Дванадцятигранник

Деякі найбільш відомі додекаедри

^[en], порядок 120
Правильний додекаедр	Малий зірчастий додекаедр	Великий додекаедр	Великий зірчастий додекаедр
Th, порядок 24	T, порядок 12	^[en], порядок 48	Багатогранник Джонсона (J84)
Піритоедр	Тетартоїд	Ромбододекаедр	^[en]
^[en], порядок 16		^[en], порядок 12
^[en]	Ромбо-квадратний додекаедр	^[en]	Ромбо-трикутний додекаедр

Дванадцятигранник або додекаедр (дав.-гр. δωδεκάεδρον (dōdekáedron) ; від грец. δώδεκα (dṓdeka) — дванадцять і грец. ἕδρα (hédra) — грань) — довільний багатогранник з дванадцятьма гранями.

Існує 6 384 634 топологічно різних опуклих додекаедрів, не враховуючи тих, що отримані шляхом дзеркального відбиття, з кількістю вершин від 8 до 20.

(Два багатогранника вважаються "топологічно різними", якщо вони мають різну структуру розташування граней і вершин, так що неможливо перетворити один в інший, просто змінивши довжини ребер або кути між ребрами чи гранями).

Правильний додекаедр

Найбільш відомий додекаедр — це правильний додекаедр, всі грані якого є правильними п'ятикутниками. Він є найбільш симетричним з усіх опуклих додекаедрів, має ^[en] I_h, порядок 120.

Деякі додекаедри мають таку ж комбінаторну структуру, як і правильний додекаедр (в сенсі графа, утвореного його вершинами і ребрами), але їх п'ятикутні грані не є правильними:

— піритоедр, поширена кристалічна форма піриту, має піритоедричну симетрію T_h,

— тетартоїд має хіральну ^[en] T.

Ромбододекаедр

Ромбододекаедр можна розглядати як граничний випадок піритоедра, і він має ^[en] O_h. Ромбододекаедр є ^[en], зоноедром а також двоїстим до кубооктаедра (напівправильного багатогранника Архімеда).

^[en] (або подовжений додекаедр, або гексоромбододекаедр), ^[en] а також ромбододекаедр можуть утворювати стільники, що замощують тривимірний простір без проміжків та накладень.

Правильний додекаедр

Докладніше: Правильний додекаедр

Опуклий правильний додекаедр є одним з п'яти правильних багатогранників Платона і може бути представлений своїм символом Шлефлі як {5, 3}, тобто кожна вершина оточена трьома правильними п'ятикутними гранями.

Двоїстим багатогранником до правильного додекаедра є правильний ікосаедр {3, 5}, кожна вершина якого оточена п'ятьма правильними трикутними гранями.

Опуклий правильний додекаедр має три зірчасті форми; всі три є правильними зірчастими багатогранниками Кеплера — Пуансо. Їх гранями є правильні п'ятикутники та правильні пентаграми.

Зірчасті форми правильного додекаедра

Опуклий правильний додекаедр

Малий зірчастий додекаедр {5/2, 5}

Великий додекаедр {5, 5/2}

Великий зірчастий додекаедр {5/2, 3}

Характерною особливістю правильного додекаедра (також і правильного ікосаедра) є наявність в нього осей обертової симетрії 5-го порядку, які не дозволені правилами кристалографії ^:Стор.41 , тобто в природі не існує кристалів мінералів, що мають форму правильного додекаедра. Проте можна зустріти квазікристали у формі правильного додекаедра (наприклад, квазікристал гольмій — магній — цинку (Ho-Mg-Zn)). Також існують мінерали, що мають форму додекаедра з неправильними гранями (наприклад, пірит).

