Archimedischer Körper

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Beispiel eines archimedischen Körpers: der Hexaederstumpf

Die archimedischen Körper sind eine Klasse von regelmäßigen geometrischen Körpern. Sie sind konvexe Polyeder (Vielflächner) mit folgenden Eigenschaften: ihre Seitenflächen sind regelmäßige Polygone (Vielecke), alle Ecken des Körpers verhalten sich zueinander völlig gleich (Uniformität der Ecken), und sie sind weder platonische Körper noch Prismen oder Antiprismen.

Je nach Zählweise gibt es 13 oder 15 solcher Körper. Sie sind nach dem griechischen Mathematiker Archimedes benannt, der sie alle vermutlich bereits im dritten Jahrhundert vor Christus entdeckte. Die Schrift des Archimedes ist nicht erhalten, es ist nur eine Zusammenfassung des alexandrinischen Mathematikers Pappos (4. Jahrhundert nach Christus) überliefert.[1]

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die exakte Definition der Uniformität der Ecken bereitet einige Mühe und ist nicht immer einheitlich.[2]

Zunächst betrachtet man alle konvexen Polyeder, deren Seitenflächen regelmäßige Polygone sind und die die globale Uniformität der Ecken erfüllen:

Die Symmetriegruppe des Polyeders operiert transitiv auf seinen Ecken.

Das bedeutet anschaulich:

Zu jedem Paar von Ecken des Polyeders ist es möglich, das Polyeder so zu drehen und zu spiegeln, dass die Ecke dort zu liegen kommt, wo zuvor die Ecke war, und die beiden Positionen des Polyeders vor und nach der Drehung nicht zu unterscheiden sind.

Es gibt mehrere einfache Klassen von konvexen Polyedern, die alle diese Eigenschaften erfüllen:

  • Die fünf platonischen Körper.
  • Alle Prismen, die aus genau zwei kongruenten regelmäßigen n-Ecken und n Quadraten bestehen. Zu jeder natürlichen Zahl existiert ein solches Prisma. An einer Ecke treffen stets ein n-Eck und zwei Quadrate zusammen. Im Fall ergibt sich ein Würfel, also ein platonischer Körper.
  • Alle Antiprismen, die aus genau zwei kongruenten n-Ecken und 2n gleichseitigen Dreiecken bestehen. Zu jeder natürlichen Zahl n größer gleich drei existiert ein solches Antiprisma. An einer Ecke treffen stets ein n-Eck und drei Dreiecke zusammen. Im Fall ergibt sich ein Oktaeder, also ein platonischer Körper.

Die archimedischen Körper sind nun definiert als alle konvexen Polyeder mit regelmäßigen Seitenflächen, die die globale Uniformität der Ecken erfüllen und nicht in eine dieser drei genannten Klassen fallen.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Unterscheidet man nicht zwischen ähnlichen Körpern, so existieren genau 13 archimedische Körper. Von zweien dieser Körper existieren je zwei spiegelbildlich entgegengesetzte Varianten, welche nicht durch Drehung ineinander übergeführt werden können. Diese werden gelegentlich doppelt gezählt, so dass sich nach dieser Zählweise dann insgesamt 15 archimedische Körper ergeben.
  • Weil die Seitenflächen regelmäßige Polygone sind, gilt: Alle Kanten eines archimedischen Körpers haben die gleiche Länge.
  • Aus der globalen Uniformität der Ecken folgt die lokale Uniformität der Ecken:
An jeder Ecke treffen im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn abgelesen dieselben Typen von Polygonen zusammen.
  • Aus der lokalen Uniformität der Ecken folgt jedoch im Allgemeinen nicht die globale Uniformität. Ein Gegenbeispiel liefert das Pseudo-Rhombenkuboktaeder.
  • Die Flächenfolge an einer Ecke charakterisiert jeden archimedischen (sowie auch platonischen) Körper eindeutig.
  • Die zu den archimedischen Körpern dualen Polyeder sind die catalanischen Körper. Die charakteristische Eigenschaft dieser Körper ist die Uniformität der Flächen, welche sich aus der Uniformität der Ecken der archimedischen Körper ergibt.
  • Jeder archimedische Körper kann durch Abstumpfen aus einem platonischen Körper erzeugt werden. Bei vielen archimedischen Körpern deutet auch der Name darauf hin. Mit Abstumpfen eines Körpers ist hier gemeint, dass dem Körper beliebige Stücke weggeschnitten werden, dabei aber die Flächen des Körpers – in aller Regel verkleinert – als Flächen des abgestumpften Körpers erhalten bleiben.
  • Wenn ein archimedischer Körper durch Abstumpfen aus einem platonischen Körper erzeugt werden kann, dann kann er auch aus dem dazu dualen platonischen Körper durch Abstumpfen erzeugt werden.

