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Wie hängen Volumen und Oberfläche einer Kugel zusammen?

Stand: Rechenweg mit automatischen Tests geprüftMethodik

Das Volumen einer Kugel ist 4/3 · π · r³, die Oberfläche 4 · π · r². Beide hängen über eine einfache Beziehung zusammen: Volumen gleich Oberfläche mal Radius durch 3. Bei einer Kugel mit 3 cm Radius ergeben deshalb Volumen und Oberfläche dieselbe Zahl, nämlich rund 113,10, einmal in cm³ und einmal in cm².

Volumen

4.188,79 cm³

Oberfläche

1.256,637 cm²

Füllmenge

4,189 Liter

Radius

10 cm

Durchmesser

20 cm

Umfang

62,832 cm

Formeln: V = 4/3 · π · r³, O = 4 · π · r², Umfang des Großkreises U = 2 · π · r. Aus dem Volumen: r = ∛(3 · V ÷ (4 · π)).

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Formel

Die Oberfläche ist das Vierfache der Querschnittsfläche, also vier mal Pi mal Radius zum Quadrat. Das Volumen ist vier Drittel mal Pi mal Radius hoch drei. Teilen Sie das Volumen durch die Oberfläche, bleibt genau ein Drittel des Radius übrig.

V = 4/3 · π · r³, O = 4 · π · r², V = O · r / 3

r
Radius der Kugel, halber Durchmesser
V
Volumen
O
Oberfläche

Rechenbeispiel: Kugel mit 3 cm Radius

  1. 1

    Radius festlegen, der Durchmesser ist doppelt so groß

    = r = 3 cm, d = 6 cm

  2. 2

    Querschnittsfläche durch den Mittelpunkt: π · 3²

    = 28,27 cm²

  3. 3

    Oberfläche: viermal die Querschnittsfläche, 4 · π · 9

    = 113,10 cm²

  4. 4

    Volumen: 4/3 · π · 27

    = 113,10 cm³

  5. 5

    Umfang am Äquator: 2 · π · 3

    = 18,85 cm

  6. 6

    Volumen in Liter umrechnen

    = 0,1131 Liter

Bei einer Kugel mit 3 cm Radius sind Volumen und Oberfläche zahlenmäßig gleich, weil Oberfläche mal Radius durch 3 genau das Volumen ergibt. Bei jedem anderen Radius weichen die beiden Werte voneinander ab.

Typische Fehler

errorDen Durchmesser statt des Radius in die Formel eingesetzt

Wer 6 cm statt 3 cm einsetzt, erhält ein achtmal zu großes Volumen und eine viermal zu große Oberfläche. Halbieren Sie den gemessenen Durchmesser immer zuerst oder wählen Sie im Rechner die Eingabe Durchmesser, dann übernimmt er das Halbieren.

errorAus der Zahlengleichheit auf gleiche Größen geschlossen

Dass Volumen und Oberfläche bei 3 cm Radius beide 113,10 ergeben, ist ein Zufall der Einheiten. Das eine sind Kubikzentimeter, das andere Quadratzentimeter. Rechnen Sie dieselbe Kugel in Millimetern, weichen die Zahlen deutlich voneinander ab.

Volumen und Oberfläche der Kugel: ein festes Verhältnis mit Folgen

Zwischen Volumen und Oberfläche einer Kugel besteht eine feste Beziehung: Das Volumen entspricht der Oberfläche mal Radius durch 3. Anschaulich können Sie sich die Kugel als viele schmale Pyramiden vorstellen, deren Spitzen im Mittelpunkt liegen und deren Grundflächen zusammen die Oberfläche bilden. Jede dieser Pyramiden hat den Radius als Höhe, und das Volumen einer Pyramide ist Grundfläche mal Höhe durch 3. Addiert ergibt sich genau die Kugelformel.

Daraus folgt, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen gleich 3 durch r ist. Je größer die Kugel, desto kleiner ist ihre Oberfläche im Vergleich zum Inhalt. Dieser Effekt erklärt viele Alltagsbeobachtungen. Kleine Eiskugeln schmelzen schneller als große, weil sie im Verhältnis mehr Fläche für die Wärme bieten. Kleine Kartoffeln garen schneller, und Tropfen verdunsten umso rascher, je feiner sie sind.

Die Kugel ist außerdem der Körper mit der kleinsten Oberfläche bei gegebenem Volumen. Deshalb formen sich Seifenblasen und Wassertropfen in der Schwerelosigkeit zu Kugeln, und deshalb sind kugelförmige Druckbehälter besonders materialsparend. Für einen gegebenen Inhalt brauchen sie weniger Wandfläche als ein Würfel oder Zylinder. Aus demselben Grund rollen sich Tiere bei Kälte zusammen, um möglichst wenig Körperwärme über die Oberfläche zu verlieren.

Wann die Kugelformeln im Alltag an ihre Grenzen stoßen

Reale Körper sind selten perfekte Kugeln. Ein Fußball ist leicht abgeflacht, eine Orange hat eine dicke Schale, ein Gymnastikball wird unter Belastung oval. Für Überschlagsrechnungen genügt die Kugelformel trotzdem, solange Sie den Durchmesser an mehreren Stellen messen und einen Mittelwert bilden. Bei Hohlkörpern wie Bällen oder Behältern rechnen Sie mit dem Innenradius für den Inhalt und mit der Differenz von Außen- und Innenvolumen für das Material.

Wer statt einer Kugel eine Halbkugel berechnen möchte, etwa für eine Schüssel oder eine Kuppel, halbiert das Volumen. Bei der Oberfläche kommt zur halben Kugelfläche die kreisförmige Schnittfläche hinzu, die der Kreisrechner liefert.

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Häufige Fragen: Kugel-Rechner

Warum ergeben Volumen und Oberfläche bei r = 3 dieselbe Zahl? expand_more
Weil das Volumen immer der Oberfläche mal Radius durch 3 entspricht. Ist der Radius genau 3, kürzt sich der Faktor heraus. Das gilt aber nur für die Zahl, nicht für die Größe, denn Volumen und Fläche haben unterschiedliche Einheiten und lassen sich nicht direkt vergleichen.
Wie berechne ich das Volumen einer Hohlkugel? expand_more
Sie ziehen das Volumen der inneren Kugel vom Volumen der äußeren ab: 4/3 · π · (R³ − r³). Eine Hohlkugel mit 10 cm Außenradius und 1 cm Wandstärke hat damit ein Materialvolumen von rund 1.135,16 cm³, gut ein Viertel der vollen Kugel.
Wie verändern sich Volumen und Oberfläche, wenn ich den Radius verdopple? expand_more
Die Oberfläche wächst mit dem Quadrat des Radius und wird viermal so groß. Das Volumen wächst mit der dritten Potenz und wird achtmal so groß. Große Kugeln haben deshalb im Verhältnis zu ihrem Inhalt weniger Oberfläche als kleine.

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