Aufgabenbeispiele von Zylinder

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Zylinder V und O

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Durchmesser 65 mm und die Höhe h = 5 mm. Bestimme sein Volumen und seine Oberfläche.

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Zuerst müssen wir den Radius als halben Durchmesser berechnnen: r = 65 2 mm = 32.5mm

Wir wenden die Kreisformel für die Bestimmung des Flächeninhalts der Grundfläche an:
G = π ⋅ r2

G = π ⋅ 32.52 mm² ≈ 3318,31 mm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 3318.31 mm² mit der Höhe h = 5 mm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 3318.31 mm² ⋅ 5 mm ≈ 16591,54 mm³

Für die Oberfläche brauchen wir zwei mal die Grundfläche G für die obere und untere Seite (wenn der Zylinder senkrecht steht) und den Mantel, der die Form eines Rechtecks hat, bei dem eine Seite die Höhe h = 5 mm und die andere Seite der Umfang der kreisförmigen Grundfläche ist, also U = 2π⋅r = 2π⋅32.5 mm ≈ 204.2 mm

Somit gilt für die Oberfläche:

O = 2⋅G + M = 2⋅G + h⋅U
≈ 2⋅ 3318.31 mm² + 5 mm ⋅ 2π ⋅ 32.5 mm
≈ 6636.61 mm² + 5 mm ⋅ 204.2 mm
≈ 6636.61 mm² + 1021.02 mm²
7657,63 mm²

Zylinder rückwärts (einfach)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Mantelflächeninhalt M = 276.5 mm² = und den Radius r = 11 mm. Bestimme das Volumen V dieses Zylinders.

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Um das gesuchte Volumen V berechnen zu können, benötigen wir den Radius r und die Höhe h. Wir müssen also zuerst noch die Höhe h bestimmen. Hierfür nutzen wir den gegebenen Mantelflächeninhalt M.

Wir schreiben also einfach die Formel für den gegebenen Mantelflächeninhalt M auf und setzen alle gegebenen Größen ein.

M = U ⋅ h = 2 ⋅ π ⋅ r ⋅ h, also

2π ⋅ r ⋅ h = M

alle gegebenen Größen eingesetzt:

2π · 11 · h = 276.5

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach h auf:

69,113h = 276,5

69,113h = 276,5 |:69,113
h = 4,0007

Wir erhalten also h = 4 und können nun damit das gesuchte Volumen V berechnen.

Wir wenden die Kreisformel für die Bestimmung des Flächeninhalts der Grundfläche an:
G = π ⋅ r2

G = π ⋅ 112 mm² ≈ 380,13 mm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 380.13 mm² mit der Höhe h = 4 mm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 380.13 mm² ⋅ 4 mm ≈ 1520,53 mm³

Zylinder rückw. (alle Möglichk.)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Oberflächeninhalt O = 2296.5 mm² = und die Höhe h = 4.5 mm. Bestimme das Volumen V dieses Zylinders.

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Um das gesuchte Volumen V berechnen zu können, benötigen wir den Radius r und die Höhe h. Wir müssen also zuerst noch den Radius r bestimmen. Hierfür nutzen wir den gegebenen Oberflächeninhalt O.

Wir schreiben also einfach die Formel für den gegebenen Oberflächeninhalt O auf und setzen alle gegebenen Größen ein.

O = 2G + M = 2π ⋅ r2 + 2π ⋅ r ⋅ h, also

2 ⋅ π ⋅ r2 + 2π ⋅ r ⋅ h = O

alle gegebenen Größen eingesetzt:

2π · r 2 + 2π · r · 4,5 = 2296.5

Wir teilen auf beiden Seiten durch 2π

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach r auf:

r 2 +4,5r = 365,5

r 2 +4,5r = 365,5 | -365,5

r 2 +4,5r -365,5 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

r1,2 = -4,5 ± 4,5 2 -4 · 1 · ( -365,5 ) 21

r1,2 = -4,5 ± 20,25 +1462 2

r1,2 = -4,5 ± 1482,25 2

r1 = -4,5 + 1482,25 2 = -4,5 +38,5 2 = 34 2 = 17

r2 = -4,5 - 1482,25 2 = -4,5 -38,5 2 = -43 2 = -21,5

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( 4,5 2 ) 2 - ( -365,5 ) = 20.25 4 + 365,5 = 20.25 4 + 1462 4 = 1482.25 4

x1,2 = - 4,5 2 ± 1482,25 4

x1 = - 4,5 2 - 38,5 2 ≈ -21.5

x2 = - 4,5 2 + 38,5 2 ≈ 17

Wir erhalten also r = 17 und können nun damit das gesuchte Volumen V berechnen.

Wir wenden die Kreisformel für die Bestimmung des Flächeninhalts der Grundfläche an:
G = π ⋅ r2

G = π ⋅ 172 mm² ≈ 907,92 mm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 907.92 mm² mit der Höhe h = 4.5 mm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 907.92 mm² ⋅ 4.5 mm ≈ 4085,64 mm³

Zylinder Anwendungen

Beispiel:

Eine Firma stellt Kanalelemente aus Beton her. Diese haben die Form eines hohlen Zylinders und sind immer 5m lang. Die Querschnittsfläche des Kanals beträgt 4,374m² und wird von einer 22 cm dicken Betonwand ummantelt. Wie schwer wird das Kanalelement, wenn 1m³ Beton 2000 kg wiegt?

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Zuerst versuchen wir den Radius aus dem gegebenen Flächeninhalt der inneren Querschnittsfläche Ain = 4,374 zu berechen.

Ain = π rin2

4,374 m² = π rin2 | :π

1,392 m² = rin2

1,18 m ≈ rin

Der Radius des inneren Kreises ist also rin = 1,18 m.

Die Differenz der Radien (vom äußeren und inneren Kreis) beträgt 0,22 m, also beträgt der Radius des äußeren Kreises rout = 1,4 m.

Die gesamte Kreisfläche hat den Flächeninhalt Aout = π ⋅ r²
= π ⋅ 1,42 ≈ 6,158 m2

Da der innere Kreis ja den Flächeninhalt Ain = 4,374 m2 hat, gilt für den Flächeninhalt des (in der Skizze blau eingefärbten) Kreisrings
G = Aout - Ain = 6,158 m2 - 4,374 m2 = 1,784 m2

Damit können wir das Volumen des Hohlzylinders berechnen. Dazu multiplizieren wir einfach den Flächeninhalt des Kreisrings mit der Höhe des Hohlzylinders h = 5 m:

V = 1,784 m2 ⋅ 5 m = 8,916 m3

Die gesuchte Masse erhalten wir nun noch durch Multiplizieren mit der Dichte 2000 kg/m3:

m = 8,916 m3 ⋅ 2000 kg/m3 = 17832 kg.