Die einzelnen archimedischen Körper[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Name Bilder Flächen Kanten Ecken Flächenfolge
an den Ecken
Symmetrie-
gruppe
Tetraederstumpf Truncatedtetrahedron.jpg Polyhedron truncated 4a max.png 8 4 Dreiecke
4 Sechsecke
18 12 3, 6, 6
Polyhedron truncated 4a vertfig.png
Td
Kuboktaeder Cuboctahedron.svg Polyhedron 6-8 max.png 14 8 Dreiecke
6 Quadrate
24 12 3, 4, 3, 4
Polyhedron 6-8 vertfig.png
Oh
Hexaederstumpf Truncatedhexahedron.jpg Polyhedron truncated 6 max.png 14 8 Dreiecke
6 Achtecke
36 24 3, 8, 8
Polyhedron truncated 6 vertfig.png
Oh
Oktaederstumpf Truncatedoctahedron.jpg Polyhedron truncated 8 max.png 14 6 Quadrate
8 Sechsecke
36 24 4, 6, 6
Polyhedron truncated 8 vertfig.png
Oh
(Kleines) Rhombenkuboktaeder Rhombicuboctahedron.jpg Polyhedron small rhombi 6-8 max.png 26 8 Dreiecke
18 Quadrate
48 24 3, 4, 4, 4
Polyhedron small rhombi 6-8 vertfig.png
Oh
Großes Rhombenkuboktaeder
oder Kuboktaederstumpf
Truncatedcuboctahedron.jpg Polyhedron great rhombi 6-8 max.png 26 12 Quadrate
8 Sechsecke
6 Achtecke
72 48 4, 6, 8
Polyhedron great rhombi 6-8 vertfig light.png
Oh
Abgeschrägtes Hexaeder
oder Cubus simus
Snubhexahedroncw.jpg Polyhedron snub 6-8 left max.png 38 32 Dreiecke
6 Quadrate
60 24 3, 3, 3, 3, 4
Polyhedron snub 6-8 left vertfig.png
O
Ikosidodekaeder Icosidodecahedron.svg Polyhedron 12-20 max.png 32 20 Dreiecke
12 Fünfecke
60 30 3, 5, 3, 5
Polyhedron 12-20 vertfig.png
Ih
Dodekaederstumpf Truncateddodecahedron.jpg Polyhedron truncated 12 max.png 32 20 Dreiecke
12 Zehnecke
90 60 3, 10, 10
Polyhedron truncated 12 vertfig.png
Ih
Ikosaederstumpf
oder Fußballkörper
Truncatedicosahedron.jpg Polyhedron truncated 20 max.png 32 12 Fünfecke
20 Sechsecke
90 60 5, 6, 6
Polyhedron truncated 20 vertfig.png
Ih
(Kleines) Rhombenikosidodekaeder Rhombicosidodecahedron.jpg Polyhedron small rhombi 12-20 max.png 62 20 Dreiecke
30 Quadrate
12 Fünfecke
120 60 3, 4, 5, 4
Polyhedron small rhombi 12-20 vertfig.png
Ih
Großes Rhombenikosidodekaeder
oder Ikosidodekaederstumpf
Truncatedicosidodecahedron.jpg Polyhedron great rhombi 12-20 max.png 62 30 Quadrate
20 Sechsecke
12 Zehnecke
180 120 4, 6, 10
Polyhedron great rhombi 12-20 vertfig light.png
Ih
Abgeschrägtes Dodekaeder
oder Dodecaedron simum
Snubdodecahedroncw.jpg Polyhedron snub 12-20 left max.png 92 80 Dreiecke
12 Fünfecke
150 60 3, 3, 3, 3, 5
Polyhedron snub 12-20 left vertfig.png
I

Das Pseudo-Rhombenkuboktaeder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Pseudo-Rhombenkuboktaeder

Lange Zeit benutzte man für die Definition der archimedischen Körper nicht die globale, sondern die anschaulichere lokale Uniformität der Ecken. Erst im Jahr 1930 stellte der britische Mathematiker J. C. P. Miller fest, dass ein konvexes Polyeder mit regelmäßigen Seitenflächen existiert, welches die lokale Uniformität der Ecken erfüllt, aber bisher nicht als archimedischer Körper erkannt worden war. Dieses Polyeder entsteht, wenn man beim Rhombenkuboktaeder eine Kappe um 45 Grad verdreht. Es wird als Pseudo-Rhombenkuboktaeder, als Miller’s solid oder als Johnson-Körper bezeichnet.

In jeder Ecke dieses Körpers stoßen wie beim Rhombenkuboktaeder drei Quadrate und ein Dreieck zusammen, die lokale Uniformität der Ecken ist also gegeben. Im Gegensatz zu den klassischen archimedischen Körpern können trotzdem zwei verschiedene Typen von Ecken unterschieden werden. Dazu ist es aber notwendig, nicht nur die direkten Nachbarflächen der Ecke zu betrachten, sondern zur Unterscheidung auch die weiter entfernten Nachbarflächen der Ecke mit einzubeziehen.

Gelegentlich klassifiziert man das Pseudo-Rhombenkuboktaeder als 14. archimedischen Körper. In der Regel herrscht aber die Meinung vor, dass es aufgrund der unterschiedlichen Typen von Ecken nicht als archimedischer Körper angesehen werden sollte. Die Forderung der starken Uniformität der Ecken sorgt dann dafür, dass das Pseudo-Rhombenkuboktaeder aus der Definition ausgeschlossen wird.

Man kann spekulieren, dass möglicherweise bereits Kepler das Pseudo-Rhombenkuboktaeder kannte: denn einmal spricht er von vierzehn Archimedischen Körpern.[3]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Paul Adam, Arnold Wyss: Platonische und Archimedische Körper, ihre Sternformen und polaren Gebilde. Verlag Freies Geistesleben u. a., Stuttgart 1984, ISBN 3-7725-0965-7 (2. Auflage. Haupt u. a., Bern 1994).

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Pappus von Alexandria: Mathematicae collectiones. Band V, Nr. 19.
  2. Branko Grünbaum: An enduring error. In: Elemente der Mathematik. 64, Nr. 3, 2009, S. 89–101. doi:10.4171/EM/120. Nachgedruckt in Mircea Pitici (Hrsg.): The Best Writing on Mathematics 2010. Princeton University Press, 2011, ISBN 978-0-691-14841-0, S. 18–31.
  3. Peter R. Cromwell: Polyhedra. Cambridge University Press, 1997, ISBN 0-521-55432-2, S. 156 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 28. Dezember 2016]).

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Archimedische Körper – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: archimedischer Körper – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen