Кіріспе

Жазықтықты бесбұрыштармен мозаикалау Геометрияда, Каир бесбұрышты мозаикасы – бұл Евклид жазықтығының конгруэнтті дөңес бесбұрыштармен мозаикасы, ол жазықтықтың алтыбұрыштармен екі мозаикасын біріктіру арқылы құралады және Каирде төсеу дизайны ретінде қолданылуы үшін осылай аталады. Ол Перси Александр Макмахонның 1921 жылғы «Жаңа математикалық ойын-сауықтар» жарияланымда бейнелегендігі үшін Макмахонның торы деп те аталады. Джон Хортон Конвей оны 4 еселенген пентиль деп атады. Бұл үлгіні құрайтын бесбұрыштар саны шексіз көп, олар жазықтықты мозаикалауға болатын 15 отбасының екеуіне жатады. Олардың мозаикаларының симметриясы әртүрлі; барлығы беттік симметриялық. Мозаиканың бір ерекше түрі, бұрыштық мозаикаға қарама-қарсы, барлық бесбұрышты мозаикалар арасында ең аз периметрге ие плиткаларды қамтиды. Тағы бір түрі, екі жалпақталған мозаиканы тұрақты алтыбұрыштармен біріктіру, Каирде қолданылатын форма болып табылады және әрбір қабырғасы шексіз көп басқа қабырғалармен түзу сызықта орналасқан қасиетке ие. Сәулет өнерінде, Каирден басқа, Каир мозаикасы 18 ғасырдағы Моғол сәулетінде, 20 ғасырдың басындағы Германиядағы Лайсхалледе және көптеген заманауи ғимараттар мен құрылыстарда қолданылған. Ол кристаллдық құрылым ретінде де зерттелген және М.С. Эшердің өнерінде кездеседі.

Құрылымы мен жіктелуі

Каирдің барлық жиектерінің бірігуі екі жиектің алтыбұрышты плиткасының бірігуімен бірдей. Бір плитканың әрбір алтыбұрышы екінші плитканың екі төбесімен қоршалады және екінші плитканың алтыбұрыштарымен Каир плиткасындағы бесбұрыштардың төртеуіне бөлінеді. Көптеген әртүрлі бесбұрыштар Каир плиткасын құрастыра алады, олардың барлығы плиткалар арасындағы жанасудың бірдей үлгісімен және алтыбұрыштарға бірдей ыдыраумен, бірақ әртүрлі жиек ұзындығымен, бұрыштарымен және симметриясымен сипатталады. Бұл плиткаларды құрайтын бесбұрыштарды екі түрлі шексіз отбасыға жіктеуге болады, олардың бірі жазықтықты плиткалай алатын 15 бесбұрыш отбасынан, ал екіншісі – Карл Райнхардттың 1918 жылы тапқан, жазықтықты изоэдрлі (барлық плиткалар бір-біріне симметриялы) плиткалай алатын бесбұрыш отбасынан шығады. Осы екі отбасының бірі екі қарама-қарсы тік бұрышы бар бесбұрыштардан тұрады, олардың әрқайсысында тең ұзындықтағы екі жағы кездеседі. Осы талаптарға сәйкес келетін кез келген бесбұрыш жазықтықты таңдалған тік бұрышты бұрыштарында бір-біріне қатысты тік бұрышта айналған көшірмелермен жабады. Осы екі тік бұрыштың біріне іргелес емес бесбұрыштың жағында бір-біріне қатысты 180° бұрышта айналған екі плитка кездеседі. Нәтижесінде изоэдрлі плитка пайда болады, яғни плиткадағы кез келген бесбұрышты плитканың симметриясымен кез келген басқа бесбұрышқа түрлендіруге болады. Бұл бесбұрыштар мен олардың плиткалары көбінесе "4-түр" ретінде тізімделеді. 4-түрлі Каир плиткасы үшін, дәл сол плиткалардың он екісі текше бетін жауып, әр текше жиегі бойынша бір плитка бүктеліп, әр текше төбесіне үш тік бұрышпен кездесетін плиткалар, тұрақты додекаэдр сияқты комбинаторлық құрылымды құрайды. Каир плиткасын құрайтын бесбұрыштардың екінші отбасы – екі толықтыратын бұрышы бар бесбұрыштар, олардың әрқайсысы екі бірдей жақты ұзындығымен байланысты. Олардың плиткаларында толықтыратын бұрыштар төртінші дәрежелі төбелердің айналасында кезектесіп орналасады. Осы шектеулерге сәйкес келетін бесбұрыштар әдетте жазықтықты плиткалайтын 15 бесбұрыш отбасының бірі ретінде тізімделмейді; керісінше, олар жазықтықты изоэдрлі түрде басқаша плиткалайтын бесбұрыштардың үлкен отбасының ("2-түр" бесбұрыштар) бөлігі болып табылады. Екі жақты симметриялық Каир плиткалары 2 және 4 типті отбасыларға жататын бесбұрыштардан құралады. Сепеттік тоқу үлгісіндегі кірпішпен төселген жолды екі жақты симметриялық Каир плиткасының кірпішпен төселген күйі ретінде қарастыруға болады, мұнда әр кірпіш (төртбұрыш) төрт тік бұрыш және бір 180° бұрышпен бесбұрыш болып түсіндіріледі. Плитканың бесбұрыштарына алты өлшемді жарты бүтін координаттарды тағайындауға болады, осылайша кез келген екі бесбұрыш арасындағы жиек-жиек қадамдардың саны олардың координаттары арасындағы L^(1) қашықтығына тең болады. Әр бесбұрыштың алты координатын екі үштік координаттарға топтастыруға болады, мұнда әр үштік екі үстінен жабысқан алтыбұрышты плитканың әрқайсысы үшін үш өлшемді координаттар жүйесіндегі алтыбұрыштың координаттарын береді. Кез келген плиткадан бір қадам қашықтықта орналасқан плиткалардың саны координациялық тізбекпен беріледі, онда алғашқы үш мүшеден кейін әр мүше тізбектегі үш мүшеден 16 есеге өзгеше болады. Сонымен қатар, плитканың ұштары үшін плиткалары үшін емес, плитканың ұштары үшін ұқсас координациялық тізбектерді анықтауға болады, бірақ ұштардың екі түрі бар (үшінші және төртінші дәрежелі), сондықтан осылайша пайда болатын екі түрлі координациялық тізбектер бар. Төртінші дәрежелі тізбек квадрат тор үшін де бірдей.

