Panal uniforme convexo
En geometría, un panal de abeja uniforme convexo es una teselación uniforme que llena el espacio euclidiano tridimensional con celdas poliédricas uniformes convexas que no se superponen.
Se conocen veintiocho panales de este tipo:
- el panal cúbico familiar y 7 truncaciones;
- el panal cúbico alterado y sus 4 truncas;
- 10 formas prismáticas basadas en los revestimientos uniformes de avión (11 si incluye el panal cúbico);
- 5 modificaciones de algunas de las anteriores por elongación y/o giro.
Pueden considerarse el análogo tridimensional de los mosaicos uniformes del plano.
El diagrama de Voronoi de cualquier red forma un panal uniforme convexo en el que las celdas son zonoedros.
Historia
- 1900: Thorold Gosset enumeró la lista de politopes convexos semiregulares con células regulares (sólidos platónicos) en su publicación Sobre las Figuras regulares y semi-regulares en el espacio de las dimensiones n, incluyendo un panal cúbico regular, y dos formas semiregulares con tetrahedra y octahedra.
- 1905: Alfredo Andreini enumera 25 de estas tessellations.
- 1991: manuscrito de Norman Johnson Uniform Polytopes identificó la lista de 28.
- 1994: Branko Grünbaum, en su papel Niveles uniformes de 3 espacios, también enumerado independientemente los 28, después de descubrir errores en la publicación de Andreini. Encontró el documento de 1905, que enumeraba 25, tenía 1 mal, y 4 desaparecidos. Grünbaum afirma en este documento que Norman Johnson merece prioridad para lograr la misma enumeración en 1991. También menciona que I. Alexeyev de Rusia había contactado con él con respecto a una enumeración puta de estas formas, pero que Grünbaum no pudo verificar esto en ese momento.
- 2006George Olshevsky, en su manuscrito Uniforme Panoploid Tetracombs, junto con la repetición de la lista derivada de 11 azulejos uniformes convexos, y 28 panales de miel uniformes convexos, expande una nueva lista derivada de 143 tetracombs uniformes convexos (Honeycombs of uniform 4-polytopes in 4-space).
Solo 14 de los poliedros uniformes convexos aparecen en estos patrones:
- tres de los cinco sólidos platónicos (el tetraedro, cubo y octaedro),
- seis de los trece sólidos arquímicos (los que tienen simetría tetraedral o sectaria reflexiva) y
- cinco de la familia infinita de prismas (los 3, 4, 6-, 8- y 12-gonales; el prisma 4-gonal duplica el cubo).
El icosaedro, el cubo chato y el antiprisma cuadrado aparecen en algunas alternancias, pero esos panales no se pueden realizar con todas las aristas por unidad de longitud.
Nombres
Este conjunto puede denominarse panales regulares y semirregulares. Se le ha llamado los panales de Arquímedes por analogía con los poliedros convexos uniformes (no regulares), comúnmente llamados sólidos de Arquímedes. Recientemente, Conway ha sugerido nombrar el conjunto como Teselaciones arquitectónicas y los panales duales como Teselaciones catóptricas.
Los panales individuales se enumeran con los nombres que les dio Norman Johnson. (Algunos de los términos utilizados a continuación se definen en 4 politopos uniformes # Derivaciones geométricas para 46 4 politopos uniformes Wythoffianos no prismáticos)
Para referencias cruzadas, se dan con índices de lista de Andreini (1-22), Williams(1-2,9-19), Johnson (11-19, 21–25, 31–34, 41–49, 51–52, 61–65) y Grünbaum(1-28). Coxeter usa δ4 para un panal cúbico, hδ4 para un panal cúbico alterno, qδ4 para un panal cúbico cuarto, con subíndices para otros formas basadas en los patrones de anillos del diagrama de Coxeter.
Teselaciones uniformes euclidianas compactas (por sus infinitas familias de grupos de Coxeter)
Los grupos de Coxeter infinitos fundamentales para el espacio tridimensional son:
- El C~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}}, [4,3,4], cúbico, (8 formas únicas más una alternancia)
- El B~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}}, [4,3]1.1], alternado cúbico, (11 formas, 3 nuevas)
- El A~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}} grupo cíclico [(3,3,3)] o [3][4]] (5 formas, una nueva)
Hay una correspondencia entre las tres familias. Eliminación de un espejo C~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}} productos B~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}}, y quitar un espejo de B~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}} productos A~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}}. Esto permite múltiples construcciones de los mismos panales de miel. Si las células son de color basadas en posiciones únicas dentro de cada construcción de Wythoff, estas diferentes simetrías se pueden mostrar.
