Икосаэдр - понятие, свойства и структура двадцатигранника

Бумажная модель

Используя 30 квадратных листов бумаги (размер каждой стороны 7,5 см), можно сделать довольно крепкую версию одной из разновидности этого геометрического чуда совсем без склеивания. Если в запасе есть материал разного цвета, то получится яркий и красивый макет с разноцветными блоками. Инструкция по изготовлению звездчатого икосаэдра поэтапно:

• Сложить листок пополам и сделать складку вдоль сгиба. Если используется бумага для оригами, то стоит убедиться, что её лицевая сторона находится снаружи, поскольку она будет видна позже.
• Развернуть квадрат.
• Сложить правую и левую стороны листа так, чтобы они встретились в месте сгиба. Должен получиться прямоугольник, больше похожий на шкаф с распашными дверцами.
• Перевернуть фигуру подогнутыми краями вниз.
• Сделать диагональную складку: верхний правый угол должен встретиться с левой стороной прямоугольника. Нужно свернуть обе «двери шкафа».
• Перевернуть бумагу прямым концом вверх.
• Сделать ещё одну диагональную складку, где верхний правый угол будет встречаться со стороной макета. Должен получиться параллелограмм.
• Согнуть лист по диагонали там, где верхний угол соответствует правому углу фигуры.
• Повторить действие с другой стороны. Должны встретиться нижний и левый углы. Получится маленький квадрат.
• Затем повернуть заготовку так, чтобы фигура напоминала ромб.
• Сложить квадрат пополам, сделав сгиб, который идёт перпендикулярно «дверцам шкафа», видимым на модели. Итак, первая единица готова.

Всего таких блоков нужно сделать 30. Например, по 10 разного цвета.

Сборка элементов

Теперь самое время собирать блоки вместе. Поверхность звездчатого икосаэдра состоит из нескольких пирамид. Чтобы было проще, нужно представить этот сложный куб, над которым идёт работа, в виде единственного додекаэдра (12-гранный правильный пятиугольник — ещё одно тело Платона), где каждая из его двадцати вершин будет заменена пирамидой. Все 30 единиц пойдут на формирование этих 20 пирамид. Ход работы по сборке икосаэдра. Схема поэтапно:

• Начать нужно с двух блоков (можно разного цвета). Треугольные концы каждой единицы называются «язычками». Квадрат в центре блока содержит «карманы», образованные складкой шкафа, идущей по диагонали. Нужно положить язычок одного блока в карман другого.
• Затем необходимо взять третий блок и поместить его верхний и нижний язычки в соответствующие карманы двух единиц, которые уже сложены. Должна получиться пирамида.
• Присоединить следующий блок, положив его язычок во второй (свободный) карман предыдущей единицы.
• Повторить действие с другой стороны фигуры. Получаются две соседние пирамиды, соединённые между собой.
• Продолжить собирать модель таким образом, пока не получится 5 пирамид, которые встречаются в одной точке.
• Повторять действия, следя за тем, чтобы в одной точке не встречалось более пяти пирамид.
• К концу работы модель должна принять форму, если всё идёт правильно. Последний блок сложный — надо убедиться, что оба его язычка уложены в карманы соседних единиц, а карманы заполнены двумя свободными язычками.

В итоге получится красивая объёмная фигура, а если она сделана из цветной бумаги, то ещё и красочная. Безусловно, если нужно сэкономить время и силы, можно сильно упростить задачу и найти готовый шаблон модели, распечатать развёртку икосаэдра на бумаге и вырезать, оставляя припуски, а затем склеить.

Основные виды

Вообще, эта геометрическая фигура — одно из платоновых тел, известных с древних времён. Их всего пять: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Их определение довольно простое: все они представляют собой многогранники, состоящие из конгруэнтных (одинаковых по форме и размеру) регулярных (все углы равны, как и все стороны) полигональных граней, встречающихся в каждой вершине.

