Aufgabenbeispiele von Zylinder

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Zylinder V und O

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Durchmesser 74 mm und die Höhe h = 7 mm. Bestimme sein Volumen und seine Oberfläche.

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Zuerst müssen wir den Radius als halben Durchmesser berechnnen: r = 74 2 mm = 37mm

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

G = π ⋅ 372 mm² ≈ 4300,84 mm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 4300.84 mm² mit der Höhe h = 7 mm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 4300.84 mm² ⋅ 7 mm ≈ 30105,88 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 = 7 mm und die andere Seite der Umfang der kreisförmigen Grundfläche ist, also U = 2π⋅r = 2π⋅37 mm ≈ 232.48 mm

Somit gilt für die Oberfläche:

O = 2⋅G + M = 2⋅G + h⋅U
≈ 2⋅ 4300.84 mm² + 7 mm ⋅ 2π ⋅ 37 mm
≈ 8601.68 mm² + 7 mm ⋅ 232.48 mm
≈ 8601.68 mm² + 1627.34 mm²
10229,03 mm²

Zylinder rückwärts (einfach)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Mantelflächeninhalt M = 417.8 cm² = und den Radius r = 7 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 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 · 7 · h = 417.8

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach h auf:

43,981h = 417,8

43,981h = 417,8 |:43,981
h = 9,4996

Wir erhalten also h = 9.5 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 ⋅ 72 cm² ≈ 153,94 cm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 153.94 cm² mit der Höhe h = 9.5 cm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 153.94 cm² ⋅ 9.5 cm ≈ 1462,41 cm³

Zylinder rückw. (alle Möglichk.)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Oberflächeninhalt O = 6525.1 cm² = und die Höhe h = 2.5 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 · 2,5 = 6525.1

Wir teilen auf beiden Seiten durch 2π

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach r auf:

r 2 +2,5r = 1038,5

r 2 +2,5r = 1038,5 | -1038,5

r 2 +2,5r -1038,5 = 0

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

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

r1,2 = -2,5 ± 2,5 2 -4 · 1 · ( -1038,5 ) 21

r1,2 = -2,5 ± 6,25 +4154 2

r1,2 = -2,5 ± 4160,25 2

r1 = -2,5 + 4160,25 2 = -2,5 +64,5 2 = 62 2 = 31

r2 = -2,5 - 4160,25 2 = -2,5 -64,5 2 = -67 2 = -33,5

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 = ( 2,5 2 ) 2 - ( -1038,5 ) = 6.25 4 + 1038,5 = 6.25 4 + 4154 4 = 4160.25 4

x1,2 = - 2,5 2 ± 4160,25 4

x1 = - 2,5 2 - 64,5 2 ≈ -33.5

x2 = - 2,5 2 + 64,5 2 ≈ 31

Wir erhalten also r = 31 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 ⋅ 312 cm² ≈ 3019,07 cm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 3019.07 cm² mit der Höhe h = 2.5 cm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 3019.07 cm² ⋅ 2.5 cm ≈ 7547,68 cm³

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 4,155m² und wird von einer 20 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 = 4,155 zu berechen.

Ain = π rin2

4,155 m² = π rin2 | :π

1,323 m² = rin2

1,15 m ≈ rin

Der Radius des inneren Kreises ist also rin = 1,15 m.

Die Differenz der Radien (vom äußeren und inneren Kreis) beträgt 0,2 m, also beträgt der Radius des äußeren Kreises rout = 1,35 m.

Die gesamte Kreisfläche hat den Flächeninhalt Aout = π ⋅ r²
= π ⋅ 1,352 ≈ 5,726 m2

Da der innere Kreis ja den Flächeninhalt Ain = 4,155 m2 hat, gilt für den Flächeninhalt des (in der Skizze blau eingefärbten) Kreisrings
G = Aout - Ain = 5,726 m2 - 4,155 m2 = 1,571 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 = 1,571 m2 ⋅ 5 m = 7,854 m3

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

m = 7,854 m3 ⋅ 2000 kg/m3 = 15708 kg.