Džonsono kūnas – tai geometrinė figūra, kuri yra griežtai iškilas briaunainis, kurio kiekviena siena yra taisyklingasis daugiakampis, bet kuris nėra tolygusis briaunainis (vadinasi, Džonsono kūnais nėra nei Platono, nei Archimedo kūnai, nei prizmės, nei antiprizmės. Šios klasės briaunainiams nekeliamas reikalavimas, kad visos sienos būtų tokie patys daugiakampiai, nei kad prie viršūnės susieitų vienodi daugiakampiai. Paprastas Džonsono kūno pavyzdys yra keturkampė lygiašonė piramidė, kuri kaip Džonsono kūnas žymima J1; jos viena siena yra kvadratas, o kitos keturios sienos – trikampiai.
Kaip ir kiekvienam griežtai iškilam geometriniam kūnui, viršūnėje turi susieiti ne mažiau kaip trys sienos ir jų kampų prie viršūnės suma turi būti mažesnė nei 360 laipsnių. Kadangi mažiausias taisyklingo daugiakampio kampas yra lygus 60 laipsnių, vadinasi, vienoje viršūnėje gali sueiti ne daugiau, kaip penkios sienos. Penkiakampė piramidė (J2) yra figūros, turinčios penkto laipsnio viršūnę (t. y. viršūnę, į kurią sueina 5 sienos), pavyzdys.
Nors nėra jokių akivaizdžių apribojimų, neleidžiančių bet kokiam taisyklingam daugiakampiui būti Džonsono kūno siena, bet reikalavimas, kad kiekviena siena būtų taisyklingas daugiakampis sukuria tokias sąlygas, kad šių kūnų sienos visada būna tik taisyklingi trikampiai, keturkampiai, penkiakampiai, šešiakampiai, aštuonkampiai ir dešimtkampiai, t. y. sienų daugiakampiai turi 3, 4, 5, 6, 8 arba 10 kraštinių.
1966 metais JAV matematikas Normanas Džonsonas (Norman Johnson) publikavo sąrašą, į kurį buvo įtraukti 92 kūnai, kuriems buvo suteikti pavadinimai ir nomenklatūriniai numeriai (J1, J2 ir t. t.). Nors Džonsonas neįrodė, kad šios klasės figūros yra tik 92, bet jis numatė, kad taip turėtų būti. 1969 metais tuometinis TSRS mokslininkas (dabar Izraelio) Viktoras Zalgaleris (Виктор Абрамович Залгаллер) įrodė, kad egzistuoja tik 92 Džonsono kūnai.
Vienas Džonsono kūnų, pailgėjęs kvadratinis girobikupolas (J37), dar vadinamas pseudorombiniu kuboktaedru[1] yra unikalus tuo, kad pasižymi vietiniu viršūnių tolygumu: kiekvienoje viršūnėje sueina 4 sienos ir jos išsidėsčiusios vienodai po 3 kvadratus ir vieną trikampį. Bet šis briaunainis nėra tranzityvus viršūnių atžvilgiu, kadangi viršūnių izometrija yra skirtinga, todėl, nors ir labai artimas, jis negali būti Archimedo kūnas.
Bi- reiškia, kad imamos dvi tam tikro kūno kopijos ir sudedamos pagrindas prie pagrindo. Kupolų ir rotondų atveju du vienodi kūnai gali būti suglausti taip, kad glaustųsi vienodos sienos, tada atsiranda priešdėlis orto- (gr.ortho- 'vietoje'), arba skirtingos, – tada atsiranda priešdėlis giro- (gr.gyro 'ratas, pasukta'). Pagal šią taisyklę oktaedras būtų kvadratrinė bipiramidė, kuboktaedras – trikampis girobikupolas, o ikosidodekaedras – penkiakampė girobirotonda.
Pailgėjęs reiškia, kad prie bazinio kūno pagrindo yra priglausta prizmė, arba ji įterpta tarp dviejų aukščiau aprašytu būdu suglaudžiamų kūnų. Šiuo atveju rombinis kuboktaedras būtų pailgėjęs kvadratinis ortobikupolas
Giropailgėjęs reiškia, kad prie bazinio kūno pagrindo priglausta antiprizmė, arba ji įterpta tarp dviejų aukščiau aprašytu būdu suglaudžiamų kūnų. Pagal tokią formuluotę ikosaedras būtų giropailgėjusi penkiakampė bipiramidė.
