Als Mantelfläche oder kurz Mantel bezeichnet man in der Geometrie einen Teil der Oberfläche bestimmter Körper. In diesem Artikel wird die Mantelfläche von Rotationskörpern behandelt, zu denen unter anderem der Zylinder, der Kegel und der Kegelstumpf zählen. Zur Mantelfläche bei Nicht-Rotationskörpern wird auf die jeweiligen Artikel verwiesen (siehe z. B. Pyramide und Prisma). „Boden“ (Grundfläche) und „Deckel“ (Deckfläche) des Körpers werden, falls vorhanden, in der Regel nicht zum „Mantel“ (Mantelfläche) gezählt und gelegentlich als „Stirnflächen“ bezeichnet.
Die Mantelfläche von Zylinder, Kegel und Kegelstumpf kann durch „Abrollen“ oder „Abwickeln“ zweidimensional dargestellt werden. Zur Berechnung der Fläche genügen in diesen Fällen einfache geometrische Formeln. Allgemein gilt für Rotationskörper, dass ihre Mantelfläche durch Rotation eines Graphen einer Funktion um eine Koordinatenachse entsteht. Bei diesem Ansatz wird die Integralrechnung zur Berechnung der Fläche benötigt.
Mantelfläche des Kreiszylinders Bearbeiten
Die blaue Fläche im nebenstehenden Bild entspricht der Mantelfläche des gezeigten Kreiszylinders. Dieser könnte etwa durch Rotation einer konstanten Funktion um eine Koordinatenachse entstehen.
Interessant ist, dass die Mantelfläche eines Zylinders, der gerade eine Kugel in sich aufnehmen kann (Zylinderradius = Kugelradius und Zylinderhöhe ), mit der Oberfläche der Kugel übereinstimmt.
Mantelfläche des Kegels Bearbeiten
Siehe dazu Kegel (Geometrie)#Mantelfläche.
Mantelfläche des Kegelstumpfs Bearbeiten
Die punktierte Fläche im nebenstehenden Bild entspricht der Mantelfläche des gezeigten Kegelstumpfs, betrachtet in der Draufsicht. Dieser könnte etwa durch Rotation einer Geraden um eine Koordinatenachse entstehen.
Herleitung Bearbeiten
Es sei die Mantelfläche des ganzen Kegels, die Mantelfläche vom kleinen Kegel und die Mantelfläche vom Kegelstumpf, dann errechnet sich die Mantelfläche des Kegelstumpfes durch
Nun bezeichnet man zusätzlich zu den in der Skizze bereits festgelegten Variablen die Verlängerung der Höhe zur Spitze mit und die Verlängerung der Seitenlänge zur Spitze des Kegels mit .
Mit Hilfe dieser Notation verifiziere man anschließend
(Hinweis zu den Formeln für und : Für die Fläche eines Kreissegments gilt und für den Segmentbogen woraus folgt. Angepasst an die gegebenen Variablen des Kegels ergeben sich die Formeln für und (siehe Zeichnung Kegelstumpf rechts, abgewickelte Mantelfläche).)
Mit Hilfe der Strahlensätze leitet man folgenden Zusammenhang innerhalb des Kegels für her: .
Durch Einsetzen von in erhält man schließlich
Flächenberechnung mit guldinscher Regel Bearbeiten
Mithilfe der ersten guldinschen Regel lässt sich die Fläche ebenfalls leicht ausrechnen:
ist die Länge der erzeugenden Linie (Mantellinie) und ist die Position ihres Schwerpunkts
Einsetzen ergibt die Mantelfläche des Kegelstumpfes
Berechnung der Mantelfläche eines Rotationskörpers Bearbeiten
Der Graph einer Funktion , die Mantellinie, rotiere um die x-Achse. Nun sei die Mantelfläche dieser Mantellinie im Bereich von bis gesucht.
Rotation um die x-Achse Bearbeiten
Erklärung:
Man stellt sich den Rotationskörper vor als zusammengesetzt aus auf der x-Achse aufgereihten Scheiben, die jede einen Kegelstumpf der Seitenlänge und den Radien und darstellen. Die Summe über die Mantelflächen der Kegelstümpfe (s. o.) bildet dann die gesamte Mantelfläche
Das Linienelement der rotierenden Funktion ist über den Satz des Pythagoras gegeben als
Beim Grenzübergang zum Integral (immer mehr und gleichzeitig entsprechend dünnere Kegelstumpfscheiben) werden und man kann schreiben
Rotation um die y-Achse Bearbeiten
Hier gilt demnach:
mit , d. h. nach aufgelöst und .