Pyramide (Geometrie)
![Pyramide](/png/Pyramide5.png)
Die Pyramide ist ein geometrischer Körper, genauer ein Polyeder, dessen Grundfläche ein Polygon ist und dessen Seitenflächen Dreiecke sind, die einerseits dem Polygon benachbart sind und die sich andererseits in einem Punkt, der sogenannten Spitze der Pyramide, treffen. Das Polygon heißt auch Grundfläche der Pyramide. Die Dreiecke bilden zusammen die Mantelfläche der Pyramide.
Konstruktion
Von einem ausgezeichneten Punkt, der Pyramidenspitze, geht ein Strahlenbüschel aus, dessen Strahlen eine Ebene in den Eckpunkten der Grundfläche der Pyramide schneiden. Mit vier Strahlen einer bestimmten Neigung im Raum erhält man beispielsweise eine quadratische Grundfläche und bildet so die Quadratpyramide. Man kann die Konstruktion auch mit einer beliebigen Grundfläche eines Polygons der Ebene beginnen und einen Punkt außerhalb dieser Ebene wählen, der dann die Pyramidenspitze wird. Indem man jeden Eckpunkt der Grundfläche mit der Spitze verbindet, entsteht das erwähnte Strahlenbüschel. Die Punkte jeder einzelnen Grundflächenkante sind über die Dreiecksfläche mit der Pyramidenspitze verbunden. Damit erfüllt die Pyramide auch die Definition eines Kegels.
Eigenschaften
Hat die Grundfläche einer Pyramide
Ecken so ist die
Anzahl der dreieckigen Seitenflächen
ebenfalls gleich
Zusammen mit der Grundfläche hat die Pyramide dann insgesamt
Flächen.
Die Zahl der Ecken ist ebenfalls
nämlich
Ecken in der Grundfläche zuzüglich der Spitze. Die Grundfläche enthält
Kanten. Zusammen mit den ebenso vielen Seitenlinien des Strahlenbüschels, die
die Ecken der Grundfläche mit der Pyramidenspitze verbinden, hat die Pyramide
insgesamt also
Kanten. Diese Zählung bestätigt für den Fall der Pyramide den eulerschen
Polyedersatz über die Anzahl
der Ecken, der Anzahl
der Kanten und der Anzahl
der Flächen eines Polyeders:
Für die Berechnung des Volumens ist der Begriff der Höhe einer Pyramide von Bedeutung. Man versteht darunter den Abstand der Pyramidenspitze von der Ebene, in der die Grundfläche liegt.
Der Schwerpunkt
einer Pyramide liegt auf der Verbindungsstrecke zwischen dem Schwerpunkt der
Grundfläche und der Pyramidenspitze. Er teilt diese Strecke im Verhältnis
1 : 3 und hat daher den Abstand
von der Grundflächen-Ebene.
Regelmäßige Pyramide
Eine Pyramide, deren Grundfläche ein gleichseitiges Dreieck ist und deren drei Seitenflächen zur Grundfläche kongruente Dreiecke sind, nennt man regelmäßiges Tetraeder.
Eine Pyramide, deren Grundfläche ein Quadrat ist und deren Pyramidenspitze senkrecht über dem Mittelpunkt der Grundfläche liegt, heißt quadratische Pyramide.
Tetraeder und quadratische Pyramide sind sogenannte regelmäßige oder reguläre Pyramiden. Von einer regelmäßigen oder regulären Pyramide spricht man, wenn die Grundfläche der Pyramide ein regelmäßiges Polygon ist und der Mittelpunkt dieses Polygons zugleich der Fußpunkt der Pyramidenhöhe ist. Die anderen Seitenflächen sind daher gleichschenklige Dreiecke. Jede regelmäßige Pyramide ist daher auch gerade (siehe Abschnitt Gerade Pyramide).
Eine regelmäßige Pyramide ist durch drei Bestimmungsstücke vollständig bestimmt, zum Beispiel, wenn die Anzahl der Ecken/Kanten der Grundfläche, die Seitenlänge der Grundfläche und die Höhe gegeben ist.
