Das Prinzip von Cavalieri
Eine Kugel lässt sich nicht abwickeln. Man vergleicht deshalb eine Halbkugel mit einem Körper, dessen Volumen man schon berechnen kann.
- Cavalieri:Zwei Körper mit gleicher Höhe, die in jeder Höhe gleich große Schnittflächen haben, haben dasselbe Volumen.
- Vergleichskörper:Zylinder mit Radius \(r\) und Höhe \(r\), aus dem ein Kegel mit der Spitze nach unten herausgenommen ist.
- Schnitt Halbkugel:Kreis mit dem Radius \(\rho\); Pythagoras: \(\rho^2=r^2-x^2\), also \(A=\pi\,(r^2-x^2)\).
- Schnitt Restkörper:Kreisring; der Kegel hat in der Höhe \(x\) den Radius \(x\), also \(A=\pi r^2-\pi x^2\).
Ziehe die Schnittebene an ihrem Griff rechts nach oben und unten oder lass sie mit „Start“ durchfahren. Die Balken unten zeigen beide Schnittflächen — lege sie mit „Überlagern“ übereinander.
Halte fest: In jeder Höhe \(x\) sind beide Schnittflächen gleich groß, nämlich \(\pi\,(r^2-x^2)\). Deshalb haben Halbkugel und Restkörper dasselbe Volumen.
Herleitung:
Volumen der Kugel: \(V=\tfrac43\,\pi r^3\)
Mit der Formel rechnen
Mit der Formel geht es in beide Richtungen: vom Radius zum Volumen und vom Volumen zurück zum Radius.
- Radius gegeben:einsetzen und zuerst \(r^3\) berechnen, dann mit \(\tfrac43\pi\) multiplizieren.
- Durchmesser gegeben:zuerst \(r=\tfrac d2\) bilden.
- Radius verdoppeln:das Volumen wird \(2^3=8\)-mal so groß.
- Einheiten:\(1\,\mathrm{dm^3}=1000\,\mathrm{cm^3}\) = 1 Liter.
Nach dem Radius umstellen:
Allgemeine Hinweise
Hoch drei, nicht hoch zwei
Im Volumen steht \(r^3\) — deshalb die Einheit \(\mathrm{cm^3}\). \(r^2\) gehört zu Flächen.
Durchmesser oder Radius?
Ein Ball mit \(d=20\,\mathrm{cm}\) hat \(r=10\,\mathrm{cm}\). Wer \(d\) einsetzt, erhält das 8-fache Volumen.
Überschlag mit 4,2
\(\tfrac43\pi\approx4{,}19\). Also ist \(V\approx4{,}2\cdot r^3\) — gut zum Kontrollieren des Taschenrechner-Ergebnisses.