Додекаедри з п'ятикутними гранями

В кристалографії в деяких класах симетрії кубічної кристалічної системи можуть траплятися два основних види додекаедрів, які топологічно еквівалентні правильному додекаедру, але мають менший порядок симетрії (тобто менш симетричні): піритоедр з піритоедричною симетрією і тетартоїд з хіральною ^[en]:

Піритоедр

Піритоедр
Натисніть тут , щоб подивитися обертання моделі
Властивості	Опуклий, гране-транзитивний
Комбінаторика
Елементи	12 п'ятикутних граней 30 ребер (6 + 24) 20 вершин (8 + 12) (3-го степеня)
Грані	12 Рівнобедрених п'ятикутників
Характеристика Ейлера	${\displaystyle \chi =\Gamma -{\hbox{P}}+{\hbox{B}}=2}$
Класифікація
Діаграма Коксетера-Динкіна	(або o4p3p )
(Група симетрії)	^[en],[4,3^+], (3*2), порядок 24 (Піритоедрична симетрія)
Група обертань	T, [3,3]^+, (332), порядок 12
Двоїстий багатогранник	Ікосаедр з піритоедричною симетрією
Розгортка

Піритоедр (або пентагондодекаедр ^{:Стор.80-81 :Стор.136} ,) — це додекаедр з піритоедричною симетрією (T_h). Має 12 конгруентних п'ятикутних дзеркально-симетричних граней (тобто симетричних відносно осі, що проходить через вершину і середину протилежної сторони).

Має 20 вершин, розділених на два типи; в кожній вершині сходяться три грані.

Його 30 ребер також розділені на два типи — 24 і 6 ребер однакової довжини.

Єдиними осями обертової симетрії є три взаємно перпендикулярні осі 2-го порядку та чотири осі 3-го порядку. Осі симетрії п'ятого порядку відсутні, що дозволяє цьому багатограннику бути формою для кристалів. Зокрема, форму піритоедру має кристал мінералу піриту.

Кристал піриту

Кристал піриту найчастіше зустрічається у двох поширених кристалічних формах — піритоедр та куб. У піриту, що має форму піритоедру, грані мають індекс Міллера {2,1,0}, що означає, що двогранний кут становить 2·arctan(2) ≈ 126.87°, а кути кожної п'ятикутної грані становлять: кут ≈ 121,6° розташований між двома кутами ≈ 106,6° і навпроти двох кутів ≈ 102,6°. Наступні формули описують розміри граней ідеального кристала (який рідко зустрічається в природі).

${\displaystyle {\text{Висота}}={\frac {\sqrt {5}}{2}}\cdot L}$

${\displaystyle {\text{Ширина}}={\frac {4}{3}}\cdot L}$

${\displaystyle l={\sqrt {\frac {7}{12}}}\cdot L}$

де ${\displaystyle l}$ — довжина короткого ребра багатогранника; ${\displaystyle L}$ — довжина довгого ребра.

Природний пірит (На правому зображенні показано кути грані)

Декартові координати вершин

Вісім вершин, що формують вершини куба, вписаного в багатогранник, мають координати: (±1, ±1, ±1). При цьому довжина ребер куба дорівнює 2.

Координати інших дванадцяти вершин:

(0, ±(1 + h), ±(1 − h²)), (±(1 + h), ±(1 − h²), 0) та (±(1 − h²), 0, ±(1 + h)).

де h — висота клиноподібного "даху" над гранями куба.

При h = 0 отримаємо вироджений піритоедр, що має форму куба, але з додатковими вершинами та ребрами на його гранях.

При h = 1/2 (чверть довжини ребра куба), отримаємо «бездоганний» (з геометричної точки зору) кристал природного піриту.Також в цьому випадку багатогранник є піритоедром у ^[en].

При h = 1/φ = √5 − 1/2= 0.618..., отримаємо правильний додекаедр.

При h = 1 отримаємо вироджений піритоедр, у якого деякі вершини збігаються, а ребра між ними зменшуються до нульової довжини; він приймає форму ромбдодекаедра.

Ортографічні проєкції піритоедру з висотою h = 1/2

Піритоедри з висотою h = 1/2 та h = 1/φ

Геометричні варіації

Піритоедр має деякий ступінь свободи у геометричній будові; при цьому на одній межі маємо куб, коли певні ребра стають колінеарними одне до одного, а на іншій межі маємо ромбододекаедр, коли 6 ребер вироджуються до нульової довжини. Правильний додекаедр являє собою особливий проміжний випадок, коли всі ребра і кути рівні.

Можна перетнути ці граничні випадки, та отримати при цьому неопуклі піритоедри.

