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Füllkurve einer Kugel

Problemstellung In einen kugelförmigen Behälter wird Wasser mit einer konstanten Zuflussmenge c pro Zeiteinheit eingefüllt. Die Kugel hat den Radius R. Berechne, wie sich die Füllhöhe h im Lauf der Zeit t ändert. Lösung Das eingefüllte Wasser hat die Form einer Kugelkappe (Kugelsegment, Kugelkalotte) mit Radius R und Höhe h. Ihr Volumen kann folgendermaßen berechnet werden: Wenn die Zuflussmenge konstant ist, ergibt sich Die Höhe h wird mit dieser impliziten Funktionsgleichung festgelegt. Aufgabe Verändere die Werte für den Radius R oder die Zuflussmenge c pro Zeiteinheit. Wie lange braucht es, um den Kugel mit R = 1,5 und c = 3 zu füllen? Wie lange dauert es, bis der Kugel gefüllt ist, wenn der Radius R verdoppelt wird? Begründe deine Antwort im Detail.

Zur Form der Füllkurve

Die durch die implizite Form gegebene Füllkurve für die Höhe h in Abhängigkeit von der Zeit t besitzt am Anfang und am Ende eine vertikal verlaufende Tangente. Ist die Kugel gerade bis zur Hälfte gefüllt, verläuft die Zunahme der Höhe h wie bei einem Zylinder mit dem Radius R. Dies kann man erkennen, wenn man die Gleichung der Füllkurve implizit nach t ableitet: Für und ergibt sich , also eine senkrechte Tangente. Für die Änderungsrate der Höhe in der Mitte der Kugel, also für , folgt: . Diese Änderungsrate entspricht genau der Änderungsrate der Höhe beim Befüllen eines Zylinders mit dem Radius R. Dies sieht man, weil aus dem Volumen eines Zylinders die Änderungsrate mit als folgt.