51-Eck
Das 51-Eck oder Pentakontahenagon ist eine geometrische Figur und ein Vieleck (Polygon). Es ist bestimmt durch einundfünfzig Punkte und deren einundfünfzig Verbindungen namens Strecken, Seiten oder Kanten.
Das – im Folgenden ausschließlich beschriebene – regelmäßige 51-Eck ist ein nicht überschlagenes Polygon mit 51 gleich langen Seiten auf einem gemeinsamen Umkreis. Es ist nach Carl Friedrich Gauß und Pierre-Laurent Wantzel ein konstruierbares Polygon, da die Anzahl seiner Seiten als Produkt einer Zweierpotenz mit paarweise voneinander verschiedenen Fermatschen Primzahlen ({\displaystyle 51=2^{0}\cdot 3\cdot 17}) darstellbar ist.
Dieser Artikel behandelt im Folgenden das regelmäßige 51-Eck.
Größen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Größen eines regelmäßigen 51-Ecks | ||
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Innenwinkel | {\displaystyle {\begin{aligned}\alpha &={\frac {n-2}{n}}\cdot 180^{\circ }={\frac {49}{51}}\cdot 180^{\circ }\\\alpha &\approx 172{,}941176^{\circ }\end{aligned}}} | |
Zentriwinkel
(Mittelpunktswinkel) |
{\displaystyle {\begin{aligned}\mu &={\frac {360^{\circ }}{51}}\\\mu &\approx 7{,}058823^{\circ }\end{aligned}}} | |
Seitenlänge | {\displaystyle {\begin{aligned}a&=R\cdot 2\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\\a&\approx 0{,}1231218\cdot R\end{aligned}}} | |
Umkreisradius | {\displaystyle {\begin{aligned}R&={\frac {a}{2\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)}}\\R&\approx {\frac {a}{0{,}123121}}\end{aligned}}} | |
Inkreisradius | {\displaystyle {\begin{aligned}r&=R\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\\r&\approx 0{,}998103\cdot R\end{aligned}}} | |
Höhe | {\displaystyle {\begin{aligned}h&=R+r=R\cdot \left(1+\cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\right)\\h&\approx 1{,}998103\cdot R\end{aligned}}} | |
Flächeninhalt | {\displaystyle {\begin{aligned}A&=51\cdot R^{2}\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\\A&\approx 3{,}133651\cdot R^{2}\end{aligned}}} |
Innenwinkel
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Der Innenwinkel {\displaystyle \alpha } wird von zwei benachbarten Seitenkanten eingeschlossen. In der allgemeinen Formel für regelmäßige Polygone steht die Variable {\displaystyle n} für die Anzahl der Eckpunkte des Polygons. In diesem Fall ist für die Variable die Zahl {\displaystyle 51} einzusetzen.
- {\displaystyle \alpha ={\frac {n-2}{n}}\cdot 180^{\circ }={\frac {51-2}{51}}\cdot 180^{\circ }={\frac {49}{51}}\cdot 180^{\circ }\approx 172{,}941176^{\circ }}
Zentriwinkel
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Der Zentriwinkel oder Mittelpunktswinkel {\displaystyle \mu } wird von zwei benachbarten Umkreisradien {\displaystyle R} eingeschlossen. In der allgemeinen Formel ist für die Variable {\displaystyle n} die Zahl {\displaystyle 51} einzusetzen.
- {\displaystyle \mu ={\frac {360^{\circ }}{n}}={\frac {360^{\circ }}{51}}\approx 7{,}058823^{\circ }}
Seitenlänge und Umkreisradius
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Das 51-Eck ist in einundfünfzig gleichschenklige Dreiecke sogenannte Teildreiecke teilbar. Aus der Hälfte eines solchen Teildreiecks, sprich aus einem rechtwinkligen Dreieck mit der Kathete (halbe Seitenlänge) {\displaystyle {\frac {a}{2}}}, der Hypotenuse (Umkreisradius) {\displaystyle R} und dem halben Zentriwinkel {\displaystyle {\frac {\mu }{2}}} erhält man mithilfe der Trigonometrie im rechtwinkligen Dreieck die Seitenlänge {\displaystyle a} wie folgt
- {\displaystyle {\begin{aligned}a&=R\cdot 2\cdot \sin \left({\frac {\mu }{2}}\right)\\&=R\cdot 2\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\\a&\approx 0{,}1231218\cdot R,\end{aligned}}}
durch Umformen erhält man den Umkreisradius {\displaystyle R}
- {\displaystyle {\begin{aligned}R&={\frac {a}{2\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)}}\\R&\approx {\frac {a}{0{,}1231218}}\end{aligned}}}
Inkreisradius
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Der Inkreisradius {\displaystyle r} ist die Höhe eines Teildreiecks, senkrecht zur Seitenlänge {\displaystyle a} des 51-Ecks. Wird zur Berechnung wieder das gleiche rechtwinklige Dreieck wie bei der Seitenlänge verwendet, gilt für den Inkreisradius {\displaystyle r}
- {\displaystyle {\begin{aligned}r&=R\cdot \cos \left({\frac {\mu }{2}}\right)=R\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\\r&\approx 0{,}998103\cdot R\end{aligned}}}
Höhe
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Die Höhe {\displaystyle h} eines regelmäßigen 51-Ecks ergibt sich aus der Summe von Inkreisradius {\displaystyle r} und Umkreisradius {\displaystyle R}.
