Rotationsellipsoid - LinkFang.de





Rotationsellipsoid


Abgeplattetes Rotationsellipsoid Verlängertes Rotationsellipsoid

Ein Rotationsellipsoid (englisch spheroid) ist eine Rotationsfläche, die durch die Drehung einer Ellipse um eine ihrer Achsen entsteht. Im Gegensatz zu einem allgemeinen Ellipsoid sind zwei Achsen gleich lang. Man unterscheidet dabei je nach Länge der Drehachse das

  • verlängerte (prolate) Ellipsoid bei Rotation um die große Halbachse und das
  • abgeplattete (oblate) Ellipsoid bei Rotation um die kleine Halbachse.

Ein Beispiel für ein verlängertes Rotationsellipsoid ist die Form des Rugbyballs, das abgeplattete ähnelt einer Schokolinse.

Vorkommen

Die meisten größeren Himmelskörper sind angenähert abgeplattete Rotationsellipsoide (auch Sphäroide genannt). Sie entstehen durch die Fliehkraft, die bewirkt, dass ein sich drehender kugelförmiger Körper verformt wird. An den Polen, also den Durchstoßpunkten der Rotationsachse, werden diese Körper abgeplattet, am Äquator entsteht eine Ausbauchung. Besonders deutlich ist die Abplattung bei den großen Gasplaneten Jupiter und Saturn ausgeprägt, weil sie besonders schnell rotieren und nicht verfestigt sind. Aber auch die Erde und die anderen terrestrischen Planeten werden durch die bei der Rotation entstehenden Fliehkräfte zu Rotationsellipsoiden verformt. Der in zehn Stunden rotierende Jupiter ist um etwa 1/16 abgeplattet, die Erdabplattung beträgt 1/298,257223563 (WGS 84). Elliptische Galaxien sind oft keine Rotationsellipsoide, sondern triaxial.

Parameterdarstellung

Die folgende Parameterdarstellung beschreibt ein Rotationsellipsoid, das durch Rotation der Halb-Ellipse [math](a \cos t, 0, c\sin t), -\tfrac{\pi}{2} \leq t \leq \tfrac{\pi}{2}[/math] (in der [math]x[/math]-[math]z[/math]-Ebene) um die [math]z[/math]-Achse entsteht (s. Rotationsfläche):

[math]\begin{pmatrix} a ~ \cos t ~ \cos \varphi \\ a ~ \cos t ~ \sin\varphi \\ c ~ \sin t \end{pmatrix} \qquad (-\tfrac{\pi}{2} \leq t \leq \tfrac{\pi}{2}\ ,\ 0 \leq \varphi \lt 2\pi , \ 0 \lt a,c)[/math].

Die Zahlen [math]a,c[/math] sind die Halbachsen der rotierenden Halbellipse. Im Fall [math]a\gtc[/math] entsteht ein abgeplattetes Rotationsellipsoid, im Fall [math]a\ltc[/math] ein verlängertes Rotationsellipsoid. Falls [math]a=c[/math] ist, ergibt sich eine Kugel mit Radius [math]a[/math].

Man beachte: Die Pole (Punkte auf der Rotationsachse) besitzen keine eindeutige Darstellung.

Das entstandene Rotationsellipsoid besitzt die implizite Darstellung:

[math]\frac{x^2+y^2}{a^2}+\frac{z^2}{c^2}=1 \ . [/math]

Volumen

Das Volumen des obigen Rotationsellipsoids beträgt

[math]V = \frac{4\pi}{3} a^2 c[/math].

Dabei ist [math]a[/math] der Radius des Äquatorkreises und [math]c[/math] der Abstand der Pole vom Mittelpunkt.

Oberfläche

Die Oberfläche [1] für das abgeplattete Ellipsoid ([math]a\gtc[/math]) berechnet man mit

[math]A = 2\pi a \left(a + \frac{c^2}{\sqrt{a^2-c^2}}\,\operatorname{arsinh}\left(\frac{\sqrt{a^2-c^2}}c\right)\right) \ ,[/math]

die des verlängerten Ellipsoids ([math]c\gta[/math]) mit

[math]A = 2\pi a \left(a + \frac{c^2}{\sqrt{c^2-a^2}}\,\operatorname{arcsin}\left(\frac{\sqrt{c^2-a^2}}c\right)\right)\ .[/math]

Eine Kugel mit Radius [math]r[/math] hat das Volumen [math] V = \frac{4\pi}{3} r^3[/math] und die Oberfläche [math]A=4\pi r^2[/math] (s. Kugel).

Herleitung der Formeln

Der Inhalt des Flächenmantels einer durch Rotation der Kurve [math](r(t),0,z(t))\ , t_1\le t\le t_2[/math] erzeugten Rotationsfläche ist

[math] A = 2 \pi \int_{t_1}^{t_2} r \ \sqrt{\dot r^2 + \dot z ^2} \, dt. \ [/math] (s. Rotationsfläche.)

Für das obige Rotationsellipsoid ist [math]r(t)=a \cos t, \ z(t)=c \sin t [/math]. Es muss also das Integral

[math]A = 2\cdot 2\pi\int_0^{\pi/2} a \cos t \sqrt{a^2\sin^2 t+c^2\cos^2 t} \mathrm{d}t[/math]

(2 mal ein halbes Ellipsoid !) berechnet werden. Für [math]a=c[/math] ist die Wurzel gleich [math]a[/math] und es ergibt sich die Oberfläche einer Kugel. Im Folgenden wird [math]a\ne c[/math] vorausgesetzt.

Die Substitution [math]u = \sin t[/math] mit [math]\mathrm{d}u = \cos t \mathrm{d} t[/math] führt zu

[math]A = 4\pi a \int_0^1\!\! \sqrt{a^2 u^2 + c^2 (1-u^2)}\ \mathrm{d}u = 4\pi a \int_0^1\!\! \sqrt{(a^2-c^2) u^2 + c^2 }\ \mathrm{d}u [/math]

und damit zu

[math]A=4\pi a \sqrt{a^2-c^2}\int_0^1\!\! \sqrt{u^2 + \frac{c^2}{a^2-c^2 }}\ \mathrm{d}u \quad , [/math] falls [math] a\gtc [/math], und
[math]A=4\pi a \sqrt{c^2-a^2}\int_0^1\!\! \sqrt{\frac{c^2}{c^2-a^2 }-u^2}\ \mathrm{d}u \quad , [/math] falls [math] c\gta[/math].

Unter Beachtung, dass der Bruch unter der Wurzel in beiden Fällen positiv ist, ergeben sich mit Hilfe einer Integrationstabelle (z.B. Bronstein-Semendjajew) die Stammfunktionen für die beiden Integrale und schließlich die oben angegebenen Formeln für die Oberfläche.

Anwendung

In der Geodäsie, Kartografie und den anderen Geowissenschaften werden Rotationsellipsoide als geometrische Annäherung an das (physikalische) Geoid benutzt. Diese Rotationsellipsoide dienen dann als Referenzfläche, um die Lage bzw. Höhe von Objekten der Erdoberfläche anzugeben. Man spricht dann von einem Referenzellipsoid.

In einem Hohlkörper reflektieren die Begrenzungsflächen des (gestreckten) Rotationsellipsoiden die Strahlung von einem Brennpunkt zum anderen. Den Effekt nutzt ein Flüstergewölbe für die Bündelung von Schallwellen.
Derart geformte optische Reflektoren bündeln die Strahlung einer nahezu punktförmigen, sich in einem der Brennpunkte befindlichen Lichtquelle auf den anderen Brennpunkt des Ellipsoids. Dort kann sich die Grenzfläche eines Lichtleitkabels, ein anderes optisches Element oder der Ort eines strahlungsinduzierten Prozesses befinden.

Im Sport hat der Rugby-Ball, wie auch der Football die Form eines verlängerten Rotationsellipsoids, der (klassische) Diskus hat die Form eines abgeplatteten Rotationsellipsoids.

Siehe auch

Weblinks

 Wiktionary: Rotationsellipsoid – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Beyer, CRC Handbook of Mathematical Sciences, 5th Edition, S. 198

Kategorien: Raumgeometrie

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Rotationsellipsoid (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

Änderungen: Alle Bilder mit den meisten Bildunterschriften wurden entfernt. Ebenso alle zu nicht-existierenden Artikeln/Kategorien gehenden internen Wikipedia-Links (Bsp. Portal-Links, Redlinks, Bearbeiten-Links). Entfernung von Navigationsframes, Geo & Normdaten, Mediadateien, gesprochene Versionen, z.T. ID&Class-Namen, Style von Div-Containern, Metadaten, Vorlagen, wie lesenwerte Artikel. Ansonsten sind keine Inhaltsänderungen vorgenommen worden. Weiterhin kann es durch die maschinelle Bearbeitung des Inhalts zu Fehlern gerade in der Darstellung kommen. Darum würden wir jeden Besucher unserer Seite darum bitten uns diese Fehler über den Support mittels einer Nachricht mit Link zu melden. Vielen Dank!

Stand der Informationen: August 201& - Wichtiger Hinweis: Da die Inhalte maschinell von Wikipedia übernommen wurden, ist eine manuelle Überprüfung nicht möglich. Somit garantiert LinkFang.de nicht die Richtigkeit und Aktualität der übernommenen Inhalte. Sollten die Informationen mittlerweile fehlerhaft sein, bitten wir Sie darum uns per Support oder E-Mail zu kontaktieren. Wir werden uns dann innerhalb von spätestens 10 Tagen um Ihr Anliegen kümmern. Auch ohne Anliegen erfolgt mindestens alle drei Monate ein Update der gesamten Inhalte.