Priaugintas reiškia, kad iš briaunainio sienos yra iškelta (išauginta) primadė arba kupolas.
Pažemintas reiškia, kad nuo briaunainio sienos pašalinta piramidė arba kupolas.
Pasuktas reiškia, kad kupolas ant bazinio briaunainio buvo pasuktas taip, kad briaunoje sutaptų skirtingų daugiakampių kraštinės, taip, kaip ortobikupolo ir girobikupolo atveju.
Paskutiniai trys veiksmai (priauginimas, pažeminimas ir pasukimas), kai bazinis kūnas yra didelis (susideda iš daugelio daugiakampių), gali būti atlikti daugiau kaip vieną kartą. Tada, kad būtų parodytas pasukimo laipsnis pridedamas atitinkamas priešdėlis prie veiksmo pavadinimo: bi-, jei veiksmas atliktas dukart (bipasuktas kūnas – abu jo kupolai pasukti); tri-, jei veiksmas atliktas triskart (tripažemintas kūnas – nuo trijų sienų pašalintos piramidės ar kupolai).
Kartais nepakanka vien priešdėlio bi-. Reikalinga galimybė pažymėti skirtumą, kai yra pakeistos dvi lygiagrečios sienos arba dvi įstrižai išsidėsčiusios sienos. Tada naudojami šie priešdėliai: para-, kai veiksmas atliktas su lygiagrečiomis sienomis (parabipriaugintas kūnas turi dvi lygiagrečias sienas, kuriose iškeltos piramidės); meta-, kai veiksmas atliekamas su nelygiagrečiomis sienomis (metabipriaugintas kūnas turi dvi įžambiai išsidėsčiusias sienas, kuriose yra iškeltos piramidės).
Kelių paskutinių Džonsono kūnų pavadinimai sudaromi iš tam tikrų specifiškai daugiakampių junginių, iš kurių jie sudaryti. Kaip nurodo pats Džonsonas[2]:
lune (angl.lune 'pusmėnulis') vadinsime kompleksą iš dviejų trikampių priglaustų prie priešingų kvadrato pusių, sfeno (angl.spheno 'pleištas') vadinsime pleišto pavidalo kompleksą, sudarytą iš dviejų suglaustų pusmėnulių. Disfeno (angl.dispheno) žymėsime du pleištus, o hebesfeno (angl.hebespheno) bukesnį darinį iš dviejų pusmėnulių, tarp kurių įsiterpia trečias pusmėnulis. Dūrinio kamienas korona (angl.corona 'vainikas') nusako vainiko pavidalo kompleksą iš aštuonių trikampių, o megakorona – panašus kompleksas iš 12 trikampių. Kamienas singulum (angl.cingulim 'apvadas') žymi juostą iš 12 trikampių.
Džonsono kūnų suskirstymas grupėmis
Piramidės
Pirmi du Džonsono kūnai, J1 ir J2, yra piramidės. Trikampė piramidė yra taisyklingas tetraedras, kuris nėra Džonsono kūnas.
Kiti penki Džonsono kūnai yra pailgėjusios ir giropailgėjusios piramidės. Jos yra dviejų briaunainių kompozicija arba priaugimas. Giropailgėjusios trikampės piramidės atveju susidaro trys poros gretimų trikampių, kurie išsidėsto vienoje plokštumoje ir sudaro nekvadratinį rombą, tad ši figūra nėra Džonsono kūnas.
Tripažemintas ikosaedras, penkiakampė piramidė ir tetraedras
Priaugintas nupjautinis tetraedras ir nupjautiniai kubai
J65
J66
J67
Priaugintas nupjautinis tetraedras
Priaugintas nupjautinis kubas
Bipriaugintas nupjautinis kubas
Priauginta iš briaunainių
nupjautinis tetraedras trikampis kupolas
nupjautinis kubas kvadratinis kupolas
Priauginti nupjautiniai dodekaedrai
Pustaisyklingis
J68
J69
J70
J71
Nupjautinis dodekaedras
Priaugintas nupjautinis dodekaedras
Parabipriaugintas nupjautinis dodekaedras
Metabipriaugintas nupjautinis dodekaedras
Tripriaugintas nupjautinis dodekaedras
Pasukti rombiniai ikosidodekaedrai
J72
J73
J74
J75
Pasuktas rombinis ikosidodekaedras
Parabipasuktas rombinis ikosidodekaedras
Metabipasuktas rombinis ikosidodekaedras
Tripasuktas rombinis ikosidodekaedras
Pažeminti rombiniai ikosidodekaedrai
J76
J77
J78
J79
Pažemintas rombinis ikosidodekaedras
Parapasuktas pažemintas rombinis ikosidodekaedras
Metapasuktas pažemintas rombinis ikosidodekaedras
Bipasuktas pažemintas rombinis ikosidodekaedras
J80
J81
J82
J83
Parabipažemintas rombinis ikosidodekaedras
Metabipažemintas rombinis ikosidodekaedras
Pasuktas bipažemintas rombinis ikosidodekaedras
Tripažemintas rombinis ikosidodekaedras
Nusklembtos antiprizmės
Nusklembtos (angl.snub) antiprizmės konstruojamos kaip pakeistos nupjautinės antiprizmės. Dvi iš jų yra Džonsono kūnai, o kitos negali būti sudarytos iš taisyklingų trikampių.
