viernes, 24 de febrero de 2012

Orígen de la geometría proyectiva: Renacimiento [ Alumnos ]

catetosUna de las partes de la geometría que tiene mayor incidencia en la representación es la correspondiente a la geometría descriptiva. Entre los trabajos que han realizado mis alumnos, algunos se han centrado en los orígenes de las diferentes geometrías, como el que hoy os presento en el que se relatan aspectos históricos y personajes que han aportado significativamente a este campo de la ciencia de gran aplicación a las ingeniarías y el Arte.



Por Catetos de la Geometría (publicado originalmente aquí)


[caption id="attachment_13073" align="alignleft" width="230"]perspectiva Perspectiva[/caption]

La geometría proyectiva apareció como solución al problema del artista para pintar el mundo tridimensional en sus lienzos bidimensionales.
La geometría proyectiva tiene sus orígenes en el trabajo de los artistas del Renacimiento(S.XV); aunque algunos de los conceptos aparecen ya en los griegos. Con el fin de pintar cuadros más realistas, los artistas del Renacimiento trataron de descubrir las leyes que rigen la construcción de la proyección del objeto sobre una pantalla. Llegando a desarrollar los elementos de una teoría fundamental de una perspectiva geométrica, en el siglo XV eran los mejores físicos y matemáticos.


Este interés por desarrollar la geometría proyectiva se debe al cambio en la temática de la pintura. En el periodo medieval las pinturas eran de carácter principalmente religioso y los pintores representaban a los personajes y objetos de una forma sumamente estilizada, generalmente sobre fondo dorado, para subrayar que el cuadro no tenía conexión con el mundo real. En el Renacimiento con la llegada del humanismo y el antropocentrismo la pintura se centra en la representación del mundo real.


Filippo Brunelleschi (1377-1446) fue el primer artista en tener una teoría sobre el método a usar. Se dice que su interés en las matemáticas le llevó a estudiar la perspectiva, y que empezó a pintar para aplicar la geometría.


El primer libro fue escrito por Leone Battista Alberti (1404-1472), considerado el genio teórico en la perspectiva matemática, que presentó sus ideas en “Della Pintura” (1435).


Alberti propone unas reglas para pintar lo que ve un ojo (consciente de que en la visión normal ambos ojos ven la misma escena desde posiciones distintas y el cerebro percibe la profundidad superponiendo esas dos imágenes, intenta conseguir esa ilusión de profundidad a base de juegos de luces y sombras y disminución de intensidad). El método se basaba en un instrumento llamado el “Velo de Alberti”. Su principio básico es el siguiente: Considera una pirámide de rayos que parten del ojo del pintor y terminan en cada punto de la escena que desea pintar. Esta pirámide de rayos la llamo proyección. Si entre la escena y el ojo se coloca una pantalla de cristal, cada uno de los rayos determina un punto sobre el cristal formándose así una sección. Y esta sección crea en el ojo la misma imagen que la escena misma. Según la posición de la pantalla, tendremos distintas secciones del mismo objeto.




[caption id="attachment_13074" align="aligncenter" width="320"]alberti Alberti[/caption]

Aunque muchos artistas escribieron sobre perspectiva, destacan:




  • Da Vinci decía que la pintura debía ser una reproducción exacta de la realidad y que la perspectiva matemática lo permitiría. Sus escritos sobre perspectiva se encuentran en su “Tratatto Della pintura” (1651).

  • Piero della Francesca estableció los principios matemáticos de la perspectiva de una forma bastante completa. Su obra “De prospectiva pingendi” aportó algunos avances a las ideas de Alberti. Sus procedimientos son útiles para los artistas, pero carecen del mínimo rigor en unas demostraciones que son simples construcciones.


Geometría Proyectiva

miércoles, 22 de febrero de 2012

Geometría proyectiva: Ternas ordenadas de elementos

Ternas ordenadas de elementos


tresLa geometría métrica se fundamenta en el conocido teorema de pitágoras. Todas los teoremas se deducen a partir del concepto de medida que se deriva de los triángulos rectángulos.


De forma análoga, la geometría proyectiva se basa en otro importante teorema, el teorema de Thales, que en lugar de un concepto métrico establece la noción de relación de medidas, como invariante proyectivo.



Concepto de ternas de elementos


Tres elementos pertenecientes a una forma de primera categoría determinan una terna.


En el caso de usar los elementos puntos, entonces diremos que tres puntos determinan una terna ordenada de puntos.


Los elementos pueden ser tanto puntos como rectas o planos, incluso se podrían generar ternas de hiperelementos en geometrías más complejas.


Para representarlo simbólicamente usamos la siguiente notación:

  • Terna de puntos: (ABC)

  • Terna de rectas: (abc)

  • Terna de planos: (αβγ)


La terna tiene un valor numérico o característica asociado que implica la ordenación de los términos que la forman.

