Hyperboloid

Ein Hyperboloid i​st im einfachsten Fall e​ine Fläche, d​ie durch Rotation e​iner Hyperbel u​m eine i​hrer Achsen entsteht.

• Bei Rotation einer Hyperbel um ihre Nebenachse entsteht ein einschaliges Hyperboloid. Es besteht aus einem zusammenhängenden Flächenstück.
• Bei Rotation einer Hyperbel um ihre Hauptachse entsteht ein zweischaliges Hyperboloid. Es besteht aus zwei getrennten Flächenstücken.

Einschaliges Hyperboloid

Zweischaliges Hyperboloid

Beide Flächen lassen s​ich durch e​ine quadratische Gleichung – analog z​u den Gleichungen v​on Ellipse u​nd Hyperbel – beschreiben. Sie s​ind deshalb Spezialfälle v​on Quadriken (z. B. Kugel, Kegel, Paraboloid) u​nd werden typischerweise v​on Ebenen i​n Kegelschnitten geschnitten.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen e​inem einschaligen u​nd einem zweischaligen Hyperboloid ist, d​ass das einschalige Hyperboloid Geraden enthält, e​s also e​ine Regelfläche ist, d​as zweischalige nicht.

Diese Eigenschaft m​acht das einschalige Hyperboloid für Architekten u​nd Bauingenieure interessant, d​a sich einschalige Hyperboloide leicht a​us Geraden modellieren lassen. Einige Kühltürme h​aben die Form e​ines einschaligen Hyperboloids. Auch i​m Maschinenbau finden einschalige Hyperboloide Verwendung b​ei Hyperboloidgetrieben,[1][2] Einschalige Hyperboloide spielen a​uch in d​er synthetischen Geometrie e​ine Rolle: Eine Minkowski-Ebene i​st die Geometrie d​er ebenen Schnitte e​ines einschaligen Hyperboloids. Während d​as einschalige Hyperboloid v​on Tangentialebenen i​n zwei s​ich schneidenden Geraden geschnitten w​ird (siehe unten), h​at ein zweischaliges Hyperboloid m​it Tangentialebenen i​mmer nur e​inen Punkt gemeinsam u​nd ist deshalb geometrisch m​ehr mit e​iner Kugel verwandt.

Eigenschaften

Einschaliges Einheitshyperboloid

Einschaliges Hyperboloid: Erzeugung durch Rotation einer Hyperbel (oben) bzw. einer Geraden (unten: rot oder blau)

Einschaliges Hyperboloid: ebene Schnitte

Lässt man die Hyperbel ${\displaystyle x^{2}-z^{2}=1}$ in der x-z-Ebene um die z-Achse rotieren (siehe Abbildung), so erhält man das einschalige Einheits-Hyperboloid mit der Gleichung

• ${\displaystyle H_{1}\colon \ x^{2}+y^{2}-z^{2}=1}$.

Bei der Rotation wird ${\displaystyle x^{2}}$ durch ${\displaystyle x^{2}+y^{2}}$ ersetzt.

Das einschalige Einheits-Hyperboloid ergibt sich durch Rotation des Graphen der Funktion ${\displaystyle f(z)={\sqrt {z^{2}+1}}}$ um die ${\displaystyle z}$-Achse. Für die Ableitung gilt ${\displaystyle f'(z)={\frac {z}{\sqrt {z^{2}+1}}}}$. Das Volumen und die Oberfläche für ein einschalige Einheits-Hyperboloid mit der Höhe ${\displaystyle h}$ ergeben sich nach den Guldinschen Regeln mithilfe von Integralen.

Rotationsparaboloid mit Parabeln und Höhenkreisen

Volumen

${\displaystyle V=\pi \int _{0}^{h}(f(z))^{2}\ \mathrm {d} z=\pi \int _{0}^{h}z^{2}+1\ \mathrm {d} z=\pi \left({\frac {h^{3}}{3}}+h\right)={\frac {\pi }{3}}\left(h^{3}+3h\right)}$

Oberfläche

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=2\pi \int _{0}^{h}f(z){\sqrt {1+\left(f'(z)\right)^{2}}}\ \mathrm {d} z\\&=2\pi \int _{0}^{h}{\sqrt {z^{2}+1}}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{\sqrt {z^{2}+1}}}\right)^{2}}}\ \mathrm {d} z\\&=2\pi \int _{0}^{h}{\sqrt {2z^{2}+1}}\ \mathrm {d} z\\&=2\pi \left({\frac {1}{2}}z{\sqrt {2z^{2}+1}}+{\frac {1}{2{\sqrt {2}}}}\ln \left({\sqrt {2}}z+{\sqrt {2z^{2}+1}}\right){\Big |}_{z=0}^{z=h}\right)\\&=\pi \left(h{\sqrt {2h^{2}+1}}+{\frac {1}{\sqrt {2}}}\ln \left({\sqrt {2}}h+{\sqrt {2h^{2}+1}}\right)\right)\end{aligned}}}$

Parameterdarstellung

Offensichtlich ist jeder Höhenschnitt mit einer Ebene ${\displaystyle z=z_{0}}$ ein Kreis mit Radius ${\displaystyle {\sqrt {1+z_{0}^{2}}}}$. Der Schnitt der Ebene ${\displaystyle x=1}$ liefert die beiden Schnittgeraden ${\displaystyle (1,t,\pm t)^{\top },t\in \mathbb {R} }$. Durch Rotation dieser Geraden erhält man Parameterdarstellungen aller Geraden auf dem Hyperboloid:

${\displaystyle g_{\alpha }^{\pm }:{\vec {x}}(t)={\begin{pmatrix}\cos \alpha \\\sin \alpha \\0\end{pmatrix}}+t\cdot {\begin{pmatrix}-\sin \alpha \\\cos \alpha \\\pm 1\end{pmatrix}}\ ,\quad t\in \mathbb {R} ,\ 0\leq \alpha \leq 2\pi }$

Das einschalige Hyperboloid ${\displaystyle H_{1}}$ lässt sich also auch durch Rotation der Geraden ${\displaystyle g_{0}^{+}}$ oder ${\displaystyle g_{0}^{-}}$ (windschief zur Rotationsachse) erzeugen (siehe Abbildung). Diese Aussage wird in der Literatur als Satz von Wren bezeichnet[3].

Tangentialebenen

Die Gleichung der Tangentialebene einer implizit durch ${\displaystyle f(x,y,z)=0}$ gegebenen Fläche in einem Punkt ${\displaystyle {\vec {x}}_{0}=(x_{0},y_{0},z_{0})}$ ist ${\displaystyle f_{x}({\vec {x}}_{0})(x-x_{0})+f_{y}({\vec {x}}_{0})(y-y_{0})+f_{z}({\vec {x}}_{0})(z-z_{0})=0}$.

Für H1 ergibt sich

• ${\displaystyle x_{0}x+y_{0}y-z_{0}z-1=0\ .}$

Ebene Schnitte

• Ebenen mit einer Neigung kleiner 1 (1 ist die Neigung der Geraden auf dem Hyperboloid) schneiden ${\displaystyle H_{1}}$ in einer Ellipse,
• Ebenen mit einer Neigung gleich 1 durch den Koordinatenursprung schneiden ${\displaystyle H_{1}}$ in einem parallelen Geradenpaar,
• Ebenen mit einer Neigung gleich 1 nicht durch den Koordinatenursprung schneiden ${\displaystyle H_{1}}$ in einer Parabel,
• Tangentialebenen schneiden ${\displaystyle H_{1}}$ in einem sich schneidenden Geradenpaar,
• Ebenen mit einer Neigung größer 1, die keine Tangentialebenen sind, schneiden ${\displaystyle H_{1}}$ in einer Hyperbel.[4]

Eine Ebene, die eine Hyperboloid-Gerade ${\displaystyle e}$ enthält, ist entweder eine Tangentialebene und enthält damit eine zweite ${\displaystyle e}$ schneidende Hyperboloid-Gerade oder enthält eine zu ${\displaystyle e}$ parallele Hyperboloid-Gerade und ist damit Tangentialebene in einem Fernpunkt.

Affine Bilder

Analog wie eine beliebige Ellipse als affines Bild des Einheitskreises aufgefasst werden kann, ist ein beliebiges einschaliges Hyperboloid das affine Bild des Einheitshyperboloids ${\displaystyle H_{1}}$. Die einfachsten affinen Bilder erhält man durch Skalierung der Koordinatenachsen:

• ${\displaystyle {\frac {x^{2}}{a^{2}}}+{\frac {y^{2}}{b^{2}}}-{\frac {z^{2}}{c^{2}}}=1\ ,\ a,b,c>0.}$

Im Fall ${\displaystyle a=b}$ sind die Höhenschnitte Kreise. Andern falls sind es Ellipsen. Ein solches Hyperboloid nennt man einschaliges Rotationshyperboloid. Dass ein beliebiges einschaliges Hyperboloid auch immer Kreise enthält, wird in Kreisschnittebene gezeigt.

