Startseite Mathematik-Online        Themenliste

Mathematik-Online

  Ein Kegel wird aufgeschnitten und entrollt.

Mit dem Begriff  „Kegel”  ist meist ein gerader Kreiskegel gemeint, der durch Radius R und Höhe H eindeutig bestimmt ist. Schneidet man ihn der Länge nach auf und rollt ihn ab, erhält man einen Kreissektor mit Radius M = R²+H² und Winkel α = 2π·R/M. Umgekehrt liefert ein Kreissektor mit Radius M und Winkel α = 2π/n einen Kegel mit Radius R = M/n und Höhe H = n²-1·M/n. So erhält man aus dem Halbkreis mit Radius R = 1 den Kegel mit Radius R = ½ und Höhe H = ½·3.

Auf ähnliche Weise lässt sich ein Kegelstumpf konstruieren:

Kegelstumpf-Konstruktion

Frage
Ich möchte einen Kegelstumpf konstruieren, indem ich zwei konzentrische Kreise und zwei Strahlen vom Kreismittelpunkt aus auf ein Papier zeichne und ausschneide. Die Höhe h und die beiden Radien R und r vom Kegelstumpf sind vorgegeben. Wie kann ich die konzentrischen Kreise und den Winkel zwischen den Strahlen bestimmen?

Antwort

Das Schnittmuster ist Teil eines Kreisrings, also ein Kreissektor, aus dem ein zweiter Sektor herausgeschnitten wird:

Konstruktion Kegelstumpf

Der Satz des Pythagoras liefert m = h²+(R-r)² und aus dem Strahlensatz erhalten wir die Gleichung R/r = M/(M-m). Damit gilt: M = m·R/(R-r). Die Skizze zeigt auch: 2R·π = 2M·π·(α/2π) und daraus folgt: α = 2π·R/M - das sind 360·R/M Grad.


Mathematik-Online, Kegel und Kegelstumpf


Bemerkung

Wir befassen uns nun mit dem „Problem” des halbvollen Glases:
Hier ist die Füllhöhe h eines kegelförmigen Glases so zu bestimmen, dass gilt: ½··π·H/3 = x²·π·h/3. Der Strahlensatz besagt: h/H = x/R, daher ist x = h·R/H. Somit können wir x² durch (h·R/H)² ersetzen und erhalten h/H = 2-1/3. Ein kegelförmiges Glas ist also bei rund 80% Füllhöhe halbvoll.

Kegel bzw. Kegelstumpf

Wenn unser Glas jetzt ein Kegelstumpf ist - die skizzierte hellgraue Fläche ist dann massiv - entspricht „halbvoll” der Gleichung ½·(R²·H - r²·a)·π/3 = (x²·h - r²·a)·π/3. Daraus folgt: H·R² + a·r² = 2h·x². Der Strahlensatz liefert: x = h·r/a sowie R/r = H/a und somit gilt: 2h³ = H³+a³. Ebenso zeigt der Strahlensatz: a = H·r/R = r·(H-a)/(R-r), also gilt: H = (H-a)·R/(R-r). Mit Hilfe dieser Gleichungen und elementarer Umformungen erhalten wir nun den Quotienten aus gesuchter und maximaler Füllhöhe:

Dieser Quotient zeigt, wann der Kegelstumpf halbvoll ist.

 Das Sektglas hat einen Pegelstand von 70%.
Allein aus dem Verhältnis der beiden Radien kann man somit ermitteln, wann ein Kegelstumpf zur Hälfte gefüllt ist, wie etwa beim rechts dargestellten Glas. Der obere Radius R ist hier ungefähr fünfmal größer als der untere Radius r. Folglich beträgt unser Quotient (h-a)/(H-a) zirka (631/3-1)/4, also rund 3/4. Der gegebene Pegelstand liegt aber offensichtlich unterhalb der erforderlichen 75% der maximalen Füllhöhe. Im Widerspruch zum spontanen optischen Eindruck ist unser Glas daher weniger als halbvoll. Dagegen konvergiert für R/r  →  1 (Zylinder) der Quotient (h-a)/(H-a) natürlich gegen ½.
Themenliste Volumen von Kegel und Kegelstumpf