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Kugel und Tangentialkegel

Von einem außerhalb einer Kugel K liegenden Punkt P können unendlich viele Tangenten an die Kugel gelegt werden. Diese Tangenten bilden einen (doppelten) Kreiskegel, den Tangentialkegel der Kugel K mit der Spitze P. Die Berührpunkte aller Tangenten mit der Kugel liegen auf einem Kreis, den die Ebene E aus der Kugel K ausschneidet. Diese Ebene E wird auch Polarebene genannt.

Hinweis: In der Abbildung sind 20 Tangenten eingezeichnet.

Tangentialkegel an Kugel

Alle Berührpunkte der Tangenten mit der Kugel liegen auf einem Kreis, den die Ebene

E:(x→−m→)∘(p→−m→)=r2

aus der Kugel ausschneidet.

Beispiel für die Erstellung der Ebenengleichung E

Gegeben sind eine Kugel K mit Kugelmittelpunkt M(3|1|2), Kugelradius r=4 und ein Punkt P(7|5|1) außerhalb der Kugel. Vom Punkt P aus werden Tangenten an die Kugel K gelegt. Alle Berührpunkte der Tangenten mit der Kugel liegen auf einem Kreis, den die Ebene E aus der Kugel K ausschneidet. Bestimme die Gleichung der Ebene E in Koordinatenform.

Benutze die Ebenengleichung E:(x→−m→)∘(p→−m→)=r2 und setze die gegebenen Werte ein.

r2=(x→−m→)∘(p→−m→)
↓

Setze M(3|1|2), P(7|5|1) und r=4 ein.

42=(x→−(312))∘((751)−(312))
↓

Vereinfache.

16=(x→−(312))∘(44−1)
↓

Berechne das Skalarprodukt.

16=4x1+4x2−x3−(3⋅4+1⋅4+2⋅(−1)
↓

Vereinfache.

16=4x1+4x2−x3−14+14
30=4x1+4x2−x3

Antwort: Die Gleichung der Ebene E lautet E:4x1+4x2−x3=30.

Der Tangentenkegel

Beim Tangentenkegel können

  • der Mittelpunkt des Schnittkreises M′

  • der Schnittkreisradius r′

  • der Öffnungswinkel α

  • das Kegelvolumen V

berechnet werden.

Tangentenkegel

Berechnung des Schnittkreismittelpunktes M′

Den Mittelpunkt M′ des Schnittkreises berechnest du, indem du die Lotgerade von M auf die Ebene E mit der Ebene E schneidest: gLot∩E

Verwende als Aufpunkt den Mittelpunkt M und als Richtungsvektor den Normalenvektor der Ebene E:

gLot:X→=M→+t⋅n→E

Schnittkreisradius

Beispiel für die Berechnung des Schnittkreismittelpunktes M′

Gegeben sind die Schnittkreisebene E:4x1+4x2−x3=30 und der Kugelmittelpunkt M(3|1|2). Gesucht ist M′.

Berechne die Gleichung der Lotgeraden gLot durch den Mittelpunkt M auf die Ebene E.

Verwende als Aufpunkt den Mittelpunkt M(3|1|2) und als Richtungsvektor den Normalenvektor n→=(44−1)der Ebene E.

gLot:X→=(312)+t⋅(44−1)=(3+4t1+4t2−t)

Schneide die Lotgerade gLot:X→=(3+4t1+4t2−t) mit der Ebene E:4x1+4x2−x3=30

4⋅(3+4t)+4⋅(1+4t)−1⋅(2−t)=30
↓

Löse die Klammern auf.

12+16t+4+16t−2+t=30
↓

Vereinfache.

33t+14=30−14
↓

Löse nach t auf.

33t=16:33
t=1633

Zur Berechnung des Schnittpunktes M′ setzt du t=1633 in die Gleichung der Lotgeraden ein.

