פריסה של תיבה וקובייה
איך "פותחים" תיבה ופורסים אותה על השולחן? זיהוי פאות, פריסות קובייה, וקודקודים מתלכדים
פתיחה - אתגר הקרטון
בכל יום נשלחות בעולם מעל מיליארד קופסאות קרטון. כולן התחילו כפריסה שטוחה, נחתכו ממכונה, ונקפלו לתיבה. איך יודעים להפוך פריסה לתיבה? ואיך יודעים שהפריסה "תקינה"? המודול הזה יחשוף את הסוד. אפילו נחקור את 11 הפריסות השונות של הקובייה - לא 10, לא 12, בדיוק 11.
מהתלת-ממד לדו-ממד
איך נלמד את זה בלי להתבלבל?
נבנה את הרעיון בהדרגה, מהכי מוחשי להכי מופשט:
- קודם נזהה פריסה אחת פשוטה ונקפל אותה.
- אחר כך נבדיל בין פאות סמוכות לפאות נגדיות.
- רק אחרי שהקיפול ברור, נדבר על פריסות קובייה שונות.
- בסוף נבדוק איך מזהים פריסה תקינה גם בלי לגזור נייר.
מהי פריסה?
פריסה של תיבה היא ציור דו-ממדי (שטוח) שמתקבל כשחותכים את התיבה לאורך חלק מהמקצועות ופורסים אותה על משטח. הפריסה כוללת את כל 6 הפאות של התיבה, מחוברות זו לזו לאורך מקצועות משותפים.
הגדרה: פריסה של תיבה היא סידור שטוח של שש הפאות שלה, כך שאם נקפל אותן לאורך הקפלים - נקבל בחזרה את התיבה המקורית.
מקפלים פריסה לתיבה - סימולציה
הזיזו את המחוון בסימולציה מ-0% (פריסה שטוחה) ל-100% (תיבה סגורה) וצפו איך הפאות מסתדרות במרחב. שימו לב איזו פאה הופכת לאיזו.
פאות סמוכות ופאות נגדיות
לפני שנסתכל על פריסות, בואו נבין שני מושגים חשובים:
סמוכות מול נגדיות
פאות סמוכות
שתי פאות שחולקות מקצוע משותף. הן נמצאות "ליד" זו את זו בתיבה.
דוגמה: הפאה העליונה והפאה הקדמית חולקות מקצוע - הן סמוכות.
פאות נגדיות
שתי פאות שנמצאות בצדדים מנוגדים של התיבה. הן לא חולקות אף מקצוע או קודקוד.
דוגמה: הפאה העליונה והפאה התחתונה - הן נגדיות.
לכל פאה יש 4 פאות סמוכות ופאה נגדית אחת בלבד.
דוגמה: פריסה בצורת צלב
נסתכל על פריסה טיפוסית של תיבה. בפריסה, שש הפאות מסודרות בצורה שטוחה. אחת הדרכים הנפוצות היא בצורת "צלב":
פריסה בצורת צלב עם 6 פאות ממוספרות
מיפוי הפאות לתיבה לאחר קיפול: A=אחורית, B=שמאלית, C=תחתונה (פאת המרכז), D=ימנית, E=קדמית, F=עליונה. כל אות בפריסה מסומנת במרכז הריבוע המתאים.
תיאור הפריסה בצורת צלב
נסמן את הפאות באותיות:
[A]
[B] [C] [D]
[E]
[F]
כשנקפל את הפריסה:
- C תהיה הפאה התחתונה
- A תהיה הפאה האחורית
- E תהיה הפאה הקדמית
- B תהיה הפאה השמאלית
- D תהיה הפאה הימנית
- F תהיה הפאה העליונה (מתהפכת מעל)
פאות נגדיות: A ו-E, B ו-D, C ו-F
איך מזהים פאות נגדיות בפריסה?