  • (ABC) = AB/AC = λ. [Ec. 1]

  • (abc) = sen(ab)/sen(ac) = λ. [Ec. 2]

  • (αβγ) = sen(αβ)/sen(αγ) = λ. [Ec. 3]


Ternas ordenadas de puntos



Se define el valor de una terna ordenada de tres puntos como el cociente entre dos longitudes, la del segmento formado por el primer y segundo punto de la terna y el segmento formado por el primer y el tercer punto:



[caption id="attachment_11482" align="aligncenter" width="169" caption="Ec. 1"]Ecuacion ternas puntosecuacion ternas puntos[/caption]

Los segmentos pueden tener signo. El sentido del segmento AB es contrario al del BA, o lo que es lo mismo, AB = - BA




Conceptualmente se puede entender una terna como la medida de un segmento tomando como unidad el otro.



Por ejemplo, si B es el punto medio del segmento AC, la terna (ABC) = 1/2. El segmento AC actúa como unidad de medida.



Ternas ordenadas de rectas



Se define el valor de la terna ordenada de tres rectas como el cociente entre dos senos, el del ángulo formado por las dos primeras rectas y el que determina la primera y tercer recta:[Ec. 2]



[caption id="attachment_11483" align="aligncenter" width="190" caption="Ec.-2"]Ternas ordenadas de rectasternas ordenadas rectas[/caption]

Tres rectas de un haz de vértice V, y los tres puntos de una serie sección del haz por una recta se pueden relacionar mediante los valores de sus ternas.
Este valor o característica de la terna es un elemento fundamental para clasificar las proyecciones, de forma que aquellas en que es invariante gozan de propiedades comunes e independientes del tipo de proyección.




[caption id="attachment_11277" align="aligncenter" width="319" caption="Figura 2.- Relacion entre ternas de puntos y rectas"]Relacion_ternas_puntos_rectas[/caption]

Al proyectar ortogonalmente los puntos B y C de la rerie rectilínea sobre la recta a de la Fig.1, se obtienen los puntos B’ y C’. Los triángulos ABB’ y ACC’ son semejantes por lo que, aplicando las relaciones según el teorema de Thales:


(abc) = sen(ab)/sen(ac) = λ [Ec. 2]


El valor del seno del ángulo que forman las rectas a y b así como el formado por las rectas a y c será:

[caption id="attachment_13051" align="aligncenter" width="414" caption="Ecuaciones de ángulos entre rectas"]Ecuaciones de ángulos entre rectas[/caption]

Si se sustituyen estos últimos valores en la [Ec. 2] tendremos:

[caption id="attachment_13052" align="aligncenter" width="394" caption="ecuación 6. Relación entre ternas de puntos y rectas"]ecuación 6. Relación entre ternas de puntos y rectas[/caption]

Por tanto, en general, (ABC) ≠ (abc), el valor de una terna de rectas es diferente del de una terna de puntos que la secciona.

Si seccionamos un haz de rectas por dos rectas no paralelas, las series determinadas son perspectivas entre sí, aunque las ternas de puntos no tienen la misma característica.



Un ejemplo es la proyección cónica desde un punto V.

[caption id="attachment_11276" align="aligncenter" width="360" caption="Fig.-3 Perspectividad entre series"]perspectividad_series[/caption]

Para que sean iguales las dos ternas es necesario que el cociente VC/VB sea igual a la unidad. Esto se consigue cuando el vèrtice es un punto impropio, o cuando las rectas que seccionan son paralelas.
Esto permite obtener interesantes propiedades en las proyecciones de naturaleza cilíndrica (vértice impropio) y en las proyecciones y, o, secciones por rectas o planos.




Conservación de la razón simple



Cuando el vértice V del haz de rectas se encuentra en el infinito, el término VC/VB de la [Ec. 6] tiende a la unidad, por lo que la terna de puntos tiene igual valor que la terna de rectas.











[caption id="attachment_13054" align="alignleft" width="121" caption="Fig.-4 Conservación de la razón simple en secciones por rectas paralelas"]Fig.-4-conservacion_razon_simple_secciones_rectas_paralelas[/caption]

Al seccionar tres rectas de un haz de vértice impropio (rectas paralelas a, b y c en la figura ), las diferentes ternas de puntos resultados de la sección tienen por tanto un mismo valor o característica.


Este caso se corresponde con las proyecciones conocidas como proyecciones cilíndricas, en las que se proyecta según una dirección ortogonal u oblícua respecto del plano de proyección, o plano del dibujo.











[caption id="attachment_13055" align="alignleft" width="205" caption="Fig.- 5 Conservación razón simple en secciones por rectas paralelas"]Fig.-  5 Conservación razón simple en secciones por rectas paralelas[/caption]

Al seccionar tres rectas de un haz de vértice propio (rectas paralelas a, b y c en la figura ), las diferentes ternas de puntos resultados de la sección tienen por tanto un mismo valor. Este caso se corresponde con las proyecciones cónicas sobre planos o rectas que sean paralelos y en las homotecias.



