СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G01B5/26 

Изобретение относится к способам определения площадей сложных контуров и может быть использовано для этих целей в физике, термодинамике, импульсной технике, картографии, определении масштабированных участков поверхностей суши и т.д.

Известны различные способы измерения площадей плоских фигур, основанные на математических методах, например численного и графического интегрирования, разбиения фигур на части (квадраты, прямоугольники, круги и др.), площади которых определяются простыми формулами и арифметическими действиями [1].

Например, при графическом способе измеряемую площадь тонкими линиями делят на геометрические фигуры, как правило треугольники (реже на другие фигуры), в которых графически с плана с учетом масштаба определяют их элементы - основания и высоты (желательно, чтобы полученные треугольники были близки к равносторонним) [1, с.73]. Затем по формулам геометрии вычисляют площадь плоской фигуры. Для повышения точности, а также для контроля площадь каждой фигуры определяют второй раз, но уже по другим измеренным элементам. Общая площадь фигуры (участка) получается суммированием всех геометрических фигур [1, с.73-74].

Недостатками этих методов является громоздкость и низкая точность вычисления площадей особенно с сильно изрезанными контурами и внутренними вычетами поверхностей, а в некоторых случаях и невозможность использования этих традиционных способов, например для искривленных поверхностей.

Существуют также механические способы расчета площадей плоских фигур. Например, с помощью полярных и роликовых планиметров [1, с.74-88; 2], используемых для определения площадей плоских фигур неправильной формы и нахождения численных значений интегралов определенного вида. Определение площади производится вручную обводкой контура фигуры штифтом, связанным со счетно-решающим механизмом.

В настоящее время используются электронно-механические способы расчета площадей плоских фигур, реализуемые с помощью планиметров двух видов: полярных компенсационных и линейных (роликовых) и их модификаций [3].

Недостатками названных способов является то, что они реализуются с помощью сложных и дорогостоящих электронных приборов и механических устройств и могут использоваться только для расчета площадей плоских фигур. Кроме того, эти способы определения площадей достаточно неточны.

Наиболее близким техническим решением способа, выбранного в качестве прототипа, является гидростатический способ Архимеда, основанный на измерении объемов тел объемом жидкости, вытесняемой погруженными в нее телами произвольной формы. Этот способ Архимед (согласно легенде) применил при решении задачи царя Сиракуз Гиерона [4, 5].

Недостатком этого способа является его функциональная ограниченность, так как он применяется только для нахождения объемов небольших тел.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа Архимеда.

Суть изобретения состоит в определения объемов тел произвольной формы с целью использования его для расчета площадей поверхностей, ограниченных произвольными (неправильными) наружным и возможными внутренними замкнутыми контурами, нанесенными на тонких носителях (на бумаге, пленках и т.д.).

Технический результат достигается тем, что в способе вычисления площадей сложных контуров путем определения объема жидкости, вытесненной телом, тело выполняют в виде пластины постоянной толщины, закрепляют на ней носитель определяемой поверхности, обрезанный по наружному и возможным внутренним контурам, и последующим делением вытесненного объема жидкости на толщину пластины, при этом используют материал пластины со свойствами пластичности и несмачивания жидкостью.

Способ осуществляется следующим образом. Расчет площадей поверхностей плоских и кривых поверхностей представлен на чертеже. Способ реализуется с помощью использования тонкого и эластичного носителя измеряемой поверхности 1, пластичной пластины 2, призмы 3, сосуда с жидкостью 4 и шкалой 5.

Пример расчета площади поверхности.

Определение площади поверхности (плоской или искривленной) можно разбить на этапы (см. чертеж):

- прикладывают на измеряемую поверхность прозрачный гибкий материал, (например, лавсановую пленку), наносят на нее внешний и возможные внутренние контуры поверхности, получая носитель поверхности 1;

- закрепляют носитель поверхности 1 на пластичную пластину 2 постоянной толщины h;

- вырезают по контурам носителя 1 из пластины 2 прямую призму 3 высотой h;

- погружают полностью призму 3 в сосуд с жидкостью 4;

- по шкале сосуда 5 рассчитывают объем ΔV, вытесненный призмой 3;

- по формуле $$\frac{\Delta V}{h}=S$$ находят искомую площадь поверхности S.

Описанный гидростатический способ определения площадей плоских и криволинейных поверхностей отличается простотой, недорог и достаточно точен. Он может найти широкое применение при решении разного рода технических задач.

Источники информации

1. Геодезия: Учебник для вузов. - М.: Академический Проект; Гаудеамус, 2011. - 409 с. - (Gaudeamus: библиотека геодезиста и картографа). С. 84-87.

2. Политехнический словарь / Редкол.: А.Ю.Ишлинский (гл. ред.) и др. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. - 656 с. - С.383, рис. с.385.

3. Kleine Enzyklopadie. Matematik. - Leipzig: VEB bibliographisches Institut, 1971. - 950 S. - Bildtafel 43: Mathematische Gerate I.

4. Данко П.Е. Высшая математика в упражнениях и задачах. В 2 ч. 4.1. Учеб. пособие для вузов / П.Е. Данко и др. - М.: Издат. Дом «ОНИКС 21 век»: Мир и образование, 2003. - 304 с. - С.260-261 (Теоремы 1 и 2).

5. Кудрявцев П.С. Курс по истории физики: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ. спец. - М.: Просвещение, 1982. - 448 с. - С.32.

Изобретение может быть использовано для определения площадей плоских фигур, например, в физике, термодинамике, импульсной технике, картографии, определении масштабированных участков поверхностей суши и т.д. Указанный технический результат достигают тем, что в способе вычисления площадей сложных контуров путем определения объема жидкости, вытесненной телом, тело выполняют в виде пластины постоянной толщины, закрепляют на ней носитель определяемой поверхности, обрезанный по наружному и возможным внутренним контурам, и последующим делением вытесненного объема жидкости на толщину пластины. При этом используют материал пластины со свойствами пластичности и несмачивания жидкостью. 1 ил.

Способ вычисления площадей сложных контуров путем определения объема жидкости, вытесненной телом, отличающийся тем, что тело выполняют в виде пластины постоянной толщины, закрепляют на ней носитель определяемой поверхности, обрезанный по наружному и возможным внутренним контурам, и последующим делением вытесненного объема жидкости на толщину пластины, при этом используют материал пластины со свойствами пластичности и несмачивания жидкостью.