זה אחד הנושאים המאתגרים ביותר בפרק! הנה כמה טיפים:
כללים לזיהוי פאות נגדיות בפריסה
כדי לזהות פאות נגדיות בפריסה, דמיינו את הקיפול:
- פאות נגדיות לעולם לא סמוכות בפריסה (לא חולקות צלע)
- בפריסת "צלב" - הפאה שמעל ומתחת לפאה המרכזית הן לא נגדיות (הן סמוכות!)
- ספרו: בין שתי פאות נגדיות תמיד יש פאה אחת ביניהן
- אם לא בטוחים - חתכו פריסה מנייר וקפלו!
חשיבות הפריסה
למה פריסות חשובות?
הבנת שטח הפנים
כשפורסים תיבה, רואים את כל 6 הפאות בבירור. אפשר למדוד ולחשב את שטח כל פאה, ולחבר - וזה שטח הפנים!
בנייה מנייר
רוצים לבנות תיבה מקרטון? שרטטו פריסה, חתכו, קפלו והדביקו! בתעשייה כך מייצרים קופסאות.
פריסות של קובייה
קובייה היא מקרה פרטי מעניין: כל 6 הפאות הן ריבועים חופפים. זה נותן לנו הרבה דרכים שונות לפרוס אותה.
עובדה: לקובייה יש בדיוק 11 פריסות שונות (שאינן חופפות זו לזו, גם לא על ידי סיבוב או שיקוף).
כמה פריסות נפוצות של קובייה
פריסות קובייה
צורת צלב (+)
שורה אנכית של 4 ריבועים, ועוד ריבוע מכל צד של הריבוע השני מלמעלה.
צורת T
שורה אופקית של 4 ריבועים, ועוד 2 ריבועים מתחת לריבוע הימני.
צורת L
שורה של 4 ריבועים, ועוד 2 ריבועים מתחת לריבוע הימני.
מדרגות
3 ריבועים בשורה, ומתחת - עוד 3 ריבועים מוסטים הצדה.
פריסה לא תקינה
לא כל סידור של 6 ריבועים הוא פריסה תקינה של קובייה! פריסה תקינה היא כזו שכשמקפלים אותה מתקבלת קובייה ללא חפיפה.
דוגמה לפריסה לא תקינה
שתי שורות של 3 ריבועים זו מעל זו (מלבן של
[X] [X] [X]
[X] [X] [X]
זה 6 ריבועים, אבל לא פריסה תקינה - כשמנסים לקפל, חלק מהפאות חופפות ואי אפשר לקבל קובייה.
קודקודים מתלכדים
כשפורסים קובייה, קודקוד אחד של הקובייה המקורית עשוי להופיע בכמה מקומות בפריסה. כשמקפלים חזרה, כל ההופעות האלה מתלכדות לנקודה אחת.
זה הגיוני: בפריסה, כל פאה "מופרדת" מהפאות האחרות, ולכן קודקוד שהיה משותף לכמה פאות מופיע עכשיו כמה פעמים.
דוגמה: קודקודים מתלכדים בפריסת צלב
בפריסה:
[1]
[2] [3] [4]
[5]
[6]
הקודקוד השמאלי-עליון של ריבוע [3] יתלכד עם:
- הקודקוד התחתון-ימני של [1]
- הקודקוד הימני-עליון של [2]
כל שלושת הנקודות האלה הן אותו קודקוד בקובייה המקורית!
איך למצוא קודקודים מתלכדים?
הדרך הטובה ביותר: חתכו פריסה מנייר, סמנו נקודה באחד הקודקודים, וקפלו. ראו איפה הנקודה נוגעת - שם הקודקוד המתלכד!
- שרטטו את הפריסה על נייר
- סמנו קודקוד אחד בצבע בולט
- קפלו את הפריסה לקובייה
- בדקו אילו קודקודים נוגעים באותה נקודה
זיהוי פריסות תקינות
איך בודקים אם סידור של 6 ריבועים הוא פריסה תקינה של קובייה?