Перетнувши нижню межу опуклого піритоедру, що має вигляд куба, отримаємо неопуклі його форми; неопуклий піритоедр з рівними сторонами (ендо-додекаедр) в поєднанні з опуклим правильним додекаедром може утворювати стільники, що замощують тривимірний простір без проміжків та накладень.

Продовжуючи деформацію багатогранника у цьому напрямку, ми проходимо через вироджений випадок, коли дванадцять вершин збігаються в центрі, і переходимо до правильного великого зірчастого додекаедра, в якого всі ребра і кути знову рівні, а грані приймають форму правильних пентаграм.

Перетнувши верхню межу опуклого піритоедру, що має вигляд ромбододекаедра, отримаємо неопуклий рівносторонній додекаедр з рибоподібними рівносторонніми п'ятикутними гранями з самоперетином.

Анімації
Стільники з чергуванням опуклих і увігнутих піритоедів з висотами h в межах ±1/φ	Піритоедри з висотами між h = 0 (куб) та h = 1 (ромбододекаедр)

• Індекс грані {10,9,0}
• Індекс грані {2,1,0}
• Індекс грані {7,1,0}

Окремі випадки піритоедрів
Версії з висотами, що рівні по модулю але з протилежними знаками спільно утворюють стільники. (Див. анімацію). Показано співвідношення довжин ребер, а саме тих, що належать до набору з 24 ребер (що перетинаються в вершинах куба) до тих, що належать до набору з 6 ребер (відповідають граням куба).
Відношення	1 : 1	0 : 1	1 : 1	2 : 1	1 : 1	0 : 1	1 : 1
h	−√5 + 1/2	−1	−√5 + 1/2	0	√5 − 1/2	1	√5 + 1/2
	−1.618...		−0.618...		0.618...		1.618...
Зображення	Великий зірчастий додекаедр , грані якого є правильними пентаграмами	Вироджений випадок з 12-ма вершинами багатогранника в його центрі	Неопуклий рівносторонній піритоедр (додекаедр).	Куб з додатковими вершинами та ребрами на його ребрах та гранях відповідно (як показано на рисунку) є граничним випадком опуклого піритоедра.	Правильний додекаедр є проміжним випадком з рівними ребрами та кутами.	Ромбододекаедр є граничним випадком опуклого піритоедра, коли 6 його ребер зменшуються до нульової довжини.	Рівносторонній додекаедр з гранями, що мають самоперетин.

Тетартоїд

Тетартоїд Тетрагональний п'ятикутний додекаедр
Натисніть тут, щоб подивитися обертання моделі
Властивості	Опуклий, гране-транзитивний
Комбінаторика
Елементи	12 п'ятикутних граней 30 ребер (6+12+12) 20 вершин (4+4+12) (3-го степеня)
Грані	12 п'ятикутників
Характеристика Ейлера	${\displaystyle \chi =\Gamma -{\hbox{P}}+{\hbox{B}}=2}$
Класифікація
Позначення	gT (в ^[en] )
Діаграма Коксетера-Динкіна	(або p3p3p )
(Група симетрії)	^[en],[3,3]^+, (332), порядок 12 (Хіральна тетраедрична симетрія)
Двоїстий багатогранник	Ікосаедр з тетраедричною симетрією (або кирпатий тетраедр)

Тетартоїд (також тетрагональний п'ятикутний додекаедр ^{:Стор.140-141; 144} , пентагонтритетраедр ^:Стор.79 і тетраедричний пентагондодекаедр) — це додекаедр з хіральною ^[en] (Т).

Має 12 конгруентних п'ятикутних граней.

Має 20 вершин, розділених на три типи; в кожній вершині сходяться три грані.

Його 30 ребер також розділені на три типи — 12, 12 і 6 ребер однакової довжини.

Осі обертової симетрії 5-го порядку відсутні, що дозволяє цьому багатограннику бути формою для кристалів.

Назва тетартоїд має грецьке коріння, та означає "четверта частина", оскільки він має одну четверту від повної ^[en] і половину піритоедричної симетрії.

Таку форму симетрії (пентагон-тритетраедричну) може мати мінерал кобальтин.