Además, hay 5 panales especiales que no tienen simetría de reflexión pura y están construidos a partir de formas de reflexión con operaciones de alargamiento y giro.
El total de panales únicos anteriores es 18.
Las pilas prismáticas de infinitos grupos de Coxeter para 3 espacios son:
- El C~ ~ 2{displaystyle {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fnK}}} {fnMicrosoft}}} {fnMicrosoft}}}} {cH}}}}} {cH}}}}}}}}} {cH}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}} {cccccc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {cc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}ccccc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}×I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}, [4,2] grupo prismático, (2 nuevas formas)
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- El A~ ~ 2{displaystyle {tilde {}_{2}}×I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}, [(3,3),2,∞] grupo prismático, (No hay nuevas formas)
- El I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}×I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}×I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}grupo prismático, (Estos se convierten en un Cuarto de miel)
Además, hay una forma especial alargada del panal prismático triangular.
El total de panales prismáticos únicos anteriores (excluyendo el cúbico contado anteriormente) es 10.
Combinando estos conteos, 18 y 10 nos da un total de 28 panales uniformes.
El grupo C̃3, [4,3,4] (cúbico)
El panal cúbico regular, representado por el símbolo de Schläfli {4,3,4}, ofrece siete panales uniformes derivados únicos a través de operaciones de truncamiento. (Se incluye una forma redundante, el panal de abeja cúbico runcinado, para completar, aunque es idéntica al panal de abeja cúbico.) La simetría de reflexión es el grupo afín de Coxeter [4,3,4]. Hay cuatro subgrupos de índice 2 que generan alternancias: [1+,4,3,4], [(4,3,4,2+)], [4,3+,4], y [4,3,4]+, con los dos primeros generados formas repetidas, y los dos últimos no son uniformes.
Combustibles de miel C3 | |||||
---|---|---|---|---|---|
Spacegroup | Fibrifold | Simetría ampliada | Extended diagrama | Orden | Combustibles de miel |
Pm3m (221) | 4−:2 | [4,3,4] | × 1 | 1, 2, 3, 4, 5, 6 | |
F m3m (225) | 2−:2 | [1]+,4,3,4] ↔ [4,31.1] | Administración | Medio | 7, 11 12, 13 |
I43m (217) | 4o:2 | [[4],3,4,2+)] | Medio × 2 | (7), | |
Fd3m (227) | 2+:2 | [[1]+,4,3,4,1+]] Administración [[3][4]]] | Administración | Quarter × 2 | 10, |
Im3m (229) | 8o:2 | [[4,3,4]] | × 2 | 1) 8, 9 |
B̃3, grupo [4,31,1]
El B~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}}, [4,3] grupo ofrece 11 formas derivadas a través de operaciones de truncación, cuatro siendo únicos panales de miel uniformes. Hay 3 subgrupos índice 2 que generan alternaciones: [1]+,4,31.1[4,(3]1.1)+], y [4,3]1.1]+. El primero genera un repetido panal de miel, y los dos últimos no son uniformes pero se incluyen para la integridad.
Los panales de este grupo se llaman cúbica alternada porque la primera forma puede verse como un panal cúbico con los vértices alternos eliminados, reduciendo las celdas cúbicas a tetraedros y creando un octaedro células en los huecos.
Los nodos se indexan de izquierda a derecha como 0,1,0',3 con 0' siendo inferior e intercambiable con 0. Los nombres cúbicos alternativos dados se basan en este orden.
B3 panales de miel | |||||
---|---|---|---|---|---|
Spacegroup | Fibrifold | Simetría ampliada | Extended diagrama | Orden | Combustibles de miel |
F m3m (225) | 2−:2 | [4,3]1.1] ↔ [4,3,4,1+] | Administración | × 1 | 1, 2, 3, 4 |
F m3m (225) | 2−:2 | [1]+,4,31.1] ↔ 3[4]] | Administración | × 2 | 1) 3) |
Pm3m (221) | 4−:2 | [4,3]1.1] | × 2 | 5, 6, 7, (6), 9, 10, 11 |
Ã3, [3[4]] grupo
Hay 5 formas construidas a partir de A~ ~ 3{displaystyle {tilde {}_{3}}[3][4]] Grupo Coxeter, del cual sólo el cuarto de baño de miel es único. Hay un subgrupo índice 2 [3[4]]+ que genera la forma de snub, que no es uniforme, pero incluido para la integridad.