Conservación de la razón simple en Proyecciones cilíndricas:


El modelo proyectivo puede ser de gran utilidad en el estudio de los sistemas de representación. Para obtener las diferentes representaciones se proyectan los elementos sobre un plano de proyección.


Este proceso implica el uso de las dos operaciones proyectivas:




  • Proyectamos un punto

  • Seccionamos el rayo resultante por el plano de proyección.


Podemos utilizar los términos proyectivos por ejemplo para definir el concepto de proyección de un elemento.




  • Proyectar un punto desde otro es definir la recta que pertenece a ambos elementos (Serie rectilínea)

  • Proyectar una recta desde un punto es definir el plano que pertenece a ambos elementos (Haz de rectas)

  • Proyectar un plano desde un punto es definir el conjunto de rectas/planos que pertenece al punto y a los puntos/rectas del plano (Radiación de rectas/planos)


Al proyectar los elementos, el centro de proyección puede ser:

  • Propio

  • Impropio



En el caso de una proyección con centro impropio (o también denominada proyección cilíndrica), se conserva la razón simple en las ternas de rayos proyectantes.


(AMB) = (A’M’B’)




[caption id="attachment_13056" align="alignleft" width="171" caption="Fig.- 7 Proyección del punto medio de un segmento en proyección cilíndrica."]Fig.-  7 Proyección del punto medio de un segmento en proyección cilíndrica.[/caption]

La proyección del punto medio, por tanto, se corresponde con el punto medio de la proyección.


Este resultado es de gran utilidad en numerosos problemas en que la relación entre sus partes, su geometría, es conocida.


Por ejemplo la obtención de la proyección del baricentro de un triángulo se puede limitar de nuevo a localizar el baricentro del triángulo proyectado.


 
[caption id="attachment_13573" align="aligncenter" width="400" caption="Sistemas_de_representacion"]Sistemas_de_representacion[/caption]

Geometría Proyectiva

domingo, 12 de febrero de 2012

Geometry : Software educativo de geometría variacional

Geometry_thumb

El estudio de la geometría se ha realizado clásicamente construyendo figuras compuestas por líneas y circunferencias que se relacionan mediante conceptos geométricos.


Estas figuras se obtienen a partir de una posición concreta de los datos de un problema y el objetivo es superponer un conjunto de construcciones que permiten determinar la solución del mismo. Sin embargo, las restricciones geométricas que se imponen son independientes de la posición de los datos de partida lo que permite abordar el problema de formación en estos modelos desde un punto de vista más completo permitiendo mostrar interactivamente estos conceptos.


La geometría variacional se presenta por tanto como una herramienta que facilita generalizar los conceptos geométricos para el estudio detallado de los mismos, facilitando su comprensión y generalización.













altura_trianguloaltura_triangulo_2
 Al modificar la posición del vértice "A" del triángulo ABC, el punto "H" (pié de la altura) se desplazará sobre el segmento BC de forma que la altura siga siendo perpendicular a la base del triángulo

Geometry es una herramienta educativa para construcción de geometría interactiva que permite observar los invariantes geométricos al modificar dinámicamente la posición de los datos.


Geometry es un programa desarrollado enteramente en JAVA y distribuido mediante un fichero "JAR" ejecutable en cualquier dispositivo que disponga de una máquina virtual JAVA. Ha sido probado en diferentes sistemas operativos y entornos de ejecución, incluidos dispositivos móviles tipo PDA.


Geometry ha sido usado como herramienta docente en diferentes cursos universitarios, evolucionando y limitando la funcionalidad para un uso académico en el que se prima el aprendizaje respecto de la productividad. La limitación de funciones permite forzar la interpretación y desarrollo de modelos geométricos que sirven para asentar los conceptos geométricos que se estudian en estos niveles educativos.


Geometry



Funciones del programa


Las diferentes funciones se encuentran accesibles mediante un conjunto de iconos situados en la parte superior.
El programa se puede encontrar en dos estados diferentes: Repetición de comandos o modo variacional.


La forma básica de funcionamiento de la aplicación se basa en definir un conjunto de puntos en los que se apoya la geometría. Estos puntos servirán para definir posteriormente otros elementos, como líneas y circunferencias.


Las funciones principales que aporta la herramienta son:




  • Añadir puntos

  • Añadir segmentos

  • Circunferencia por tres puntos

  • Circunferencia por diámetro

  • Circunferencia por centro y radio

  • Rectas perpendiculares

  • Rectas paralelas

  • Intersección de dos líneas

  • Intersección entre línea y circunferencia

  • Intersección de dos circunferencias

  • Modificación de la visualización (Colores y tamaños)

  • Borrar elementos

  • Almacenar y recuperar ficheros








Acceder a la página de descarga del programa Geometry