Тетартоїд має два вироджених граничних випадки, які топологічно еквівалентні самому багатограннику та мають його симетрію. Вони являють собою з одного боку — куб з додатковими ребрами на гранях (але не колінеарними до його ребер) та додатковими вершинами на ребрах куба; з іншого боку — тетраедр, кожне ребро якого поділено на три частини і кожна з двох нових вершин з'єднується з центром грані. (В ^[en] це є скручений тетраедр).

Ортографічні проєкції , центровані по осям симетрії 2-го та 3-го порядку

Вироджені форми тетартоїда — кубічна та тетраедрична

Мінерал кобальтин

Зв'язок з ^[en]

Тетартоїд можна утворити, збільшивши розміри 12 з 24 граней диакіс додекаедра. ^:Стор.137 , (Зображений тут тетартоїд отримано шляхом збільшення розмірів 24 з 48 граней ^[en] (або дисдакіс додекаедра)). Хіральні тетартоїди, базовою основою яких є диакіс додекаедр. Модель кристалу Модель кристалу праворуч являє собою тетартоїд, утворений шляхом збільшення синіх граней ядра дисдакіс додекаедра. Тому ребра між синіми гранями покрито червоними каркасними ребрами.

Декартові координати вершин

Наступні точки є вершинами п'ятикутника тетартоїду з ^[en]:

(a, b, c); (−a, −b, c); (−n/d₁, −n/d₁, n/d₁); (−c, −a, b); (−n/d₂, n/d₂, n/d₂),

при наступних умовах:

0 ≤ a ≤ b ≤ c,

n = a²c − bc²,

d₁ = a² − ab + b² + ac − 2bc,

d₂ = a² + ab + b² − ac − 2bc,

nd₁d₂ ≠ 0.

Геометричні варіації

Правильний додекаедр є тетартоїдом, всі грані якого правильні п'ятикутники, тобто він має більш розширену симетрію, ніж необхідно для тетартоїда.

Триакіс тетраедр є виродженим тетартоїдом, у якого 12 ребер зменшені до нульової довжини. (На рисунку основної таблиці вище: білі вершини і зелені ребра поглинуться зеленими вершинами.)

Варіації тетартоїда від правильного додекаедра до триакіс тетраедра

Двоїстий багатогранник до скрученого трисхилого біантикупола

Ще одним прикладом додекаедра з п'ятиткутними гранями є двоїстий багатогранник до трисхилого повернутого біантикупола, тобто багатогранника, що отриманий шляхом з'єднання двох трисхилих (антикуполів) основами в повернутій орієнтації.

Цей багатогранник має ^[en] симетрію, порядку 12. Його грані — дві групи з трьох конгруентних п'ятикутних граней розділені поясом з 6-ти конгруентних п'ятикутних граней, які поєднані між собою з чергуванням орієнтації.

Ромбододекаедр

Докладніше: Ромбододекаедр

Ромбододекаедр

Ромбододекаедр — це додекаедр, що має дванадцять ромбічних граней та володіє ^[en]. Він є зоноедром, а також двоїстим до квазіправильного кубооктаедра (архімедового тіла); зустрічається в природі у вигляді кристалів. Ромбододекаедр утворює стільники, що заповнюють тривимірний простір без проміжків та накладень.

Ромбододекаедр можна розглядати як вироджений піритоедр, у якого 6 певних ребер зменшені до нуля, а отже, п'ятикутники перетворюються на ромбічні грані.

Ромбододекаедр має кілька зірчастих форм, ^[en] з яких також утворює стільник для замощення простору.

Інший важливий ромбододекаедр — ^[en], має дванадцять граней, що конгруенті граням ромботриаконтаедра, тобто діагоналі знаходяться у співвідношенні золотого перетину. Він також є зоноедром і був описаний Білінським у 1960 році. Цим багатогранником можна замостити простір без проміжків та накладень, а також він може зустрічатися в неперіодичних стільниках разом з ромботриаконтаедром, ^[en] і ромбогексаедром.

Деякі інші додекаедри

Як було зазначено вище, існує 6 384 634 топологічно різних опуклих додекаедрів, не враховуючи тих, що отримані шляхом дзеркального відбиття, з кількістю вершин від 8 до 20.

