Kegelstumpf

Kegelstumpf

Kegelstumpf ist in der Geometrie die Bezeichnung für einen speziellen Rotationskörper. Ein Kegelstumpf entsteht dadurch, dass man von einem geraden Kreiskegel parallel zur Grundfläche einen kleineren Kegel abschneidet. Dieser kleinere Kegel wird als Ergänzungskegel des Kegelstumpfs bezeichnet.

Die größere der beiden parallelen Kreisflächen ist die Grundfläche $G$, die kleinere die Deckfläche $D$. Die dritte der begrenzenden Flächen wird als Mantelfläche $M$ bezeichnet. Diese Bezeichnungen sind zugleich für die Flächeninhalte dieser Flächen üblich. Unter der Höhe $h$ des Kegelstumpfs versteht man den Abstand von Grund- und Deckfläche.

Nahe verwandt mit dem Kegelstumpf ist der Pyramidenstumpf.

Formeln

Mit $r$ werde der Radius der Deckfläche, mit $R$ der Radius der Grundfläche bezeichnet. $\varphi$ sei der Winkel zwischen einer Mantellinie und der Kegelachse.

Formeln zum Kegelstumpf
Volumen	$V={\frac {h\cdot \pi }{3}}\cdot (R^{2}+R\cdot r+r^{2})$
Länge einer Mantellinie	$m={\sqrt {(R-r)^{2}+h^{2}}}$
Mantelfläche	$M=(R+r)\cdot \pi \cdot m$
Deckfläche	$D=\pi \cdot r^{2}$
Grundfläche	$G=\pi \cdot R^{2}$
Oberfläche	$O=\pi \cdot \left[r^{2}+R^{2}+m\cdot (r+R)\right]$
Höhe des Kegelstumpfs	$h={\frac {R-r}{\tan \varphi }}$

Beweise

Volumen

Für die Berechnung des Volumens des Kegelstumpfs wird die Höhe des Ergänzungskegels mit $k$ bezeichnet. Das Volumen des Kegelstumpfs ergibt sich dann als Differenz zwischen dem Volumen des ganzen Kreiskegels (Radius $R$ und Höhe $h+k$) und dem Volumen des Ergänzungskegels (Radius $r$ und Höhe $k$). Mit Hilfe des Strahlensatzes (Vierstreckensatz) folgt, dass

${\frac {h+k}{R}}={\frac {k}{r}}$.

Nennt man diesen Quotienten $\lambda$, so gilt

$h+k=\lambda \cdot R$ und

$k=\lambda \cdot r.$

Die Höhe ist somit

$h=\lambda \cdot (R-r).$

Das Volumen des großen Kegels ist

$V_{R}={\frac {R^{2}\cdot \pi \cdot (h+k)}{3}}=\lambda \cdot R^{3}\cdot {\frac {\pi }{3}},$

das Volumen des kleinen Kegels ist

$V_{r}={\frac {r^{2}\cdot \pi \cdot k}{3}}=\lambda \cdot r^{3}\cdot {\frac {\pi }{3}},$

das Volumen des Kegelstumpfs ist die Differenz

$V=V_{R}-V_{r}=\lambda \left(R^{3}-r^{3}\right){\frac {\pi }{3}}=\lambda (R-r)\left(R^{2}+R\cdot r+r^{2}\right){\frac {\pi }{3}}={\frac {h\cdot \pi }{3}}\left(R^{2}+Rr+r^{2}\right).$

Mantelfläche

Für die Berechnung der Mantelfläche des Kegelstumpfs werde die Mantellinie des abgeschnittenen kleinen Kegels mit $n$ bezeichnet. Laut Strahlensatz gilt

${\frac {R}{r}}\,=\,{\frac {n+m}{n}}$,

also

$n={\frac {m\cdot r}{R-r}}$.

Die Mantelfläche berechnet sich nun aus der Differenz der Mantelfläche $M_{1}$ des großen Kegels (Radius $R$ und Mantellinie $m+n$) und der Mantelfläche $M_{2}$ des kleinen weggeschnittenen Kegels (Radius $r$ und Mantellinie $n$):

$M\,=\,M_{1}-M_{2}$

$\,=\,\pi \cdot R\cdot (m+n)-\pi \cdot r\cdot n$

$\,=\,\pi \cdot m\cdot R+\pi \cdot n\cdot (R-r)$

$\,=\,\pi \cdot m\cdot R+\pi \cdot {\frac {m\cdot r}{R-r}}\cdot (R-r)$

$\,=\,\pi \cdot m\cdot R+\pi \cdot m\cdot r$

$\,=\,\pi \cdot m\cdot (R+r)$

Siehe auch: Abschnitt Mantelfläche im Artikel Kegel (Geometrie) und Abschnitt Mantelfläche des Kegelstumpfs im Artikel Mantelfläche

Oberfläche

Die Oberfläche des Kegelstumpfs berechnet sich aus der Summe aus Deckfläche, Grundfläche und Mantelfläche:

$D\,=\,\pi \cdot r^{2}$

$G\,=\,\pi \cdot R^{2}$

$M\,=\,\pi \cdot m\cdot (r+R)$

$O\,=\,D+G+M$

$\,=\,\pi \cdot r^{2}+\pi \cdot R^{2}+\pi \cdot m\cdot (r+R)$

$\,=\,\pi \cdot \left[r^{2}+R^{2}+m\cdot (r+R)\right]$

Siehe auch

• Kegel
• Pyramidenstumpf

Literatur

• Rolf Baumann: Geometrie für die 9./10. Klasse. Zentrische Streckung, Satz des Pythagoras, Kreis- und Körperberechnungen. 4. Auflage. Mentor-Verlag, München 2003, ISBN 3-580-63635-9, S. 95 ff. 

Weblinks

Commons: Kegelstumpf – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Kegelstumpf – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen