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第二十三讲 图形的密铺
地板砖展铺的图形,一般都是用几种全等的平面图形展铺开来的,有时用由直线构成的多边形组成的图案,有时用由曲线组成的图案,千变万化.但是作为基础还是用平面多边形展铺平面.有时虽然有曲线,却常常是由多边形和圆作适当变化而得到的.例如,一个由正方形展铺的平面图案(图1-77(a)),如果对正方形用圆弧做一些变化(图1-77(b)),那么把以上两个图形结合起来设计,就可由比较单调的正方形图案,变化曲线形成花纹图案了(图1-77(c)).
由于多边形是构成地板砖展铺复杂图形的基础,因此,下面我们对利用多边形展铺平面图形做些简要分析.
例1 怎样以三角形为基础展铺平面图案.
分析与解 三角形是多边形中最简单的图形,如果用三角形为基本图形来展铺平面图案, 那么就要考虑三角形的特点.由于三角形的三个内角和为180°,所以要把三角形的三个角集中到一起,就组成了一个平角.如果要在平面上一个点的周围集中三角形的角,那么必须使这些角的和为两个平角.因此,若把图1-78中的三角形的三个内角集中在一起,并进行轴对称变换或中心对称变换,就可以得到集中于一点的六个角,它们的和为360°,刚好覆盖上这一点周围的平面.变换的方法见图1-79.
在中心对称的情况下,三角形不翻折,在轴对称的情况下,三角形要翻折.如果把三角形正、反两面涂上颜色,那么通过对称变换,正、反两面就会明显地反映出来了.
由上面的分析可知,用三角形为基本图形展铺平面图案,共有以下四种情况,如图1-80.
例2 怎样以四边形为基础展铺平面图案?
分析与解 由于四边形内角和为360°,所以,任何四边形都可以作为基本图形来展铺平面图案.图1-81中的(a),(b),(C),(d)分别是以矩形、菱形、梯形、一般四边形为基本图形的平面展铺图案.
例3 怎样以正多边形为基本图形展铺平面图案?
分析与解 用正多边形为基本图形展铺平面图案,集中于一点的周围的正多边形的各个角的和应是360°.例如,正五边形一个内角为
正十边形一个内角为
如果把两个正五边形的内角与一个正十边形的内角加起来,则其和为2×108°+144°=360°.但是它们并不能用来展铺平面.
如果用同种的正n边形来展铺平面图案,在一个顶点周围集中了m个正n边形的角.由于这些角的和应为360°,所以以下等式成立
因为m,n都是正整数,并且m>2,n>2.所以m-2,n-2也都必定是正整数.所以当n-2=1,m-2=4时,则n=3,m=6;当n-2=2,m-2=2时,则n=4,m=4;当n-2=4,m-2=1时,则n=6,m=3.这就证明了只用一种正多边形展铺平面图案,只存在三种情况:
(1)由6个正三角形拼展,我们用符号(3,3,3,3,3,3)来表示(见图1-82).
(2)由4个正方形拼展,我们用符号(4,4,4,4)来表示
(见图1-83).
(3)由3个正六边形来拼展,我们用符号(6,6,6)来表示
(见图1-84).
如果用两种正多边形来拼展平面图案,那么就有以下五种情况:(3,3,3,4,4),(3,3,3,3,6),(3,3,6,6),(3,12,12)以及(4,8,8).这五种情况中,(3,3,3,4,4)又可有两种不同的拼展方法,参看下面六种拼展图形(图1-85).
用三种正多边形展拼平面图形就比较难设计了.下面举出两例供同学们思考(图1-86).
有兴趣的同学请自己构想出一两个例子.
练习
1.试用三角形和梯形这两种多边形拼展平面图案.
2.试用形如图1-87的图形拼展平面图案.
3.试用边长为1的正三角形、边长为1的正方形和两腰为1、夹角为120°的等腰三角形拼展平面图案.
4.试用圆弧和多边形(多边形可以用圆弧割补)设计一种平面图案.
5.试用一个正方形,仿照图1-76(a),(b),(c)的变化方式,设计一种平面图案.
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