Da ein beliebiges einschaliges Hyperboloid Geraden enthält, ist es eine Regelfläche. Da jede Tangentialebene eines einschaligen Hyperboloids in der Nähe seines Berührpunktes die Fläche schneidet, hat es eine negative Gaußsche Krümmung und ist deswegen nicht abwickelbar, im Gegensatz zu den Regelflächen Kegel und Zylinder, die die Gaußsche Krümmung 0 haben. Aus der üblichen Parameterdarstellung einer Hyperbel mit Hyperbelfunktionen erhält man die folgende Parameterdarstellung des Hyperboloids ${\displaystyle {\tfrac {x^{2}}{a^{2}}}+{\tfrac {y^{2}}{b^{2}}}-{\tfrac {z^{2}}{c^{2}}}=1:}$

${\displaystyle {\vec {x}}(s,t)=\left({\begin{array}{lll}a\cosh s\cos t\\b\cosh s\sin t\\c\sinh s\end{array}}\right),\quad s\in \mathbb {R} ,\ 0\leq t\leq 2\pi }$

Homogene Koordinaten

Führt man homogene Koordinaten so ein, dass die Fernebene durch die Gleichung ${\displaystyle x_{4}=0}$ beschrieben wird, muss man ${\displaystyle x={\tfrac {x_{1}}{x_{4}}},y={\tfrac {x_{2}}{x_{4}}},z={\tfrac {x_{3}}{x_{4}}}}$ setzen. Nach Beseitigung des Nenners erhält man die homogene Beschreibung von ${\displaystyle H_{1}}$ durch die Gleichung:

${\displaystyle x_{1}^{2}+x_{2}^{2}-x_{3}^{2}-x_{4}^{2}=0}$.

Der Schnitt des Hyperboloids mit der Fernebene ${\displaystyle x_{4}=0}$ ist ein Kreis.
Die Umformung zu ${\displaystyle (x_{1}-x_{3})(x_{1}+x_{3})+(x_{2}-x_{4})(x_{2}+x_{4})=0}$ und anschließende Einführung neuer Koordinaten ${\displaystyle u_{1}=x_{1}-x_{2},\;u_{2}=x_{1}+x_{3},\;u_{3}=x_{2}-x_{4},\;u_{4}=x_{2}+x_{4}\;}$ liefert die Beschreibung des einschaligen Hyperboloids in homogenen Koordinaten durch die Gleichung

${\displaystyle u_{1}u_{2}+u_{3}u_{4}=0\ .}$

In den neuen Koordinaten schneidet die Ebene ${\displaystyle u_{4}=0}$ das Hyperboloid in zwei Geraden.
Führt man jetzt wieder affine Koordinaten durch ${\displaystyle x={\tfrac {u_{1}}{u_{4}}},y={\tfrac {u_{2}}{u_{4}}},z={\tfrac {u_{3}}{u_{4}}}}$ ein, erhält man die Gleichung eines hyperbolischen Paraboloids:

${\displaystyle z=-xy\ .}$

Dies zeigt: Ein einschaliges Hyperboloid i​st projektiv äquivalent z​u einem hyperbolischen Paraboloid.

Zweischaliges Einheitshyperboloid

Zweischaliges Hyperboloid: Erzeugung durch Rotation einer Hyperbel

Zweischaliges Hyperboloid: ebene Schnitte

Lässt man die Hyperbel ${\displaystyle -x^{2}+z^{2}=1}$ in der x-z-Ebene um die z-Achse rotieren (siehe Abbildung), so erhält man das zweischalige Einheits-Hyperboloid mit der Gleichung ${\displaystyle -x^{2}-y^{2}+z^{2}=1}$ oder in üblicher Form

• ${\displaystyle H_{2}\colon \ x^{2}+y^{2}-z^{2}=-1}$.

Der Schnitt der Ebene ${\displaystyle z=z_{0}}$ mit ${\displaystyle H_{2}}$ ist ein Kreis (falls ${\displaystyle z_{0}^{2}>1}$) oder ein Punkt (falls ${\displaystyle z_{0}=\pm 1}$) oder leer (falls ${\displaystyle z_{0}^{2}<1}$). ${\displaystyle H_{2}}$ besteht aus zwei Teilen, entsprechend den zwei Teilen der Hyperbel.

Das zweischalige Einheits-Hyperboloid ergibt sich durch Rotation des Graphen der Funktion ${\displaystyle f(z)={\sqrt {z^{2}-1}}}$ um die ${\displaystyle z}$-Achse. Für die Ableitung gilt ${\displaystyle f'(z)={\frac {z}{\sqrt {z^{2}-1}}}}$. Das Volumen und die Oberfläche für ein zweischalige Einheits-Hyperboloid mit der Höhe ${\displaystyle h-1}$ ergeben sich nach den Guldinschen Regeln mithilfe von Integralen.