X→M′=(312)+1633⋅(44−1)=(3+64331+64332−1633)=(1633397335033)

Antwort: Der Mittelpunkt M′ des Schnittkreises hat die Koordinaten

M′(16333|9733|5033).

Berechnung des Schnittkreisradius r′

Mit dem Satz von Pythagoras berechnest du den Schnittkreisradius r′. Der Abstand der Ebene E vom Mittelpunkt M ist d=|MM′→|.

Dann gilt im rechtwinkligen Dreieck : r2=r′2+d2. Für der Schnittkreisradius r′ folgt daraus:

r′=r2−d2 .

Schnittkreisradius

Beispiel für die Berechnung des Schnittkreisradius r′

Gegeben sind der Kugelmittelpunkt M(3|1|2) , der Mittelpunkt des Schnittkreises M′(16333|9733|5033) und der Kugelradius r=4. Gesucht ist r′.

Berechne den Vektor MM′→ und dann dessen Betrag d=|MM′→|.

MM′→=(1633397335033)−(312)=(16333−39733−15033−2)=(64336433−1633)

d=|MM′→|=(6433)2+(6433)2+(−1633)2=25633

r′=r2−d2
↓

Setze r=4 und d=25633 ein.

=42−(25633)2
↓

Vereinfache

=16−25633
↓

Berechne die Differenz.

=27233
≈2,87

Antwort: Der Schnittkreisradius beträgt r′=27233≈2,87LE.

Berechnung des Öffnungswinkels α des Tangentialkegels

Im rechtwinkligen Dreieck MPB gilt:

sin⁡(α2)=rMP⇒

α2=arcsin⁡(rMP) bzw.

α=2⋅arcsin⁡(rMP)

Tangente an Kugel, Öffnungswinkel Tangentialkegel

Beispiel für die Berechnung des Öffnungswinkels α des Tangentialkegels

Gegeben sind der Kugelmittelpunkt M(3|1|2), der Kugelradius r=4 und der Punkt P(7|5|1). Gesucht ist der Öffnungswinkel α.

Für den halben Öffnungswinkel gilt:

sin⁡(α2)=r|MP→|

Berechne den Vektor MP→ und dann dessen Betrag.

MP→=(751)−(312)=(441)⇒|MP→|=42+42+12=33

α2=arcsin⁡(r|MP→|)=arcsin⁡(433)≈44,13∘

α≈2⋅44,13∘=88,26∘

Antwort: Der Öffnungswinkel des Tangentialkegels beträgt etwa 88,3∘.

Volumenberechnung des Tangentialkegels

Für das Volumen eines Kegels gilt:

VK=13⋅π⋅r2⋅h

Der Kegelradius ist r′ und die Kegelhöhe h ist die Länge der Strecke [M′P].

Höhenberechnung Tangentialkegel

Beispiel für die Berechnung des Tangentialkegelvolumens

Gegeben sind der Mittelpunkt des Schnittkreises M′(16333|9733|5033), der Punkt P(7|5|1) und der Schnittkreisradius r′=2,87. Gesucht ist V.

Der Kegelradius r ist gleich dem Schnittkreisradius r′=2,87 und die Kegelhöhe h ist die Länge der Strecke [M′P].

Berechne den Vektor M′P→ und dann dessen Betrag.

M′P→=(751)−(1633397335033)=(68336833−1733)⇒

h=|M′P→|=(6833)2+(6833)2+(−1733)2=28933≈2,96

Berechne nun das Volumen des Kegels:

VK=13⋅π⋅r2⋅h
↓

Setze r=2,87 und h=2,96 in die Volumenformel ein

=13⋅π⋅2,872⋅2,96
↓

Vereinfache.

=25,53

Antwort: Das Volumen des Tangentialkegels beträgt etwa 25,5VE.

Übungsaufgaben

Weitere Aufgaben zum Thema findest du im folgenden Aufgabenordner:
Aufgaben zu Kreisen und Kugeln

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