Каталондық плиткалау

Екі шаршыдан және әр төбесінде үш теңқабырлы үшбұрыштан тұратын снуб квадраттық мозаиканың, қос мозаикасы ретінде екі жақты симметриялық Каир мозаикасы бар. Каир мозаикасын снуб квадраттық мозаикадан, Каир мозаикасының төбесін снуб квадраттық мозаиканың әрбір шаршысы немесе үшбұрышының ортасына орналастырып, осы төбелер көршілес мозаикалардан болғанда қабырғаларымен қосу арқылы жасауға болады. Оның бесбұрыштарын шеңберге сырттай іштей сызуға болады. Олардың қабырғаларында төрт ұзын және бір қысқа қабырға бар, олардың ұзындықтарының қатынасы белгілі. Бұл бесбұрыштардың бұрыштары 120°, 120°, 90°, 120°, 90° тізбегін құрайды. Снуб квадраттық мозаика – Архимед мозаикасы, ал Архимед мозаикасының қос түрі ретінде, Каир бесбұрышты мозаикасының осы түрі – Каталон мозаикасы немесе Лавес мозаикасы болып табылады. Бұл бір түрі ғана бесбұрыштан тұратын екі мозаиканың бірі, егер мозаикалардың ауданы бірлікке тең болса, онда мозаикалардың периметрін ең төменгі деңгейге дейін азайтады. Екіншісі де бесбұрыштардан тұрады, олардың екі тік бұрышы және үш 120° бұрышы бар, бірақ екі тік бұрыш жанында орналасқан; сонымен қатар, бесбұрыштардың екі түрін біріктіру арқылы құрылған шексіз көп мозаикалар бар.