Обычный икосаэдр представлен в двух основных видах, обладающих одинаковыми признаками. У каждого есть 30 рёбер и 20 равносторонних треугольных граней, которые собираются по 5 штук, образуя 12 вершин. Оба имеют икосаэдрическую симметрию, центром которой является точка пересечения всех осевых линий, и называются:

• Правильный выпуклый икосаэдр. Его представляют символом Шлефли {3, 5}. Можно построить путём пересечения двух многогранников — правильных додекаэдров {5, 3}.
• Большой икосаэдр. Один из четырёх звездчатых многогранников Кеплер-Пуансо. Как и выпуклая форма, у него также есть 20 равносторонних треугольных граней, но его вершинная фигура является скорее пентаграммой, чем пятиугольником, что приводит к геометрически пересекающимся граням.

Звездчатые формы образуются, когда грани или края многогранника расширяют до тех пор, пока они не встретятся, чтобы сформировать новую фигуру. Это делается таким образом, что сохраняются центр,оси и плоскости симметрии родительской фигуры. К слову, большой икосаэдр можно отнести к этому виду. У других «звёздочек» есть более одной грани в каждой плоскости или они образуют соединения более простых многогранников. Это не строго икосаэдры, но их часто так называют. В таблице представлены несколько разновидностей звездчатых тел.

Ромбический икосаэдр - выпуклый многогранник, состоящий из двадцати конгруэнтных ромбических граней, четыре или пять из которых встречаются в каждой вершине. Напоминает сплюснутую сферу.

По специальным формулам икосаэдра определяют его размер, площадь и объём. А также есть специальные координаты — декартовы и сферические, с помощью которых описывают расположение вершин многогранника. Построение такой фигуры, чтобы избежать утомительных расчётов, можно проводить с помощью квадратных матриц по системе равносторонних линий. Другие интересные факты:

• Икосаэдр имеет 43380 различных сетей.
• Если нужно раскрасить многогранник так, чтобы никакие две смежные грани не были одного цвета, потребуется как минимум три оттенка.
• Мяч для игры в классический футбол имеет форму усечённого икосаэдра, состоящего из 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников.

Икосаэдр имеет три специальных ортогональных проекции, центрированных на грани, ребре и вершине. Фигура также может быть представлена в виде сферической мозаики и спроецирована на плоскость через стереографическую проекцию.

Природные формы и использование

Многие микроорганизмы, в том числе вирусы, имеют икосаэдрические оболочки. Их структуры построены из повторяющихся идентичных белковых субъединиц, и икосаэдр является самой лёгкой формой для их сборки. Используется обычный тип многогранника, поскольку он может быть построен из одного базового белка, который будет использоваться снова и снова. Это очень упрощает жизнь и экономит место в вирусном геноме.

А также были обнаружены различные органеллы бактериальной клетки с икосаэдрической формой. В 1904 году Эрнст Геккель описал ряд видов радиолярий, чей скелет имеет форму и свойства многогранника. Икосаэдрическое двойникование также происходит в кристаллах, особенно в наночастицах.

К другим примерам того, как природа использует такую структуру для достижения многих целей, можно отнести инклюзионные тела — компартменты, которые образуются внутри клеток, обычно во время некоторых фаз роста или в определённых условиях окружающей среды.

Использование икосаэдров для разделения пространства и контроля доступа очень эффективно и, по-видимому, предпочтительно, когда ресурсы организмов ограничены.

В древности игральные кости имели столько сторон, сколько граней в икосаэдре. Такие двадцатигранные кубики могли быть пронумерованы от 0 до 9 дважды или от 1 до 20. Форма правильных многогранников часто используется для создания различных предметов в компьютерных играх и головоломках. В виртуальном мире, кстати, часто можно встретить и другие геометрические тела. Например, в «Супер Марио Галактике» планеты имеют форму, похожую на ромбоусечённый икосододекаэдр — архимедово тело.

Японский картограф Содзи Садао и американский архитектор Ричард Бакминстер Фуллер разработали карту мира в виде развёрнутого икосаэдра. Этот же многогранник лежит в основе геодезических сеток, которыми пользуются метеорологи и климатологи.