Volumen

${\displaystyle V=\pi \int _{1}^{h}(f(z))^{2}\ \mathrm {d} z=\pi \int _{1}^{h}z^{2}-1\ \mathrm {d} z=\pi \left({\frac {h^{3}}{3}}-h+{\frac {2}{3}}\right)={\frac {\pi }{3}}\left(h^{3}-3h+2\right)}$

Oberfläche

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=2\pi \int _{0}^{h}f(z){\sqrt {1+\left(f'(z)\right)^{2}}}\ \mathrm {d} z\\&=2\pi \int _{0}^{h}{\sqrt {z^{2}-1}}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{\sqrt {z^{2}-1}}}\right)^{2}}}\ \mathrm {d} z\\&=2\pi \int _{0}^{h}{\sqrt {2z^{2}-1}}\ \mathrm {d} z\\&=2\pi \left({\frac {1}{2}}z{\sqrt {2z^{2}-1}}-{\frac {\sqrt {2}}{2}}\ln \left({\sqrt {2}}z+{\sqrt {2z^{2}-1}}\right){\Big |}_{z=0}^{z=h}\right)\\&=\pi \left(h{\sqrt {2h^{2}-1}}-{\sqrt {2}}\ln \left({\sqrt {2}}h+{\sqrt {2h^{2}-1}}\right)\right)\end{aligned}}}$

Tangentialebenen

Die Tangentialebene von ${\displaystyle H_{2}}$ in einem Punkt ${\displaystyle (x_{0},y_{0},z_{0})}$ hat die Gleichung (siehe oben)

• ${\displaystyle x_{0}x+y_{0}y-z_{0}z+1=0\ .}$

Ebene Schnitte

• Ebenen mit einer Neigung kleiner 1 (Neigung der Asymptoten der erzeugenden Hyperbel) schneiden ${\displaystyle H_{2}}$ entweder in einer Ellipse oder in einem Punkt oder nicht,
• Ebenen mit einer Neigung gleich 1 und durch den Koordinatenursprung schneiden ${\displaystyle H_{2}}$ nicht,
• Ebenen mit einer Neigung gleich 1 und nicht durch den Koordinatenursprung schneiden ${\displaystyle H_{2}}$ in einer Parabel,
• Ebenen mit einer Neigung größer 1 schneiden ${\displaystyle H_{2}}$ in einer Hyperbel.[5]

Affine Bilder

Ein beliebiges zweischaliges Hyperboloid ist das affine Bild des Einheitshyperboloids ${\displaystyle H_{2}}$. Die einfachsten affinen Bilder erhält man durch Skalierung der Koordinatenachsen:

• ${\displaystyle {\frac {x^{2}}{a^{2}}}+{\frac {y^{2}}{b^{2}}}-{\frac {z^{2}}{c^{2}}}=-1\ ,\ a,b,c>0.}$

Im Fall ${\displaystyle a=b}$ sind die Höhenschnitte Kreise. Andern falls sind es Ellipsen. Ein solches Hyperboloid nennt man zweischaliges Rotationshyperboloid. Dass ein beliebiges zweischaliges Hyperboloid auch immer Kreise enthält, wird in Kreisschnittebene gezeigt.

Für ein zweischaliges Hyperboloid ${\displaystyle {\tfrac {x^{2}}{a^{2}}}+{\tfrac {y^{2}}{b^{2}}}-{\tfrac {z^{2}}{c^{2}}}=-1}$ ergibt sich die folgende Parameterdarstellung:

${\displaystyle {\vec {x}}(s,t)=\left({\begin{array}{lll}a\sinh s\cos t\\b\sinh s\sin t\\\pm c\cosh s\end{array}}\right),\quad s\in \mathbb {R} ,\ 0\leq t\leq 2\pi }$

Homogene Koordinaten

Führt man wie bei ${\displaystyle H_{1}}$ homogene Koordinaten ein, erhält man die homogene Beschreibung von ${\displaystyle H_{2}}$ durch die Gleichung:

${\displaystyle x_{1}^{2}+x_{2}^{2}-x_{3}^{2}+x_{4}^{2}=0}$.

Vertauscht man die Koordinaten ${\displaystyle x_{3},x_{4}}$ und kehrt wieder zu affinen Koordinaten zurück, ergibt sich die Gleichung der Einheitskugel:

${\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}=1\ .}$

Dies zeigt: Ein zweischaliges Hyperboloid i​st projektiv äquivalent z​u einer Kugel.

