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Aufgabe:

Integral - Volumen

Dieser Körper wird oft in Kirchen gefunden. Er ist aus einer Überschneidung von zwei halben Zylindern geformt. Berechne das Volumen


Problem/Ansatz:

Wie lässt sich dies Berechnen?20220219_135106.jpg

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Ich denke, das soll ein Klostergewölbe sein

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https://de.wikipedia.org/wiki/Gew%C3%B6lbe#Klostergew%C3%B6lbe

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Aloha :)

Beide Halbzylinder haben denselben Radius \(r=3\). Für den einen Zylinder legen wir die Symmetrieachse wie gewohnt auf die \(z\)-Achse. Für den anderen legen wir die Symmetrieachse auf die \(y\)-Achse. Dann müssen alle Punkte \((x;y;z)\) im Volumen die beiden folgenden Bedingungen erfüllen:$$x^2+y^2\le r^2\quad;\quad x^2+z^2\le r^2$$Wegen der Symmetrie können wir uns auf den ersten Oktanden beschränken \(x,y,z\ge0\), müssen aber unser Ergebnis am Ende mit \(4\) multiplizieren.

Wir wählen nun einen Punkt aus, der alle Bedingungen erfüllt, also im Schnittvolumen der beiden Halbzylinder und im ersten Oktanden liegt:

1) Den Wert für \(x\) können wir frei aus \([0;r]\) wählen.

2) Wegen \(x^2+y^2\le r^2\) können wir dann \(y\) nur noch aus \(\left[0;\sqrt{r^2-x^2}\right]\) wählen.

3) Wegen \(x^2+z^2\le r^2\) können wir auch \(z\) nur noch aus \(\left[0;\sqrt{r^2-x^2}\right]\) wählen.

Damit können wir das Integral für das gesamte Volumen formulieren:$$V=4\int\limits_{x=0}^r\left(\int\limits_{y=0}^{\sqrt{r^2-x^2}}\!\!\!\!dy\int\limits_{z=0}^{\sqrt{r^2-x^2}}\!\!\!\!dz\right)dx=4\int\limits_{x=0}^r(r^2-x^2)\,dx=4\left[r^2x-\frac{x^3}{3}\right]_{x=0}^r\!\!\!=\frac83\,r^3$$

Speziell für den Fall hier, mit \(r=3\), beträgt das Volumen \(V=72\) Volumeneinheiten.

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Man kann sich den Aufwand mit den Integrationsgrenzen etwas einschränken :
In der Skizze liegen die Zylinderachsen in x-Richtung mit der Kreisgleichung z^2 = r^2-y^2, die den Zylindermantel beschreibt und in y-Richtung mit der Kreisgleichung z^2 = r^2-x^2, die den Zylindermantel beschreibt. Die Eck-Falze über den Geraden y=±x erfüllen in der Höhe z also im ersten Oktanten die Gleichungen x = √(r^2-z^2) und y=√(r^2-z^2), die Fläche A (das Quadrat) ist in der Höhe z also A = 4xy = 4*(r^2-z^2). V = 0r A(z) dz ergibt V = 8/3r^3

Zusatz : Da die Beschriftung der Skizze nicht sonderlich gut zu entziffern ist und da mit "Zylinder" ja auch ein solcher mit elliptischer Grundfläche gemeint sein kann : Falls das Grund-Rechteck die Maße a und b und das Gewölbe die Höhe c hat, wird das Volumen V = 2/3 abc.

Danke dir, hj2166, dass du meine Lösung nochmal mit einer etwas anderen Herangehensweise bestätigt hast.

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