Formas no wythoffianas (giratorias y alargadas)
Se generan tres panales más uniformes rompiendo uno u otro de los panales anteriores donde sus caras forman un plano continuo, luego rotando capas alternas 60 o 90 grados (giro) y/o insertando un capa de prismas (alargamiento).
Los mosaicos cúbicos alternados alargados y giroalargados tienen la misma figura de vértice, pero no son iguales. En la forma alargada, cada prisma se encuentra con un tetraedro en un extremo triangular y un octaedro en el otro. En la forma giroelongada, los prismas que se encuentran con tetraedros en ambos extremos se alternan con prismas que se encuentran con octaedros en ambos extremos.
El mosaico prismático triangular giroelongado tiene la misma figura de vértice que uno de los mosaicos prismáticos simples; los dos pueden derivarse de los mosaicos prismáticos triangulares planos y giratorios, respectivamente, mediante la inserción de capas de cubos.
Pilas prismáticas
Once mosaicos prismáticos se obtienen apilando los once mosaicos planos uniformes, que se muestran a continuación, en capas paralelas. (Uno de estos panales es el cúbico, que se muestra arriba). La figura del vértice de cada uno es una bipirámide irregular cuyas caras son triángulos isósceles.
El C̃2×Ĩ1(∞), [4,4,2,∞], grupo prismático
Solo hay 3 panales únicos del mosaico cuadrado, pero los 6 truncamientos de mosaico se enumeran a continuación para completar, y las imágenes de mosaico se muestran con los colores correspondientes a cada forma.
El grupo prismático G̃2xĨ1(∞), [6,3,2,∞]
Enumeración de formas de Wythoff
Todas las construcciones Wythoff no prismáticas de los grupos de Coxeter se dan a continuación, junto con sus alternancias. Las soluciones uniformes están indexadas con la lista de Branko Grünbaum. Los fondos verdes se muestran en panales repetidos, y las relaciones se expresan en los diagramas de simetría extendidos.
Coxeter group | Simetría ampliada | Combustibles de miel | Chiral prórroga simetría | Alternation honeycombs | ||
---|---|---|---|---|---|---|
[4,3,4] | [4,3,4] | 6 | 22 Silencio 7 Silencio 8 9 Silencio 25 Silencio 20 | [1]+,4,3+,4,1+] | 2) | 1 Silencio b |
[2]+[4,3,4] = | 1) | 22 | [2]+[4.3]+,4,2+)] | 1) | 1 Silencio 6 | |
[2]+[4,3,4] | 1 | 28 | [2]+[4.3]+,4,2+)] | 1) | a | |
[2]+[4,3,4] | 2 | 27 | [2]+[4,3,4]+ | 1) | c | |
[4,3]1.1] | [4,3]1.1] | 4 | 1 Silencio 7 Silencio 10 Silencio 28 | |||
[1[4,3]1.1]]=[4,3,4] = | (7) | 22 Silencio 7 Silencio 22 Silencio 7 Silencio 9 Silencio 28 Silencio 25 | [1[1]+,4,31.1]]+ | 2) | 1 Silencio 6 Silencio a | |
[1[4,3]1.1]]+ =[4,3,4]+ | 1) | b | ||||
[3][4]] | [3][4]] | (none) | ||||
[2]+[3][4]]] | 1 | 6 | ||||
[1[3][4]]=[4,3]1.1] = | 2) | 1 Silencio 10 | ||||
[2[3][4]]]=[4,3,4] = | 1) | 7 | ||||
[(2)+,4)[3[4][2]+[4,3,4] = | 1) | 28 | [(2)+,4)[3[4]]]+ [2]+[4,3,4]+ | 1) | a |
Ejemplos
Las 28 teselaciones se encuentran en arreglos de cristal.
