерференционных колец. Последняя обычно не превышает 0,5 кольца или 0,14 мкм. Вид интерференционной картины, получаемой при наложении пробного стекла на проверяемую поверхность, показан на рис. 3.7.
Для определения знака ошибки нажимают на пробное стекло, направляя усилие нажима вдоль оси изделия. При нажиме следят за движением интерференционных колец.
Если кольца стягиваются к центру, то ошибка имеет положительный знак,т.е. радиус кривизны выпуклой проверяемой поверхности больше радиуса пробного стекла (для вогнутой -- наоборот). Если при нажиме кольца расширяются, уходя от центра, то ошиб-
Рис. 3.6. Схема контроля радиусов пробными стеклами
141
Рис. 3.7. Интерференционная картина при наложении пробного стекла
Рис. 3.8. Схема метода колец Ньютона
ка имеет отрицательный знак, т. е. радиус кривизны выпуклой поверхности менее радиуса кривизны вогнутой поверхности.
Методы измерения радиусов кривизны самих пробных стекол устанавливаются ГОСТ 2786-82*. В табл. 3.11 приведены средства измерения радиусов кривизны пробных стекол 1-го класса точности, рекомендованные инструкцией. Указанные в таблице измерения на оптиметре ИКГ проводятся методом сравнения с концевыми мерами.
Для проверки радиусов кривизны поверхностей пробных стекол 2-го и 3-го классов точности инструкцией рекомендуется несколько методов. Среди них - метод непосредственного измерения с помощью микрометров (которые обычно применяют для измерения стекол - полушаров с небольшим радиусом кривизны), автокол-лимационный метод и метод колец Ньютона.
По методу колец Ньютона измеряют радиусы.кривизны, превышающие 2000 мм (рис. 3.8). Проверяемая деталь 1 помещается на предметный стол 6 измерительного оптического прибора моделей ИЗА-2, УИМ-25, БМИ , на нее накладывается плоскопараллельная стеклянная пластина 5, нижняя поверхность которой имеет минимальные отступления от идеальной поверхности (N <0,1). Монохроматическим источником света 2 с помощью по-
Таблица 3.11.
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ ПРОБНЫХ СТЕКОЛ
Радиус кривизны, мм Средство измерения Форма стекла Предельная погрешность измерения
От 0,5 до 37,5 От 37,5 до 4000 Горизонтальный оптиметр ИКГ Автоколлимационная установка Выпуклое Вогнутое От 0,175 до 4,0 мкм 0,004-0,007 %
142
лупрозрачной пластины 3 осуществляется подсветка промежутка между пластиной 5 и деталью 1.
Образовавшуюся в промежутке кольцевую интерференционную картину наблюдают в микроскоп 4, и радиусы колец измеряют перемещением стола прибора 6. Радиус кривизны вычисляют по формуле
п Рп-Рр (kn-kp)X’
где рп - радиус интерференционного кольца kn; рр - радиус кольца kp; X - длина волны используемого источника света; пир - порядковые номера колец.
Расчеты показывают, что если kn - kp~ 200, и наведение на кольцо осуществляется с точностью до 0,1 его ширины, то относительная погрешность измерения R не превышает 0,1 %. Эта погрешность может быть в два-три раза снижена, если проверяемую и плоскую поверхности пластины 5 покрыть светоделительным слоем и вместо двухлучевой получить многолучевую интерференционную картину.
Принципиальная схема прибора, используемого при автокол-лимационном методе измерений радиусов кривизны, показана на рис. 3.9, а, б. Основу ее составляет автоколлимационный микроскоп 1, имеющий измерительное перемещение вдоль своей оси и оси сферической поверхности проверяемой детали 2. Для измерения радиуса кривизны осевым перемещением микроскопа последовательно добиваются получения резкого автоколлимационного изображения сетки микроскопа при наведении его на центр кривизны (рис. 3.9, а), а затем на вершину поверхности измеряемой сферы (рис. 3.9, б). Разность отсчетов для этих крайних положений микроскопов равна измеряемому радиусу кривизны поверх-
Рис. 3.9. Схема автоколлимационного метода измерения радиуса кривизны
143
ности. Точность измерений автоколлимационным методом в основном зависит от точности Дz фокусирования микроскопа на центр кривизны. Она составляет с учетом действия автоколлимации, мкм, Д z = 0,1/А2, где А - действующая апертура микрообъектива микроскопа или апертура измеряемой поверхности (берется наименьшее значение А).
Для уменьшения погрешности наведения (особенно при измерении радиусов кривизны поверхностей с малыми относительными отверстиями) в некоторых приборах применяют коинцидент-ный метод фокусировки . Диапазон радиусов кривизны поверхностей, измеряемых автоколлимационным методом, зависит от длины шкал измерительных приборов. При использовании измерительных машин типа ИЗМ удается измерять вогнутые поверхности с радиусом кривизны до 5000-6000 мм. При благоприятных обстоятельствах погрешность измерения не превышает 0,004 %.
Для измерения радиусов кривизны выпуклых и вогнутых поверхностей бесконтактным способом разработан прибор ГИП-2. В основу его схемы положен набор синтезированных голограмм. Принцип действия состоит в следующем (рис. 3.10).

1). Типы кривых с.3-4.

2). Число оборотов с.4-6.

3). Выпуклость с.6-7.

4). Самый большой вопрос с.7.

5). Мультфильм Литтла с.8-10.

6). Кривые и уравнения с.11.

7). Примеры с. 12.

8). Список литературы с.13

Сколько на земле кривых?

Этот вопрос кажется странным. Можно нарисовать неописуемой множество разнообразных кривых. Договоримся сначала, какие мы будем рассматривать. Здесь нам должен помочь повседневный опыт. Хорошая упругая верёвка или проволока не имеет острых углов. Поэтому мы будем изучать только гладкие кривые (без каких бы то ни было изломов), начерченные на земной поверхности. Таким кривым разрешается иметь сколько угодно точек самопересечения.

Типы кривых

Кривая – популярный математический объект, имеющий много интересных характеристик: кривизну, длину, число точек самопересечения, перегиба и т. Д. Все они заслуживают изучения. (О некоторых из них рассказано в статье Табачникова «О плоских кривых» в «Кванте» №11 за 1988 г.) А какие важны для нас? Может быть длина? Но кривых одинаковой длины всё равно слишком много. Считать одинаковыми кривые, у которых одинаковая кривизна? Тогда различных кривых будет больше, чем функций, - многовато… Чтобы больше не гадать, забудем сразу обо всех характеристиках кривой.

Будем понимать выражение «кривые не сильно отличаются друг от друга буквально и считать одинаковыми кривые, которые отличаются «малым шевелением». Теперь нам придется считать одинаковыми любые две кривые, которые можно продеформировать (перетянуть) друг в друга так, чтобы они все время оставались гладкими (рис. 1). Ведь такую деформацию можно разбить на серию «малых шевелений». Будем называть такие кривые кривыми одного типа.

Мы отбросили все видимые различия между кривыми. Естественно предположить, что при таком наивном соглашении все кривые - одного типа. Для незамкнутых кривых так оно и есть. Представим себе лежащую на земле веревку, начинающую распрямляться с одного из концов. Такая веревка плавно развернется в прямую линию (рис. 2). Итак, интересно рассматривать только замкнут ые кривые.

Теперь все готово, чтобы сформулировать строгий математический вопрос:

Сколько на Земле различных типов замкнутых кривых?

Этот вопрос имеет много разновидностей и дополнений, приводящие нас в вссьма популярную область современной математики. Об этом речь впереди, а пока давайте считать Землю плоской.

Рис. 1. Рис. 2.

Чиcло оборотов

Попробуйте продеформировать «восьмёрку» в нолик». Получилось? Тогда по дороге у вас обязательно возникло острие (рис, 3). А можно ли продеформировать так, чтобы кривая оставалась гладкой? Похоже, что нельзя. Как это строго доказать? Первая мысль - посчитать число самопересечений кривой или число областей, на которые кривая делит плоскость. Но эти числа могут меняться. Мы уже видели на рисунке 1, как кривая типа «восьмерки» потеряла пару точек самопересечения. Это значит, что четн ос ть числа сам о пересечений осталась без изменения. (Правда, в первый момент две точки превратились в одну, но ее следует рассматривать как слившуюся пару.) Точно так же обстоит дело с числом областей: они образуются и исчезают парами. Итак, «восьмерка» и «нолик» относятся к разным типам. Может быть, существует только два типа кривых? Ничего подобного.

На плоскости существует бесконечно много различных типов замкнутых кривых.

Чтобы доказать эту нашу первую теорему, каждой замкнутой кривой на плоскости поставим в соответствие натуральное число. Рассмотрим точку, движущуюся вдоль кривой (вектор ее скорости касается кривой в каждый момент времени). Пусть за некоторое время точка обежит всю кривую и вернется в начальное положение.

Числом оборотов кривой мы будем называть число полных оборотов, которые совершает вектор скорости этой точки. (Неважно, в каком направлении поворачивается вектор. Это зависит от направления движения точки вдоль кривой.)

Число оборотов - инвариант, т. е. оно не меняется при деформации кривой. Ведь это число не может измениться скачком при «малом шевелении» кривой, а деформация - цепочкатаких «шевелений». Следовательно, кривые с разным числом оборотов относятся к разным типам.

Разных чисел бесконечно много, значит, и кривых - тоже. Теорема доказана.

На самом деле, число оборотов - единственный инвариант плоской кривой. Это значит, что две кривые с одинаковыми числами оборотов принадлежат к одному типу. Попробуйте сами придумать доказательство, а если не получится - поэкспериментируйте. В крайнем случае, прочтите «Квант» № 4 за 1983 г. А мы лучше вспомним, что Земля - шар.

И все-таки она вертится...

Поверхность Земли - сфера. Сколько же на ней кривых? Сфера - это плоскость плюс еще одна точка (рис. 4). Рисунок 4 называется стереографической проекцией. Сделаем стереографическую проекцию из точки, не лежащей на кривой. Тогда эта кривая попадет на плоскость. Значит» на сфере столько же типов кривых, сколько на плоскости? Да, недалеко мы ушли от тех, кто и в правду считает Землю плоской. Вот правильный ответ.

На сфере существует ровно два различных типа замкнутых кривых.

Доказательство качнем с картинки (рис. 5). Как видите, число оборотов больше не сохраняется. Вот, что отличает кривые на сфере от кривых на плоскости. «Обернувшись» вокруг сферы, кривая потеряла два оборота. Теперь легко проделать такую же операцию над кривой с любым числом оборотов (надо только дорисовать у кривых на рисунке 5 несколько петелек в любом месте). Мы получили, что любую кривую можно продеформировать в одну из кривых на рисунке 6. В какую именно - зависит от четности числа оборотов.

Но как доказать, что кривые а) и 6) - разных типов не только на плоскости, но и на сфере? Ведь, строго говоря, число оборотов в этом случае вообще не определено. Выручает уже знакомая нам четность числа самопересечении. У кривой б) это число нечетно, а у кривой а) - четко (равно нулю).

Радиус кривизны выпуклой поверхности можно рассчитать по следующей формуле:

где: T1 - радиус кривизны выпуклой поверхности, мм;

T2 - радиус кривизны оптической зоны вогнутой поверхности, мм;

D - вершинная рефракция линзы, в диоптриях; n - показатель преломления материала линзы; t - толщина в центре линзы по ее оси, мм.

Ha предварительно нагретую сферическую оправку с радиусом, соответствующим радиусу оптической зоны полуфабриката, наносят наклеечный воск и приклеивают полуфабрикат со стороны обработанной вогнутой поверхности. Центровку проводят на специальном центрирующем устройстве с точностью 0,02-0,04 мм.

После остывания оправка вместе с отцентрированным на ней полуфабрикатом устанавливается на посадочный конус сферотокарного станка для обработки выпуклой поверхности.

Рассчитанный радиус устанавливают по индикатору, расположенному на поворотном суппорте. C помощью другого индикатора, установленного на шпинделе станка, определяют толщину слоя материала, снимаемого при обработке. Точение выпуклой поверхности производится за несколько проходов (аналогично обработке вогнутой поверхности) до тех пор, пока в центре линзы будет достигнута заданная толщина.

Полирование выпуклой поверхности проводят специальным полировальником, смоченным полирующей суспензией, на полировальном автомате (одно- или многошпиндельном). Время полирования - от 2 до 5 минут (в зависимости от материала).

Чистоту оптической поверхности линзы контролируют с помощью бинокулярного микроскопа или лупы сразу же после изготовления линзы до снятия ее с оправки с центральным отверстием. Оптическую силу измеряют на диоптриметре. Если в процессе контроля оказывается, что результаты обработки не удовлетворительны, то производится корректировка процесса.

После окончания полирования и контроля оптики линзу снимают с оправки, очищают от наклеечного воска.

При изготовлении наружной поверхности линз отрицательной рефракции сначала протачивают сферическую поверхность с расчетным радиусом кривизны оптической зоны до заданной толщины по центру, а затем протачивают лентикулярную зону с заданной толщиной края до сопряжения с оптической зоной. Радиус кривизны лентикулярной зоны является расчетным и зависит от конструктивных особенностей линзы. При расчете следует иметь в виду, что толщина линзы по краю не должна превышать 0,2 мм, а диаметр оптической зоны наружцой поверхности должен быть не менее 7,5 мм.

При изготовлении наружной поверхности линз положительной рефракции сначала протачивают сферическую поверхность расчетным радиусом до толщины по центру, превышающей требуемую на 0,03 мм. Величина радиуса зависит от толщины линзы по центру и по краю. Затем протачивают лентикулярную зону, начиная от края заготовки до расчетного диаметра оптической зоны наружней поверхности, который выбирается на 0,4-0,5 мм больше диаметра внутренней поверхности. По индикатору устанавливается расчетный радиус оптической зоны. Разворотом суппорта крепления резца и соответствующей подачей заготовки вершина резца совмещается с периферийным участком оптической зоны и производится обработка оптической зоны выпуклой поверхности.

Полирование проводят на полировальном станке с помощью специального полировальника, смоченного суспензией.

Изготовление ГПЖКЛ проводится по той же схеме, но используются менее интенсивные режимы обработки и специальные составы для очистки и полирования этих материалов.

При обработке сфероторических линз сначала протачивается вогнутая сферическая поверхность линзы по методике, рассмотренной выше, а затем для получения торической поверхности на периферии производится ее обработка торическим инструментом (обычно шлифовальником и полировальником) с заданными радиусами кривизны поверхностей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях фис. 76). Количество подготавливаемых торических инструментов завцсит от требуемого числа торических поверхностей на зоне уплощения (скольжения).

Для вытачивания шлифовальника используют специальный токарный станок, предназначенный для изготовления торического инструмента. При этом следует придерживаться следующих правил:

1. По разнице между радиусами в главных меридианах устанавливают поперечное смещение шпинделя относительно поворотного суппорта. Контроль перемещения ведут по индикатору часового типа. Например, для торического инструмента с радиусами 8,0/8,5 мм эта величина, называемая торической разностью, будет равна 0,5 мм.

2. Вращением поворотного суппорта протачивают заготовку инструмента на глуби-

Рис. 76. Схема торического полировальника.

ну не более 0,05 мм за каждый проход, до получения заданного радиуса, отсчитываемого по индикатору поворотного суппорта.

Затем изготовленный инструмент устанавливают в специальное приспособление («торическая вилка») полировального станка.

Подложку с проточенной заготовкой жестко закрепляют к поводку торической вилки. Затем поводок устанавливают в пазы вилки так, чтобы вогнутая поверхность заготовки опиралась на рабочую поверхность торического инструмента. Штырьком

верхнего шпинделя полировального станка фиксируют поводок торической вилки. Вертикальным перемещением качающейся головки доводочного станка необходимо добиться такого положения заготовки, чтобы она перемещалась только в центральной части торического инструмента. Шлифование производится шлифовальным порошком M7 и M3 до получения заданного размера оптической зоны. Время шлифования зависит от соотношения радиусов линзы и торической разности инструмента. Контроль получаемого размера оптической зоны проводят с помощью измерительной лупы увеличением 10х.

Кривизна кривой

Пусть γ(t ) - регулярная кривая в d -мерном евклидовом пространстве , параметризованная длиной . Тогда

называется кривизной кривой γ в точке p = γ(t ) , здесь обозначает вторую производную по t . Вектор

называется вектором кривизны γ в точке p = γ(t 0) .

Для кривой, заданной параметрически в общем случае (параметр не обязательно является длиной), кривизна отображается формулой

где и соответственно обозначают первую и вторую производную радиус-вектора γ в требуемой точке.

Для того чтобы кривая γ совпадала с некоторым отрезком прямой или со всей прямой, необходимо и достаточно, чтобы кривизна (или вектор кривизны) тождественно равнялась нулю.

Величина, обратная кривизне кривой, называется радиусом кривизны ; он совпадает с радиусом соприкасающейся окружности в данной точке кривой. Центр этой окружности называется центром кривизны .

Кривизна поверхности

Пусть Φ есть регулярная поверхность в трёхмерном евклидовом пространстве . Пусть p - точка Φ , T p - касательная плоскость к Φ в точке p , n - единичная нормаль к Φ в точке p , а - π e плоскость, проходящая через n и некоторый единичный вектор e в T p . Кривая γ e , получающаяся как пересечение плоскости π e с поверхностью Φ , называется нормальным сечением поверхности Φ в точке p в направлении e . Величина

где обозначает скалярное произведение , а k - вектор кривизны γ e в точке p , называется нормальной кривизной поверхности Φ в направлении e . С точностью до знака нормальная кривизна равна кривизне кривой γ e .

В касательной плоскости T p существуют два перпендикулярных направления e 1 и e 2 такие, что нормальную кривизну в произвольном направлении можно представить с помощью так называемой формулы Эйлера :

где α - угол между e 1 и e 2 , a величины κ 1 и κ 2 нормальные кривизны в направлениях e 1 и e 2 , они называются главными кривизнами , а направления e 1 и e 2 - главными направлениями поверхности в точке p . Главные кривизны являются экстремальными значениями нормальных кривизн. Структуру нормальных кривизн в данной точке поверхности удобно графически изображать с помощью индикатрисы Дюпена .

Величина

называется средней кривизной поверхности. Величина

называется гауссовой кривизной поверхности.

Гауссова кривизна является объектом внутренней геометрии поверхностей, в частности не изменяется при изометрических изгибаниях.

См. также

Литература

• Погорелов А. И. Дифференциальная геометрия (6-е издание). М.: Наука, 1974.
• Рашевский П. К. Курс дифференциальной геометрии (3-е издание). М.-Л.: ГИТТЛ, 1950.

Wikimedia Foundation . 2010 .