Aufgabenbeispiele von Zylinder

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Zylinder V und O

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Durchmesser 25 mm und die Höhe h = 6 mm. Bestimme sein Volumen und seine Oberfläche.

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Zuerst müssen wir den Radius als halben Durchmesser berechnnen: r = 25 2 mm = 12.5mm

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

G = π ⋅ 12.52 mm² ≈ 490,87 mm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 490.87 mm² mit der Höhe h = 6 mm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 490.87 mm² ⋅ 6 mm ≈ 2945,24 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 = 6 mm und die andere Seite der Umfang der kreisförmigen Grundfläche ist, also U = 2π⋅r = 2π⋅12.5 mm ≈ 78.54 mm

Somit gilt für die Oberfläche:

O = 2⋅G + M = 2⋅G + h⋅U
≈ 2⋅ 490.87 mm² + 6 mm ⋅ 2π ⋅ 12.5 mm
≈ 981.75 mm² + 6 mm ⋅ 78.54 mm
≈ 981.75 mm² + 471.24 mm²
1452,99 mm²

Zylinder rückwärts (einfach)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Mantelflächeninhalt M = 1869.2 m² = und die Höhe h = 8.5 m. 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 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 · r · 8,5 = 1869.2

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach r auf:

53,4055r = 1869,2

53,4055r = 1869,2 |:53,4055
r = 35,0001

Wir erhalten also r = 35 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 ⋅ 352 m² ≈ 3848,45 m²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 3848.45 m² mit der Höhe h = 8.5 m multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 3848.45 m² ⋅ 8.5 m ≈ 32711,83 m³

Zylinder rückw. (alle Möglichk.)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Oberflächeninhalt O = 6245.5 cm² = und die Höhe h = 7.5 cm. 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 · 7,5 = 6245.5

Wir teilen auf beiden Seiten durch 2π

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach r auf:

r 2 +7,5r = 994

r 2 +7,5r = 994 | -994

r 2 +7,5r -994 = 0

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

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

r1,2 = -7,5 ± 7,5 2 -4 · 1 · ( -994 ) 21

r1,2 = -7,5 ± 56,25 +3976 2

r1,2 = -7,5 ± 4032,25 2

r1 = -7,5 + 4032,25 2 = -7,5 +63,5 2 = 56 2 = 28

r2 = -7,5 - 4032,25 2 = -7,5 -63,5 2 = -71 2 = -35,5

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 = ( 7,5 2 ) 2 - ( -994 ) = 56.25 4 + 994 = 56.25 4 + 3976 4 = 4032.25 4

x1,2 = - 7,5 2 ± 4032,25 4

x1 = - 7,5 2 - 63,5 2 ≈ -35.5

x2 = - 7,5 2 + 63,5 2 ≈ 28

Wir erhalten also r = 28 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 ⋅ 282 cm² ≈ 2463,01 cm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 2463.01 cm² mit der Höhe h = 7.5 cm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 2463.01 cm² ⋅ 7.5 cm ≈ 18472,56 cm³

Zylinder Anwendungen

Beispiel:

Eine Firma stellt Kanalelemente aus Beton her. Diese haben die Form eines hohlen Zylinders und sind immer 3m lang. Die Querschnittsfläche des Kanals beträgt 2,433m² und wird von einer 12 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 = 2,433 zu berechen.

Ain = π rin2

2,433 m² = π rin2 | :π

0,774 m² = rin2

0,88 m ≈ rin

Der Radius des inneren Kreises ist also rin = 0,88 m.

Die Differenz der Radien (vom äußeren und inneren Kreis) beträgt 0,12 m, also beträgt der Radius des äußeren Kreises rout = 1 m.

Die gesamte Kreisfläche hat den Flächeninhalt Aout = π ⋅ r²
= π ⋅ 12 ≈ 3,142 m2

Da der innere Kreis ja den Flächeninhalt Ain = 2,433 m2 hat, gilt für den Flächeninhalt des (in der Skizze blau eingefärbten) Kreisrings
G = Aout - Ain = 3,142 m2 - 2,433 m2 = 0,709 m2

Damit können wir das Volumen des Hohlzylinders berechnen. Dazu multiplizieren wir einfach den Flächeninhalt des Kreisrings mit der Höhe des Hohlzylinders h = 3 m:

V = 0,709 m2 ⋅ 3 m = 2,126 m3

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

m = 2,126 m3 ⋅ 2000 kg/m3 = 4252 kg.