Rotationskörper

Aus Friedrich-Schiller-Gymnasium
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Rotationskörper

Rotationskörper werden Körper genannt, welche durch Rotation einer erzeugenden Kurve um eine Achse entstehen.
Die Achse um welche rotiert wird, bezeichnet man als Rotations- bzw. Figurenachse. Die von der Kurve eingeschlossene Fläche heißt Rotationsfläche.
Die Rotationsachse und die erzeugende Kurve müssen in der gleichen Ebene liegen.



Rotationskörper der Funktion \sqrt{x} an der x- und der y-Achse. Diese Animation zeigt den Aufbau eines Rotationskörpers, man muss sich den gezeigten Körper ausgefüllt vorstellen.

Wozu braucht man Rotationskörper

Mit Hilfe von Rotationskörpern kann man das Volumen eines runden Körpers bestimmen.

Herleitung des Volumens von Rotationskörpern um die x-Achse

Ein Rotationskörper entsteht aus der Rotation einer Rotationsfläche um eine Rotationsachse. Die Rotationsfläche entspricht hierbei der Fläche unter dem Graphen der erzeugenden Funktion f im Intervall [a;b]. Ähnlich wie auch bei der Herleitung der Fläche unter Kurven (Integrale) nähern wir diese Fläche mit Rechtecken der Breite h an. Der Grenzwert dieser Fläche für immer schmalere Rechtecke, d.h. h→0 entspricht dem Integral \int_{a}^{b}f(x)dx.
Bei Rotaionskörpern wird ähnlich vorgegangen. Statt Rechtecken mit Breite h verwendet man Zylinder mit Höhe h.
Für das Volumen eines Zylinders gilt: V = \pi r^2 \cdot h. Der Radius entspricht hierbei dem Funktionswert an der entsprechende Stelle. Damit gilt für das Volumen der Kreisscheibe an der Stelle x_{i} : V_{i}=\pi(f(x_{i}))^2\cdot h.
Auch hier erhält man für den Grenzfall h→0 den exakten Wert, in diesem Fall für das Volumen. Für dieses gilt:

V = \int_{a}^{b}\pi(f(x))^2dx = \pi\int_{a}^{b}(f(x))^2dx .

Rotationskörper um die x - Achse

Rotationskörper der Funktion f(x) = 1

Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion f(x)=1 von 0 bis 5
Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die x - Achse lässt sich mithilfe der Formel
v=\pi\int_{a}^{b}(f(x))^2dx bestimmen.
Als Beispiel soll hier die Funktion f(x)=1 verwendet werden (siehe Abbildung).

Beispielrechnung

V = \pi \int_{0}^{5}(1)^2dx

V = \pi \int_{0}^{5}1dx

V = \pi \big[x\big]_{0}^{5}

V = 5 \pi

V \approx 15,708

Rotationskörper um die y - Achse

Rotationskörper von der y-Achse zu der x-Achse

Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die y - Achse lässt sich mithilfe der Formel
V=\pi\int_{a}^{b}(g(y))^2dy bestimmen
Hier wird die Funktion um die y-Achse rotiert. Um das Volumen eines solchen Rotationskörpers zu bestimmen, wird dieser mithilfe der Umkehrfunktion so "gedreht", dass dieser um die x-Achse rotiert, dann kann das Volumen wie zuvor bei der
Rotation um die x-Achse beschrieben berechnet werden

Beispielrechnung

Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion g(x)=x^2 im Intervall von 0 bis 5.
Hierbei wird die gegebene Funktion um die y-Achse rotiert.

Bildung der Umkehrfunktion

g(x)=y=x^2

g(y)=x=\sqrt{y}

Berechnung des Volumens

V=\pi \int_{0}^{25}(\sqrt{y})^2dy

V=\pi \int_{0}^{25}(y)dy

V=\pi \Bigg[\frac{1}{2}y^2\Bigg]_{0}^{25}

V=\pi \Bigg(\frac{625}{2}-0\Bigg)

V \approx 981,75


Interaktive Volumensberechnung mit Rotationskörpern

In folgender Anwendung kann nach der Eingabe einer Funktion sowie der oberen und unteren Grenze, das Volumen sowohl bei der Rotation um die X- als auch um die Y- Achse bestimmt werden.