Деякі топологічно різні додекаедри (за винятком додекаедрів з п'ятикутними та ромбічними гранями):

• Однорідні багатогранники:
  • Десятикутна призма — грані: 10 квадратів, 2 ; симетрія: ^[en], порядок 40.
  • П'ятикутна антипризма — грані: 10 правильних трикутників, 2 правильних п'ятикутників; симетрія: ^[en], порядок 20
• Багатогранники Джонсона (правильногранні):
  • ^[en] — грані: 5 правильних трикутників, 5 квадратів, 1 правильний п'ятикутник, 1 правильний десятикутник; симетрія: ^[en], порядок 10
  • ^[en] — грані: 12 правильних трикутників, симетрія: ^[en], порядок 8
  • ^[en] — грані: 8 правильних трикутників та 4 квадратів; симетрія: ^[en], порядок 16
  • ^[en] — грані: 10 правильних трикутників та 2 правильних п'ятикутників; симетрія: ^[en], порядок 4
• З конгруентними неправильними гранями: (гране-транзитивні)
  • ^[en] — грані: 12 рівнобедрених трикутників; симетрія: ^[en], порядок 24 — двоїстий до шестикутної призми.
  • ^[en] — грані: 12 дельтоїдів; симетрія: ^[en], порядок 24 — двоїстий до шестикутної антипризми.
  • Триакіс тетраедр — грані:12 рівнобедрених трикутників; симетрія: ^[en] , порядок 24 — двоїстий до зрізаного тетраедра (багатогранника Архімеда).
• Інші додекаедри з меншою кількістю правильних граней:
  • Одинадцятикутна піраміда — грані: 11 рівнобедрених трикутників та 1 правильний одинадцятикутник; симетрія: ^[en], порядок 11
  • ^[en] — грані: 6 ромбів, 6 трапецій; симетрія: ^[en], порядок 12 — двоїстий до (багатогранника Джонсона J₂₇).
  • ^[en] або подовжений додекаедр — грані: 8 ромбів та 4 правильних шестикутників; симетрія: ^[en], порядок 16
  • ^[en] — симетрія: ^[en], порядок 20, топологічно еквівалентний до правильного додекаедра.

Примітки

1. Enumeration of Polyhedra - Numericana. www.numericana.com.
2. І.М. Фодчук, О.О. Ткач., с. 108.
3. Cotton, F. A. (1990). Chemical Applications of Group Theory, 3rd ed (PDF) (англ.) . New York: Wiley. с. 63.
4. Weisstein, Eric W. Pyritohedron(англ.) на сайті Wolfram MathWorld.
5. Pyritohedron(англ.) на сайті Polytope Wiki.
6. Л. О. Бірюкович, с. 234.
7. Wadsworth, M. Edward, с. 400.
8. Dutch, Steve. (1997). The 48 Special Crystal Forms (PDF) (англ.) . University of Wisconsin-Green Bay, U.S.
9. CRYSTAL HABIT. www.galleries.com.
10. The Tetartoid. Demonstrations.wolfram.com. Retrieved on 2016-12-02.
11. Hafner, I. and Zitko, T. Introduction to golden rhombic polyhedra. Faculty of Electrical Engineering, , Slovenia.
12. Lord, E. A.; Ranganathan, S.; Kulkarni, U. D. (2000). Tilings, coverings, clusters and quasicrystals. Curr. Sci. 78: 64—72.

Література

• І.М. Фодчук, О.О. Ткач. Основи кристалографії: навчальний посібник. — Чернівці : ЧНУ ім. Юрія Федьковича, 2007. — 108 с.

• Л. О. Бірюкович. Кристалографія, Кристалохімія та Мінералогія. Підручник. — Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. — 234 с.

• Wadsworth, M. Edward. Crystallography : an elementary manual for the laboratory. — Philadelphia : J.J. McVey, 1909. — 400 с.

Посилання

• Weisstein, Eric W. Pyritohedron(англ.) на сайті Wolfram MathWorld.
• Pyritohedron(англ.) на сайті Polytope Wiki.
• Tetartoid(англ.) на сайті Polytope Wiki.