-
Quadratische Pyramide
-
Regelmäßige fünfseitige Pyramide
-
Regelmäßige sechsseitige Pyramide
Formeln
Größen einer regelmäßigen Pyramide (regelmäßiges n-Eck mit Seitenlänge a als Grundfläche und Höhe h) | |||
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Allgemeiner Fall | Quadratische Pyramide | Regelmäßige Dreieckspyramide | |
Volumen | |||
Oberflächeninhalt | |||
Steilkantenlänge | |||
Umkugelradius | |||
Inkugelradius | |||
Innenwinkel der regelmäßigen Grundfläche | |||
Basiswinkel der gleichschenkligen Dreiecke | |||
Winkel an der Spitze der gleichschenkligen Dreiecke | |||
Winkel zwischen Grundfläche und gleichschenkligen Dreiecken | |||
Winkel zwischen den gleichschenkligen Dreiecken | |||
Raumwinkel an der Grundfläche | |||
Raumwinkel in der Spitze |
Spezialfälle
Für bestimmte Werte von
und
ergeben sich Zusammenhänge mit platonischen
Körpern:
- Für
und
ergibt sich das regelmäßige Tetraeder.
- Für
und
ergibt sich eine quadratische Pyramide, die eine Hälfte des Oktaeders ist.
- Für
und
ergibt sich eine regelmäßige fünfseitige Pyramide, die ein Teil des Ikosaeders ist.
Gerade Pyramide
![](bilder/110px-Pyramid_altitude.jpg)
Ist die Spitze einer Pyramide über ihrer Grundfläche so positioniert, dass die Silhouette einem Beobachter, der sich in der Ebene der Grundfläche befindet, aus möglichst vielen Blickrichtungen als gleichschenkliges Dreieck erscheint, so heißt sie gerade.
Ist die Grundfläche drehsymmetrisch, dann fällt bei geraden Pyramiden der Lotfußpunkt mit dem Symmetriezentrum bzw. Schwerpunkt der Grundfläche zusammen. Ist die Grundfläche nicht nur drehsymmetrisch, sondern zusätzlich ein regelmäßiges Polygon, dann sind alle Seitenkanten, d. h. alle Kanten, die von der Spitze ausgehen, gleich lang.
Bei einer geraden Pyramide mit einem Drachenviereck als Grundfläche liegt der Fußpunkt in der Mitte der Diagonalen, welche die Symmetrieachse ist und nicht im Schnittpunkt der Diagonalen oder im Schwerpunkt.
Weist die Grundfläche einer Pyramide keinerlei Symmetrien auf, dann hat der Begriff gerade keine sinnvolle Bedeutung mehr: Ist die Grundfläche beispielsweise ein beliebiges Dreieck, so muss die Spitze der Pyramide senkrecht über seinem Umkreismittelpunkt liegen, damit alle Seitenkanten gleich lang sind. Ist dieses Dreieck weiter stumpfwinklig, dann liegt der Lotfußpunkt der Spitze sogar außerhalb der Grundfläche – was der anschaulichen Bedeutung von gerade widerspricht.
Schiefe Pyramide
![](bilder/110px-Oblique_pyramid_altitude.jpg)
Eine Pyramide mit einem regelmäßigen
Polygon als Grundfläche heißt schief, wenn nicht alle Seitenkanten
gleich lang sind, sich der Fußpunkt des Lotes von der Spitze
nicht im Mittelpunkt
der Grundfläche befindet und daher die Verbindungsstrecke von
und
nicht senkrecht zur Grundfläche der Pyramide verläuft. Bei einer schiefen
Pyramide kann sich daher der Fußpunkt des Lotes von der Spitze
sowohl innerhalb als auch außerhalb der Pyramidengrundfläche befinden.
Johnson-Körper J1 und J2
Eine Quadratpyramide, deren vier dreieckige Seitenflächen gleichseitig sind, ist der einfachste Johnson-Körper, abgekürzt mit J1. Die regelmäßige fünfseitige Pyramide, deren fünf dreieckige Seitenflächen gleichseitig sind, ist der Johnson-Körper J2.
Quadratische Pyramide
Mantelfläche und Oberfläche
![](/png/220px-Prav4bokjeh.png)
Die Oberfläche einer quadratischen Pyramide besteht aus der quadratischen
Grundfläche
und der Mantelfläche
Ist die Seitenlänge
des Quadrats gegeben, ergibt sich wegen
:
Bei einer regelmäßigen Pyramide mit quadratischer Grundfläche setzt sich die Mantelfläche aus vier Flächen kongruenter gleichschenkliger Dreiecke zusammen.
Es seien die Seitenlänge
und die Pyramidenhöhe
gegeben:
Die Fläche eines dieser Dreiecke ist ,
aller vier Flächen also
.
Hierbei ist
die Höhe der kongruenten Seitendreiecke.
Aus dem Satz
des Pythagoras ergibt sich .
Daraus folgt
und damit für die Mantelfläche
Die gesamte Oberfläche beträgt somit .
Steilkantenlänge
Neben den vier Grundflächenkanten
besitzt die quadratische Pyramide noch vier gleich lange Steilkanten (auch Grate
genannt)
und
die von den Eckpunkten der Grundfläche ausgehen und nach oben ansteigend sich in
der Pyramidenspitze
treffen.
