Aufgabenbeispiele von Zylinder

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Zylinder V und O

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Radius 36 cm und die Höhe h = 7 cm. Bestimme sein Volumen und seine Oberfläche.

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

G = π ⋅ 362 cm² ≈ 4071,5 cm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 4071.5 cm² mit der Höhe h = 7 cm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 4071.5 cm² ⋅ 7 cm ≈ 28500,53 cm³

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 cm und die andere Seite der Umfang der kreisförmigen Grundfläche ist, also U = 2π⋅r = 2π⋅36 cm ≈ 226.19 cm

Somit gilt für die Oberfläche:

O = 2⋅G + M = 2⋅G + h⋅U
≈ 2⋅ 4071.5 cm² + 7 cm ⋅ 2π ⋅ 36 cm
≈ 8143.01 cm² + 7 cm ⋅ 226.19 cm
≈ 8143.01 cm² + 1583.36 cm²
9726,37 cm²

Zylinder rückwärts (einfach)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Mantelflächeninhalt M = 747.7 m² = und den Radius r = 17 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 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 · 17 · h = 747.7

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach h auf:

106,811h = 747,7

106,811h = 747,7 |:106,811
h = 7,0002

Wir erhalten also h = 7 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 m² ≈ 907,92 m²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 907.92 m² mit der Höhe h = 7 m multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 907.92 m² ⋅ 7 m ≈ 6355,44 m³

Zylinder rückw. (alle Möglichk.)

Beispiel:

Ein Zylinder hat den Oberflächeninhalt O = 8865.6 mm² = und die Höhe h = 7.5 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 · 7,5 = 8865.6

Wir teilen auf beiden Seiten durch 2π

Jetzt verrechnen wir die Werte und lösen nach r auf:

r 2 +7,5r = 1411

r 2 +7,5r = 1411 | -1411

r 2 +7,5r -1411 = 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 · ( -1411 ) 21

r1,2 = -7,5 ± 56,25 +5644 2

r1,2 = -7,5 ± 5700,25 2

r1 = -7,5 + 5700,25 2 = -7,5 +75,5 2 = 68 2 = 34

r2 = -7,5 - 5700,25 2 = -7,5 -75,5 2 = -83 2 = -41,5

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 - ( -1411 ) = 56.25 4 + 1411 = 56.25 4 + 5644 4 = 5700.25 4

x1,2 = - 7,5 2 ± 5700,25 4

x1 = - 7,5 2 - 75,5 2 ≈ -41.5

x2 = - 7,5 2 + 75,5 2 ≈ 34

Wir erhalten also r = 34 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 ⋅ 342 mm² ≈ 3631,68 mm²

Für das Volumen müssen wir nun noch G = 3631.68 mm² mit der Höhe h = 7.5 mm multiplizieren:

V = G ⋅ h ≈ 3631.68 mm² ⋅ 7.5 mm ≈ 27237,61 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 1,674m² und wird von einer 12 cm dicken Betonwand ummantelt. Wie schwer wird das Kanalelement, wenn 1m³ Beton 2200 kg wiegt?

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Zuerst versuchen wir den Radius aus dem gegebenen Flächeninhalt der inneren Querschnittsfläche Ain = 1,674 zu berechen.

Ain = π rin2

1,674 m² = π rin2 | :π

0,533 m² = rin2

0,73 m ≈ rin

Der Radius des inneren Kreises ist also rin = 0,73 m.

Die Differenz der Radien (vom äußeren und inneren Kreis) beträgt 0,12 m, also beträgt der Radius des äußeren Kreises rout = 0,85 m.

Die gesamte Kreisfläche hat den Flächeninhalt Aout = π ⋅ r²
= π ⋅ 0,852 ≈ 2,27 m2

Da der innere Kreis ja den Flächeninhalt Ain = 1,674 m2 hat, gilt für den Flächeninhalt des (in der Skizze blau eingefärbten) Kreisrings
G = Aout - Ain = 2,27 m2 - 1,674 m2 = 0,596 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 = 0,596 m2 ⋅ 5 m = 2,978 m3

Die gesuchte Masse erhalten wir nun noch durch Multiplizieren mit der Dichte 2200 kg/m3:

m = 2,978 m3 ⋅ 2200 kg/m3 = 6551,6 kg.