12.4. Симметрия правильных многогранников.

В п. 12.1 мы определили правильный многогранник как многогранник, у которого равны друг другу все элементы одного вида: грани, ребра и т.д. Но правильные многогранники можно определить как самые симметричные изо всех многогранников. Это означает следующее. Если мы возьмем на правильном многограннике некоторую вершину А, подходящее к ней ребро а и грань а, подходящую к этому ребру, и еще любой такой же набор то существует такое самосовмещение многогранника,

Рис. 12.16

которое вершину А переводит в вершину А, ребро а — в ребро а, грань а — в грань а.

Докажем это. Так как любые две грани правильного многогранника равны, то существует движение, которое одну из них переведет в другую. Поскольку все двугранные углы этого многогранника равны, то в результате совмещения граней весь многогранник самосовместится или перейдет в многогранник, симметричный исходному относительно плоскости второй грани. Во втором случае симметрия относительно плоскости этой грани завершит процесс самосовмещения правильного многогранника.

Рис. 12.17

Верно и обратное: многогранники, обладающие этим свойством, будут правильными, так как у них окажутся равны все ребра, все плоские углы и все двугранные углы.

Рассмотрим теперь элементы симметрии правильных многогранников.

Начнем с элементов симметрии куба.

Рис. 12.18

1. Центр симметрии — центр куба.

2. Плоскости симметрии (рис. 12.17): 1) три плоскости симметрии, перпендикулярные ребрам в их серединах; 2) шесть плоскостей симметрии, проходящих через противоположные ребра.

3. Оси симметрии: 1) три оси симметрии 4-го порядка, проходящие через центры противоположных граней (рис. 12.18а); 2) шесть осей поворотной симметрии 2-го порядка, проходящие через середины противоположных ребер (рис. 12.186); 4) четыре диагонали куба являются осями зеркального поворота шестого порядка, самосовмещающего куб (рис. 12.18в).

Это самый интересный и не сразу видный элемент симметрии куба. Сечение куба плоскостью, проходящей через его центр перпендикулярно диагонали, представляет правильный шестиугольник; при повороте куба вокруг диагонали на угол 60° шестиугольник отображается на себя, а куб в целом еще нужно отразить в плоскости шестиугольника.

Рис. 12.19

Октаэдр двойственен кубу, и потому у него те же элементы симметрии с той разницей, что плоскости симметрии и оси, проходящие у куба через вершины и центры граней, у октаэдра проходят наоборот: через центры граней и вершины (рис. 12.19). Так, зеркальная ось 6-го

Рис. 12.20

порядка проходит у октаэдра через центры противоположных граней.

Обратимся к элементам симметрии правильного тетраэдра.

1. Шесть плоскостей симметрии, каждая из которых проходит через ребро и середину противоположного ребра (рис. 12.20а).

2. Четыре оси 3-го порядка, проходящие через вершины и центры противоположных им граней, т.е. через высоты тетраэдра (рис. 12.20б).

3. Три оси зеркального поворота 4-го порядка, проходящие через середины противоположных ребер (рис. 12.20в).

Центра симметрии у тетраэдра нет.

В куб можно вписать два правильных тетраэдра (рис. 12.16). При самосовмещениях куба эти тетраэдры либо самосовмещаются, либо отображаются друг на друга. Выясните, при каких самосовмещениях куба происходит самосовмещение тетраэдров, а при каких они отображаются друг на друга.

Убедитесь, что в первом случае получатся все самосовмещения тетраэдра, так что группа симметрии куба включает в себя группу симметрии куба как подгруппу. (См. п. 28.4).

Группы симметрии у додекаэдра и икосаэдра одинаковы, поскольку эти правильные многогранники двойственны

Рис. 12.21

Рис. 12.22

друг другу. У них есть центр симметрии, плоскости симметрии, оси поворотной симметрии и оси зеркальной поворотной симметрии. Труднее всего найти последние из этих элементов симметрии. Укажем, как их построить.

Оси зеркальной поворотной симметрии в икосаэдре (так же, как и в кубе) соединяют противоположные вершины этого многогранника (рис. 12.21), а в додекаэдре (как и в октаэдре) эти оси идут через центры их параллельных граней (рис. 12.22). Плоскости, проходящие через центры симметрии правильных многогранников и перпендикулярные указанным осям, пересекают правильные многогранники по правильным многоугольникам (рис. 12.23).

Рис. 12.23

В частности, додекаэдр и икосаэдр они пересекают по правильным десятиугольникам (рис. 12.23 г,д). Из сказанного следует, что икосаэдр и додекаэдр самосовмещаются зеркальными поворотами относительно осей шестого и десятого порядков.

Найдите самостоятельно более простые элементы симметрии икосаэдра и додекаэдра — плоскости симметрии и оси поворотной симметрии.