תנאים הכרחיים
- יש בדיוק 6 ריבועים
- הריבועים מחוברים צלע-לצלע
- אין חפיפה בין ריבועים
- כל הריבועים מחוברים (חתיכה אחת)
בדיקה מעשית
- שרטטו על נייר
- חתכו את הפריסה
- נסו לקפל לקובייה
- אם מתקפלת ללא חפיפה - תקינה!
תרגילים
תרגיל 1: חישוב משטח פריסה
פריסה של קובייה במקצוע 4 ס"מ - מה שטח הפריסה (סך כל הריבועים בפריסה)?
תרגיל 2: פריסת תיבה
פריסה של תיבה בממדים 3, 4, 5. מה שטח הפריסה?
תרגיל 3: זיהוי פאות נגדיות
בפריסת צלב של קובייה, הריבוע המרכזי מסומן C. ריבוע שמעל C מסומן A, וריבוע מתחת ל-C מסומן E. האם A ו-E נגדיות?
שאלה לחשיבה
בפריסה של תיבה (לא קובייה) עם ממדים 3×4×5, האם שתי הפאות הגדולות () יכולות להיות סמוכות בפריסה?
כן! בפריסה, הפאות יכולות להיות סמוכות אם חולקות מקצוע. שתי הפאות בגודל הן נגדיות בתיבה, אבל הן יכולות להיות מחוברות בפריסה אם הפריסה מסודרת כך שיש ביניהן רצף של קיפולים.
שאלה לחשיבה
למה דווקא 11 פריסות לקובייה? למה לא 10 או 12?
זו תוצאה של חישוב קומבינטורי. מתמטיקאים הוכיחו שמכלל הסידורים האפשריים של 6 ריבועים מחוברים צלע-לצלע, יש 35 צורות. מתוכן, רק 11 מתקפלות לקובייה. השאר - נסו לקפל! תגלו שתמיד יש חפיפה או חלק שנשאר פתוח. הוכחה מלאה דורשת בדיקה שיטתית של כל המקרים.
פעילות: בנו ובדקו פריסות!
פעילות מעשית
קחו ארגז קרטון ישן ובצעו את המשימות:
- פרקו את הארגז בזהירות לפריסה (חתכו לאורך מקצועות).
- שרטטו את הפריסה על נייר.
- סמנו זוגות של פאות נגדיות באותו צבע.
- בדקו: אילו פאות סמוכות בתיבה נשארו סמוכות גם בפריסה?
- אתגר: האם אתם יכולים לפרוס את הארגז בדרך אחרת?
- סופר אתגר: נסו למצוא את כל 11 הפריסות של קובייה מ-6 ריבועי נייר
מתמטיקאים הוכיחו שיש בדיוק 11 פריסות שונות לקובייה (ללא חפיפות מסיבוב או שיקוף). זה מספר לא גדול ולא קטן - מספיק כדי להיות מעניין, אבל לא מדי כדי שלא נוכל לספור.
סיווג כללי לפי "שדרה" (סדרת ריבועים הארוכה ביותר):
- שדרה של 4: 6 פריסות (כולל צורת הצלב)
- שדרה של 3: 4 פריסות (כמו צורת L ומדרגות)
- שדרה של 2: 1 פריסה (שתי שורות זיגזג)
סה"כ: 6 + 4 + 1 = 11 פריסות. האם אתם יכולים למצוא את כולן? קחו 6 ריבועים מנייר ונסו למצוא את כל הדרכים.
אם לקובייה ב-3 ממדים יש 11 פריסות (ל-2 ממדים), כמה פריסות יש לטסרקט - קובייה ב-4 ממדים? התשובה: 261 פריסות שונות! כל פריסה היא "תיבה של תיבות" - סידור של 8 קוביות שמתקפל לטסרקט בארבעה ממדים. אחת הפריסות האלה היא זו המפורסמת מהציור של סלבדור דאלי: Crucifixion (Corpus Hypercubus) מ-1954.