Džonsono kūnai trikampėmis ir kvadratinėmis sienomis
Dvidešimt keturių Džonsono kūnų sienos yra vien trikampiai ir kvadratai:
J1 Kvadratinė piramidė
J7 Pailginta triangular pyramid]]
J8 Pailginta square pyramid]]
J10 Giropailginta square pyramid]]
J14 Pailginta triangular bipyramid]]
J15 Pailginta square bipyramid]]
J16 Pailginta pentagonal bipyramid]]
J26 Girobifastigijus
J27 Trikampis ortobikupolas
J28 Kvadratinis ortobikupolas
J29 Kvadratinis girobikupolas
J35 Pailgėjęs trikampis ortobikupolas
J36 Pailgėjęs trikampis girobikupolas
J37 Pailgėjęs kvadratinis girobikupolas
J44 Giropailgėjęs trikampis bikupolas
J45 Giropailgėjęs kvadratinis bikupolas
J49 Priauginta trikampė prizmė
J50 Bipriauginta trikampė prizmė
J85 Nusklembta kvadratinė antiprizmė
J86 Sfenokorona
J87 Priauginta sfenokorona
J88 Sfenomegakorona
J89 Hebesfenomegakorona
J90 Disfenocingulum
Džonsono kūnai trikampėmis ir penkiakampėmis sienomis
Vienuolikos Džonsono kūnų sienos yra vien trikampiai ir taisyklingieji penkiakampiai:
J2 Penkiakampė piramidė
J11 Giropailgėjusi penkiakampė piramidė
J34 Penkiakampė ortobirotonda
J48 Giropailgėjusi penkiakampė birotonda
J58 Priaugintas dodekaedras
J59 Parabipriaugintas dodekaedras
J60 Metabipriaugintas dodekaedras
J61 Tripriaugintas dodekaedras
J62 Metabipamažintas ikosaedras
J63 Tripamažintas ikosaedras
J64 Priaugintas tripamažintas ikosaedras
Džonsono kūnai trikampėmis, kvadratinėmis ir šešiakampėmis sienomis
Aštuonių Džonsono kūnų sienos yra vien trikampiai, kvadratai ir taisyklingieji šešiakampiai:
J3 Trikampis kupolas
J18 Pailgėjęs trikampis kupolas
J22 Girpailgėjęs trikampis kupolas
J54 Priauginta šešiakampė prizmė
J55 Parabipriauginta šešiakampė prizmė
J56 Metabipriauginta šešiakampė prizmė
J57 Tripriauginta šešiakampė prizmė
J65 Priaugintas nupjautinis tetraedras
Džonsono kūnai trikampėmis, kvadratinėmis ir aštuoniakampėmis sienomis
Penkių Džonsono kūnų sienos yra vien trikampiai, kvadratai ir taisyklingieji aštuoniakampiai:
J4 Kvadratinis kupolas
J19 Pailgėjęs kvadratinis kupolas
J23 Giropailgėjęs kvadratinis kupolas
J66 Priaugintas nupjautinis kubas
J67 Bipriaugintas nupjautinis kubas
Apibrėžtiniai Džonsono kūnai
Dvidešimt penkių Džonsono kūnų viršūnės yra išsidėsčiusios apibrėžrtinės sferos paviršiuje: 1-6, 11, 19, 27, 34, 37, 62, 63, 72-83. Visus juos galima laikyti susijusiais su taisyklingaisiais arba tolygiaisiais briaunainiais pasukimo, sumažinimo ar perkirtimo veiksmais[3].