El panal cúbico alternado es de especial importancia ya que sus vértices forman un compacto empaquetamiento cúbico de esferas. El armazón que llena el espacio de octaedros y tetraedros empaquetados aparentemente fue descubierto por primera vez por Alexander Graham Bell y redescubierto de forma independiente por Buckminster Fuller (quien lo llamó el armazón octeto y lo patentó en la década de 1940). [3] [4] [5] [6]. Las armaduras de octeto se encuentran ahora entre los tipos de armaduras más comunes que se utilizan en la construcción.
Formas de friso
Si se permite que las celdas sean mosaicos uniformes, se pueden definir panales más uniformes:
Familias:
- C~ ~ 2{displaystyle {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fnK}}} {fnMicrosoft}}} {fnMicrosoft}}}} {cH}}}}} {cH}}}}}}}}} {cH}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}} {cccccc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {cc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}ccccc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}×A1{displaystyle A_{1}[4,4,2] Cofres de miel de losas cúbicas (3 formularios)
- G~ ~ 2{displaystyle {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fnMicrosoft}}}} {cH}} {f}}} {fnMicrosoft}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {ccccccccccH}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}×A1{displaystyle A_{1}[6,3,2] Tri-hexagonal slab honeycombs (8 formas)
- A~ ~ 2{displaystyle {tilde {}_{2}}×A1{displaystyle A_{1}[(3,3),2] Panallas triangulares (No hay nuevas formas)
- I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}×A1{displaystyle A_{1}×A1{displaystyle A_{1}: [∞,2,2] = Cubic column honeycombs (1 formulario)
- I2()p){displaystyle I_{2}(p)}×I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}[p,2, hígado] Combustibles de columna poligonal (análogo a los duoprismos: estos parecen una torre infinita única de prismas p-gonales, con el espacio restante lleno de prismas apeirogonales)
- I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}×I~ ~ 1{displaystyle {tilde {}_{1}}×A1{displaystyle A_{1}[viejos,2, vivos,2] = [4,2] = (Igual que la familia de panal de losas cúbicas)
Las dos primeras formas que se muestran arriba son semirregulares (uniformes con solo facetas regulares), y Thorold Gosset las enumeró en 1900, respectivamente, como semicontrol 3-ic y tetroctaédrica semi- comprobar.
Panal de abeja escaliforme
Un panal de abeja scaliforme es de vértice transitivo, como un panal de abeja uniforme, con caras poligonales regulares, mientras que las celdas y los elementos superiores solo necesitan ser orbiformes, equiláteros, con sus vértices sobre hiperesferas. Para panales 3D, esto permite un subconjunto de sólidos de Johnson junto con los poliedros uniformes. Algunos escaliformes pueden generarse por un proceso de alternancia, dejando, por ejemplo, huecos de pirámide y cúpula.
Formas hiperbólicas
Hay 9 familias de grupos de Coxeter de panales compactos uniformes en 3 espacios hiperbólicos, generados como construcciones de Wythoff y representados por permutaciones de anillos de los diagramas de Coxeter-Dynkin para cada familia.
De estas 9 familias, hay un total de 76 panales únicos generados:
- [3,5,3]: - 9 formas
- [5,3,4]: - 15 formas
- [5,3,5]: - 9 formas
- [5,3]1.1] - 11 formas (7 solapadas con [5,3,4] familia, 4 son únicas)
- [(4,3,3,3)]: - 9 formas
- [(4,3,4,3)]: - 6 formas
- [(5,3,3,3)]: - 9 formas
- [(5,3,4,3)]: - 9 formas
- [(5,3,5,3)]: - 6 formas
Se conocen varias formas no Wythoffianas fuera de la lista de 76; no se sabe cuántos hay.
Formas hiperbólicas paracompactas
También hay 23 grupos de Coxeter paracompactos de rango 4. Estas familias pueden producir panales uniformes con facetas ilimitadas o figura de vértice, incluidos los vértices ideales en el infinito:
Tipo | Coxeter groups | Conteo único de panal |
---|---|---|
Gráficos lineales | Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio | 4×15+6+8 = 82 |
Gráficos tridentales | Silencio Silencio | 4+4+0 = 8 |
Gráficos cólicos | Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio Silencio | 4×9+5+1+4+1+0 = 47 |
Gráficos de cola | Silencio Silencio Silencio | 4+4+2 = 14 |
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