Қалқалы жиектері бар плиткалар

Бүтін санды координаталары , , және болатын пентагондар, қалған қабырғасынан қысқарақ төрт тең қабырғасы бар, Каир мозаикасын құрайды. Оның екі алтыбұрышты мозаикасы екі перпендикуляр мозаиканы тұрақты алтыбұрыштармен перпендикуляр бағытта жазбалау арқылы жасалады. Бұл Каир мозаикасының түрі тұрақты алтыбұрышты мозаикалардың қасиетін мұралайды (жазбалау кезінде өзгермейді), яғни әрбір қабырғасы шексіз көп басқа қабырғалармен түзу бойында орналасқан.

Бөлшектерінің ұзындығы бірдей

Түз бесбұрыш қайыролық плиткалар құрамайды, себебі ол жазықтықты аралықтарсыз жаппай жаба алмайды. 4-түрлі Каир плиткасын құрайтын жалғыз теңқабырғалы бесбұрыш бар; оның бес қабырғасы тең, бірақ бұрыштары әртүрлі, ал плиткасы екі жақты симметриялы. 2-түрлі Каир плиткасын құрайтын басқа теңқабырғалы бесбұрыштардың саны шексіз.

Қолданбалар

Каир қаласының бірнеше көшелері Каирлік мозаиканың коллинеарлық түрімен жабылды; осы қолданыс мозаиканың атына бастау берді. 2019 жылға дейін бұл өрнек әлі де Каср-Эль-Нил көпірі мен Эль-Бехос метро станциясының жанындағы шаршы плиткалардың бетін безендіру ретінде көрініп тұрады; мозаиканың басқа нұсқалары қаланың басқа жерлерінде де кездеседі. Мартин Гарднерді қоса алғанда, кейбір авторлар бұл өрнектің ислам архитектурасында кеңінен қолданылатынын жазды. Бұл талап түсініспеушілікке негізделген сияқты болғанымен, Каирлік мозаикаға ұқсас өрнектер Үндістандағы 17 ғасырлық И’тимад уд Даула мазарында көрінеді, ал Каирлік мозаиканың өзі 17 ғасырлық Моғол жалысында табылған. Каирлік мозаиканы декоративтік өрнек ретінде алғашқы жарияланымдардың бірі 1906 жылғы тоқыма дизайны туралы кітапта кездеседі. 1908 жылы өнертапқыш Х.С. Мур осы өрнектегі плиткаларға АҚШ патенін тіркеді. Сомамен сол уақытта Villeroy & Boch компаниясы Германияның Гамбург қаласындағы Laeiszhalle фойесінде пайдаланылған Каирлік мозаика өрнегіндегі керамикалық еден плиткаларын жасады. Каирлік мозаика көптеген соңғы архитектуралық жобаларда декоративтік өрнек ретінде қолданылды; мысалы, Данияның Хорсхольм қаласының орталығы осы өрнекпен жабылды, ал Хорватиядағы Centar Zamet спорт залы оны сыртқы қабырғалары мен төсеме плиткалары үшін пайдаланады. Кристаллографияда бұл мозаика кем дегенде 1911 жылдан бері зерттеледі. Ол қабатталған гидрат кристалдарының, висмут пен темірдің кейбір қосылыстарының және таза көміртегінің гипотетикалық қосылысы пентаграфеннің құрылымы ретінде ұсынылды. Пентаграфен құрылымында төртінші дәрежелі төбелерге келіп тірелетін мозаика шеттерінің жиектері бір байланыс құрайды, ал қалған жиектері екі байланыс құрайды. Оның сутегімен толыққан түрі, пентаграфанда, барлық байланыстар бір байланыс болып табылады және құрылымның үшінші дәрежелі төбелеріндегі көміртегі атомдарының сутек атомдарымен байланыстыратын төртінші байланысы бар. Каирлік мозаика М.С. Эшердің «сүйікті геометриялық өрнектерінің» бірі ретінде сипатталған. Ол оны өзінің «Қабықшалар мен теңіз жұлдыздары» (1941) суретіне, «Метаморфоз III» (1967–1968) суретіндегі гүлдердегі аралар бөліміне және 1967–1968 жылдардағы басқа да суреттеріне негіз ретінде пайдаланды. Осы мозаиканың суреті 1974 жылғы H.S.M. Коксетердің «Regular Complex Polytopes» кітабының бірінші басылымының мұқабасында да қолданылған.