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Rotationskörper

Aus AnthroWiki

Rotationskörper wird in der Geometrie ein Körper genannt, dessen Oberfläche durch Rotation einer erzeugenden Kurve um eine Rotationsachse gebildet wird (siehe Rotationsfläche). Die Rotationsachse wird auch Figurenachse genannt.[1] Die Kurve liegt dabei in einer Ebene, und auch die Achse liegt in ebenderselben. Ein bekannter Rotationskörper ist der Torus. Er wird durch die Rotation eines Kreises gebildet. Auch Kegel und Zylinder sind Rotationskörper.

Das Volumen und die Oberfläche werden mit den sogenannten Guldinschen Regeln[2] (benannt nach dem Mathematiker und Astronomen Paul Guldin) errechnet. Bereits in der Antike waren diese als Baryzentrische Regeln oder Zentrobarische Regel bekannt und wurden vom griechischen Mathematiker Pappos von Alexandria beschrieben.

Darstellung der Rotation einer Sinuskurve

Berechnung des Volumens eines Rotationskörpers

Falls die erzeugende Kurve die Drehachse schneidet, ist zu überlegen, ob die entsprechenden Teilvolumina als positive oder negative Beiträge zum Gesamtvolumen gezählt werden sollen.

Rotation um die x-Achse

Für einen Rotationskörper, der durch Rotation der Fläche, die durch den Graphen der Funktion f im Intervall [a,b], die x-Achse und die beiden Geraden x=a und x=b begrenzt wird, um die x-Achse entsteht, lautet die Formel zur Volumenberechnung:

V=π⋅∫ab(f(x))2dx

Rotation um die y-Achse

1. Fall: „disc integration“

Disc integration

Bei Rotation (um die y-Achse) der Fläche, die durch den Graphen der Funktion f im Intervall [a,b], die y-Achse und die beiden Geraden y=f(a) und y=f(b) begrenzt wird, muss man y=f(x) umformen zur Umkehrfunktion x=f−1(y). Diese existiert, wenn f stetig und streng monoton ist. Falls nicht (wie z. B. im Bild rechts oben), lässt sich f vielleicht in Abschnitte zerlegen, in denen f jeweils stetig und streng monoton ist. Die zu diesen Abschnitten gehörenden Volumina müssen dann separat berechnet und addiert werden.

V=π⋅∫min⁡(f(a),f(b))max⁡(f(a),f(b))(f−1(y))2dy

Wenn man hier x=f−1(y) substituiert, erhält man für das Volumen um die y-Achse

V=π⋅∫min⁡(f(a),f(b))max⁡(f(a),f(b))x2dy=π⋅∫abx2⋅|f′(x)|dx.

Der Absolutwert von f′ und die min/max-Funktionen in den Integralgrenzen sichern ein positives Integral.

2. Fall: „shell integration“ (Zylindermethode)

Shell integration

Bei Rotation (um die y-Achse) der Fläche, die durch den Graphen der Funktion f im Intervall [a,b], die x-Achse und die beiden Geraden x=a und x=b begrenzt wird, gilt die Formel:

V=2π∫abxf(x)dx

Guldinsche Regeln

Die beiden guldinschen Regeln, benannt nach dem Schweizer Mathematiker Paul Guldin, verkürzen Oberflächen- und Volumenberechnungen von Rotationskörpern enorm, falls sich die Linien- oder Flächenschwerpunkte der rotierenden Objekte unter Ausnutzen der Symmetrien der jeweiligen Aufgabe einfach erkennen lassen (s. u. Torus-Beispiele).

Bezeichnungen:

M = Oberfläche
V = Rauminhalt
L = Länge der erzeugenden Linie (Profillinie)
A = Flächeninhalt der erzeugenden Fläche
R = Radius des Schwerpunktkreises
r = Radius des rotierenden Kreises (Torus-Beispiele)

Erste Regel

Der Flächeninhalt M einer Mantelfläche eines Rotationskörpers, dessen Rotationsachse die erzeugende Linie nicht schneidet, ist gleich dem Produkt aus der Länge der erzeugenden Linie (Profillinie) und dem Umfang des Kreises (Schwerpunktkreis), der durch die Rotation des Schwerpunktes der Profillinie erzeugt wird:

M=L⋅2πR

Ausgedrückt in Abhängigkeit von der Funktion f der erzeugenden Linie ergibt sich der Flächeninhalt als:

Bei Rotation um die x-Achse

M=2π∫abf(x)1+[f′(x)]2dx

Mit R=ys=1L∫LydL als y-Koordinate des Linienschwerpunktes der Linie L und ihrem Linienelement dL findet man

M=L⋅2πR=L⋅2π⋅1L∫Lf(x)dL=2π∫Lf(x)dL,

was das obige Ergebnis darstellt, wenn noch dL=(dx)2+(dy)2=1+(dydx)2dx mit den x-Intervallgrenzen [a,b] eingesetzt wird.

Bei Rotation um die y-Achse

M=2π∫min⁡(f(a),f(b))max⁡(f(a),f(b))f−1(y)1+[(f−1(y))]2dy

Wie oben bei der Volumenberechnung muss auch hier gegebenenfalls die Rechnung für die stetigen und streng monotonen Abschnitte von f(x), in denen die Umkehrfunktion existiert, separat durchführt werden.

Beispiel: Oberfläche eines Torus:

M=2πr⋅2πR=4π2rR

Siehe auch: Mantelfläche

Zweite Regel

Das Volumen eines Rotationskörpers ist gleich dem Produkt aus dem Flächeninhalt der erzeugenden Fläche und dem Umfang des Kreises, der durch die Rotation des Schwerpunktes dieser Fläche erzeugt wird:

V=A⋅2πR

Im Folgenden wird die Rotation einer Fläche um die x-Achse betrachtet, der Fall einer gekippten Rotationsachse lässt sich durch Koordinatentransformation erreichen. Im Fall der Rotation um die x-Achse einer Fläche zwischen f(x), der x-Achse und den Grenzen x=a und x=b ergibt sich das Volumen ausgedrückt durch f(x) mit R als Flächenschwerpunkt zu

V=A⋅2π1A∫AydA=π⋅∫ab(f(x))2dx

mit y=f(x)2 und dA=f(x)dx.

Beispiel: Volumen eines Torus:

V=πr2⋅2πR=2π2r2R

Keplersche Fassregel

Die Keplersche Fassregel gibt

V=h6⋅(q(0)+4q(h2)+q(h))

als Näherungswert für das Volumen eines Körpers, dessen Querschnittsfläche an drei Stellen bekannt ist, an. Ist der Körper ein Rotationskörper, so gilt bei Rotation um die x-Achse:

V=π⋅∫ab(f(x))2dx
≈πb−a6⋅((r(a))2+4(r(a+b2))2+(r(b))2)

Für bestimmte Rotationskörper wie

gibt diese Formel das genaue Volumen an.

Siehe auch

Weblinks

Dieser Artikel basiert ganz oder teilweise auf einer für AnthroWiki adaptierten Fassung des Artikels Rotationskörper aus der freien Enzyklopädie de.wikipedia.org und steht unter der Lizenz Creative Commons Attribution/Share Alike. In Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
  1. ↑  Kurt Magnus: Kreisel. Theorie und Anwendungen. Springer, Berlin, Heidelberg 1971, ISBN 978-3-642-52163-8, S. 44.
  2. ↑ Bronshtein, Semendyayev: Handbook of Mathematics. Springer Reprint of 3rd. Edition 1997, S. 290.