Es seien die Seitenlänge
und die Pyramidenhöhe
gegeben:
Für die Länge der Grundflächendiagonale
ergibt sich aus dem Satz des Pythagoras
woraus
folgt.
Für die weitere Berechnung benötigt man
und das Quadrat davon ist
Zur Berechnung von
verwendet man wieder den Satz des Pythagoras:
und daraus folgt dann für den Grat
.
Gesamtkantenlänge
Die Gesamtkantenlänge
der quadratischen Pyramide setzt sich aus den vier Seitenlängen
und den vier gleich langen Graten
und
zusammen. Es seien wieder die Seitenlänge
und die Pyramidenhöhe
gegeben:
Volumen als Extremwert
![](bilder/220px-Pyramide_max_hc.jpg)
Die Kugel ist ein Körper, dessen Volumen bei gegebener Oberfläche maximal ist, d.h. jede Änderung der äußeren Form würde ein kleineres Volumen ergeben. Analog haben der Würfel, das regelmäßige Tetraeder sowie das regelmäßige Oktaeder das größte Volumen unter allen Polyedern mit derselben Oberfläche und derselben Eckenzahl.
Eine quadratische Pyramide mit maximalem Rauminhalt ist hingegen
vergleichsweise spitz: unter allen quadratischen Pyramiden mit derselben
Oberfläche hat diejenige das größte Volumen, die
hoch ist (wenn
die Länge ihrer Grundseite bezeichnet). Ihr Volumen ist
,
die Dreiecke ihrer Mantelfläche sind
hoch.
Allgemeine Pyramide
Volumen
Das Volumen
einer Pyramide errechnet sich aus dem Inhalt der Grundfläche
und der Höhe
gemäß
Diese Formel gilt für jede Pyramide. Es spielt also keine Rolle, ob die
Grundfläche ein Dreieck, Viereck, Fünfeck, … ist. Die Formel ist auch gültig,
wenn der Höhenfußpunkt nicht mit dem Grundflächenmittelpunkt übereinstimmt oder
die Grundfläche gar keinen Mittelpunkt besitzt. Im Spezialfall einer
quadratischen Pyramide ergibt sich ,
wobei
die Seitenlänge der quadratischen Grundfläche ist und
die Höhe.
Die allgemeingültige Formel
entspricht übrigens der Volumenformel
für einen Kreiskegel.
Dies liegt daran, dass jede Pyramide die Definition eines allgemeinen Kegels
erfüllt. Umgekehrt kann ein Kegel auch als Pyramide mit einem regelmäßigen
-Eck
als Grundfläche aufgefasst werden, das nach dem Grenzübergang
zu einem Kreis entartet ist.
Berechnung mit Hilfe des Spatprodukts
Eine von den Vektoren ,
,
aufgespannte dreiseitige Pyramide hat das Volumen
.
Elementargeometrische Begründung
Die erwähnte Volumenformel lässt sich elementargeometrisch in zwei Schritten begründen:
- 1. Ein Würfel kann in drei gleiche Pyramiden mit quadratischer Grundfläche zerlegt werden, deren Spitzen in einer Ecke des Würfels zusammenfallen. Die drei Grundflächen sind die drei Seitenflächen des Würfels, die diese gemeinsame Spitze nicht enthalten.
- 2. Zwei Pyramiden mit gleicher Grundfläche und gleicher Höhe stimmen im Volumen überein.
- Zum Beweis dieser Aussage kann man das Prinzip von Cavalieri und die Gesetze der zentrischen Streckung heranziehen.
Für Pyramiden gilt demzufolge die Volumenformel .
Begründung mit Hilfe der Integralrechnung
Der Rauminhalt einer Pyramide mit der Grundfläche
und Höhe
kann berechnet werden, wenn man sich die Pyramide aus dünnen (infinitesimalen)
Schichten der Dicke
parallel zur Grundfläche aufgebaut vorstellt. Eine
-Achse
lege man nun durch die Spitze der Pyramide, sodass die Höhe
mit der
-Achse
zusammenfällt. Bezeichnet man die Fläche der Schicht im Abstand
von der Spitze mit
,
so kann man aus den Gesetzen der zentrischen Streckung eine Formel für
herleiten:
Daraus ergibt sich das Volumen der Pyramide durch Integration von
bis
nach dem Prinzip
von Cavalieri:
Vermessung eines Pyramidenbauwerks
![](/png/220px-Pyramid-bild1.2_hc.png)
Bei einer großen Pyramide lassen sich die Kantenlängen der Basis direkt gut vermessen, jedoch nicht die Höhe, die nicht direkt zugänglich ist. Im Folgenden sollen die grundsätzlichen Schwierigkeiten dargelegt werden, die nicht so sehr mit der Methodik des Messverfahrens selbst zusammenhängen. Ein einfaches geometrisches Verfahren zur Höhenbestimmung größerer Objekte ist die Betrachtung aus der Entfernung und die Bestimmung des Sehwinkels (in vereinfachter Form durch die nebenstehende Grafik aufgezeigt).