Symmetrieeigenschaften

Wie Ellipsen und Hyperbeln haben auch Hyperboloide Scheitel und Nebenscheitel und Symmetrien. Die Hyperboloide ${\displaystyle {\frac {x^{2}}{a^{2}}}+{\frac {y^{2}}{b^{2}}}-{\frac {z^{2}}{c^{2}}}=1,\quad {\frac {x^{2}}{a^{2}}}+{\frac {y^{2}}{b^{2}}}-{\frac {z^{2}}{c^{2}}}=-1\ }$sind offensichtlich

• punktsymmetrisch zum Koordinatenursprung,
• symmetrisch zu den Koordinatenebenen sowie
• rotationssymmetrisch zur z-Achse und symmetrisch zu jeder Ebene durch die z-Achse, falls ${\displaystyle a=b}$ ist.

Doppelkegel

Doppelkegel

Den Doppelkegel ${\displaystyle x^{2}+y^{2}-z^{2}=0}$ kann man als Grenzfläche zwischen den Scharen von einschaligen bzw. zweischaligen Hyperboloiden ${\displaystyle x^{2}+y^{2}-z^{2}=c^{2}}$ bzw. ${\displaystyle x^{2}+y^{2}-z^{2}=-c^{2}}$ auffassen. Er entsteht durch Rotation der gemeinsamen Asymptoten der Erzeuger-Hyperbeln.

Gemeinsame Parameterdarstellung

Es g​ibt verschiedene Möglichkeiten. Hyperboloide z​u parametrisieren. Eine einfache Möglichkeit, d​as einschalige u​nd zweischalige Hyperboloid u​nd den Kegel z​u parametrisieren, ist:

${\displaystyle {\vec {x}}(s,t)=\left({\begin{array}{lll}a\ {\sqrt {s^{2}+d}}\ \cos t\\b\ {\sqrt {s^{2}+d}}\ \sin t\\cs\end{array}}\right)}$

Für ${\displaystyle d=1}$ ergibt sich ein einschaliges, für ${\displaystyle d=-1}$ ein zweischaliges Hyperboloid und für ${\displaystyle d=0}$ ein Doppelkegel.

Wasserturm in Frankreich in Form eines einschaligen Hyperboloids

Hafenturm in Kobe (Japan) in Form eines einschaligen Hyperboloids

Siehe auch

• Hyperbolische Paraboloidschale
• Rotationshyperboloid
• Ellipsoid
• Paraboloid
• Rotationsparaboloid
• Zylinder
• Kegel
• Konfokale Quadriken
• NIGRES-Stromleitungsmast an der Oka

Literatur

• Albrecht Beutelspacher, Ute Rosenbaum: Projektive Geometrie. Von den Grundlagen bis zu den Anwendungen (= Vieweg Studium: Aufbaukurs Mathematik). 2., durchgesehene und erweiterte Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2004, ISBN 3-528-17241-X (online [abgerufen am 1. April 2012]).
• Burkard Polster: A geometrical picture book. 1. Auflage. Springer, New York/ Berlin/ Heidelberg 1998, ISBN 0-387-98437-2.
• Hermann Schaal: Lineare Algebra und analytische Geometrie. Band III. Vieweg, 1980, ISBN 3-528-13057-1.
• Günter Scheja, Uwe Storch: Lehrbuch der Algebra. Unter Einschluß der linearen Algebra. 2., überarb. und erw. Auflage. Teubner, Stuttgart 1994, ISBN 3-519-12203-0.
• Uwe Storch, Hartmut Wiebe: Lehrbuch der Mathematik. 2., überarb. und erw. Auflage. BI-Wissenschafts-Verlag, 1999, ISBN 3-411-14101-8.

Weblinks

• Eric W. Weisstein: Hyperboloid. In: MathWorld (englisch).
• Animiertes Hyperboloid bei EXOPAS. (Memento vom 5. August 2010 im Internet Archive).

Einzelnachweise

1. W. Steinhilper (Herausg.): Konstruktionselemente des Maschinenbaus 2. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-29629-8, S. 374.
2. Modellsammlung d. Uni Göttingen: Hyperboloidgetriebe
3. K. Strubecker: Vorlesungen der Darstellenden Geometrie. Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1967, S. 218
4. CDKG: Computerunterstützte Darstellende und Konstruktive Geometrie. TU Darmstadt (PDF; 3,4 MB), S. 116.
5. CDKG: Computerunterstützte Darstellende und Konstruktive Geometrie. TU Darmstadt (PDF; 3,4 MB), S. 122.