In einem Abstand
von der unteren Pyramidenkante wird die Spitze der Pyramide unter dem gemessenen
Winkel
angepeilt. Der Abstand des Beobachtungspunktes von der Pyramidenspitze in
horizontaler Linie ist somit die halbe Grundseite
.
Die Höhe
ergibt sich aus der Formel in der Grafik. Damit wäre die Bestimmung der Höhe
kein großes Problem. Es gibt jedoch folgende Schwierigkeiten:
- Die Spitze der Pyramide liegt nicht unbedingt exakt über dem Mittelpunkt der Grundfläche.
- Die Länge der Basiskante der Pyramide ist nicht sauber bestimmbar (abgebrochene Steine, Erosion).
- Die Spitze ist nicht mehr vorhanden (abgetragen).
- Der Neigungswinkel der Pyramide ist schwer bestimmbar (Abtragung, Erosion).
![](bilder/Sphinx_und_Chephren-Pyramide_01_kl.jpg)
Das entspricht bei den bekannten großen Pyramiden weitgehend der Realität.
Die Höhenabweichung des Beobachtungspunktes, an dem
gemessen wird, muss genau berücksichtigt werden. Die Winkelmessung selbst kann
in der Regel sehr präzise ausgeführt werden. Darüber hinaus muss definiert
werden, von welchem Bodenniveau aus die Höhe der Pyramide gültig sein soll, also
wo sie tatsächlich anfangen soll. Angenommen, die Basislänge
der Pyramide ließe sich nicht genauer als auf 30 cm und damit die
Entfernung
zum Messpunkt nicht genauer als auf 15 cm bestimmen. Dadurch würde bei
einem Sehwinkel
von angenommenen 35° die Höhe um den Betrag von etwa 10 cm ungenau sein. Es
fehlt jetzt aber noch die Bestimmung des Neigungswinkels
über die Seitenfläche. Eine hypothetische
große Pyramide der Basislänge von 200 m und einer Höhe von 140 m hätte
bei einer Ungenauigkeit der Höhenangabe von 10 cm eine Ungenauigkeit der
Neigungswinkelangabe von etwa einer Bogenminute (54°27′44″ bei
gegenüber 54°26′34″ mit
).
Das gilt nun für Pyramiden, deren Spitze noch vorhanden ist. Die Realität sieht
aber anders aus. Die Höhenbestimmung gibt also nicht die ursprüngliche Höhe
wieder, sondern die Höhe der abgetragenen Pyramide.
![](/png/220px-Pyramid-bild2.2_hc.png)
Die Spitze muss also extrapoliert werden. Das nebenstehende Bild zeigt schematisch das Problem. Sowohl die Seitenflächen als auch die Spitze sind durch Abriss und Verwitterung deutlich abgetragen:
Die Höhe
wäre daher gemäß der Formel aus der direkten Bestimmung des Neigungswinkels
zugänglich. Wie ersichtlich, ist die Bestimmung mit großen Fehlern behaftet.
Eine Ausnahme bildet die Chephren-Pyramide,
weil diese im oberen Teil noch die originalen Decksteine hat. Der Winkel
ist dadurch genauer bestimmbar als bei den anderen Pyramiden. Das erklärt die
gute Übereinstimmung hinsichtlich des Neigungswinkels der verschiedenen Autoren.
Damit wird klar, dass bei realen Pyramiden weder die Höhe auf den Zentimeter noch der Neigungswinkel auf die Bogensekunde exakt angegeben werden kann.
Verwandte Begriffe
Verwandte Formen in der Geometrie sind der Pyramidenstumpf (eine parallel zur Grundfläche „abgeschnittene“ Pyramide) und die Doppelpyramide (ein Polyeder aus zwei spiegelsymmetrischen Pyramiden mit derselben Grundfläche).
Eine Hyperpyramide
ist eine Verallgemeinerung auf
Dimensionen. Die in diesem Artikel beschriebene Pyramide ist eine
dreidimensionale Hyperpyramide. Eine zweidimensionale Hyperpyramide wäre ein
Dreieck, eine vierdimensionale ein Pentachoron.
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 19.10. 2021