- {\displaystyle h=R+r=R+R\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)=R\cdot \left(1+\cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\right)}
- {\displaystyle h\approx 1{,}998103\cdot R}
Flächeninhalt
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Der Flächeninhalt eines Dreiecks berechnet sich allgemein {\displaystyle A_{\Delta }={\frac {1}{2}}a\cdot h_{a}}. Für die Berechnung des 51-Ecks werden die Ergebnisse der Seitenlänge {\displaystyle a} und des Inkreisradius {\displaystyle r} herangezogen, worin {\displaystyle r} für die Höhe {\displaystyle h_{a}} eingesetzt wird.
- {\displaystyle a=R\cdot 2\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)}
- {\displaystyle h_{a}=r=R\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\;} daraus folgt für die Fläche eines Teildreiecks
- {\displaystyle {\begin{aligned}A_{\Delta }&={\frac {1}{2}}\cdot R\cdot 2\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\cdot R\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\end{aligned}}\;} zusammengefasst ergibt sich
- {\displaystyle A_{\Delta }=R^{2}\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)}
- {\displaystyle A_{\Delta }\approx 0{,}0614441\cdot R^{2}}
und für die Fläche des gesamten 51-Ecks
- {\displaystyle A=51\cdot A_{\Delta }=51\cdot R^{2}\cdot \sin \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)\cdot \cos \left({\frac {180^{\circ }}{51}}\right)}
- {\displaystyle A\approx 3{,}133651\cdot R^{2}}
Konstruktion
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Wie oben in Regelmäßiges 51-Eck beschrieben, ist das 51-Eck als Konstruktion mit Zirkel und Lineal darstellbar. Da sich die Anzahl seiner Ecken aus der Multiplikation der beiden Fermatschen Primzahlen {\displaystyle 3} und {\displaystyle 17} ergibt, kann das regelmäßige 51-Eck durch eine Erweiterung einer bereits bekannten Konstruktion des Siebzehnecks gefunden werden. Die zwei Polygone Dreieck und Siebzehneck (deren Anzahl der Seiten entspricht den Fermatschen Primzahlen {\displaystyle 3} bzw. {\displaystyle 17}) werden im gemeinsamen Umkreis mit einem gemeinsamen Eckpunkt übereinander gelegt, so wie dies z. B. Johannes Kepler in seinem Werk WELT-HARMONIK in der Konstruktion des Fünfzehnecks aufzeigt[1] .
Als Basis für die Konstruktion kann prinzipiell eine der drei in Siebzehneck beschriebenen Methoden ausgewählt werden. Aus Gründen des sehr geringen erforderlichen Aufwands wird die Methode von Duane W. DeTemple,[2] aus dem Jahr 1991, verwendet.
Vorüberlegungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]In der Zeichnung des Siebzehnecks nach Duane W. DeTemple (Bild 1) ist gut erkennbar, die Mittelsenkrechte ab {\displaystyle Q'} schneidet nicht nur den Kreisbogen {\displaystyle c_{2},} sondern auch den Umkreis. Wird dieser Schnittpunkt als {\displaystyle P_{34}} markiert, liegt er direkt neben dem Eckpunkt {\displaystyle P_{11}.} Damit ergibt sich der Zentriwinkel {\displaystyle P_{34}OP_{0}} mit der Winkelweite {\displaystyle 120^{\circ }} eines gleichseitigen Dreiecks, der quasi zum Zentriwinkel des Siebzehnecks {\displaystyle P_{0}OP_{1}} geometrisch im Uhrzeigersinn addiert ist.
Folglich gilt für
- Zentriwinkel {\displaystyle \theta _{1}} des Kreissektors {\displaystyle OP_{11}P_{0}}
- {\displaystyle \theta _{1}={\frac {6}{17}}\cdot 360^{\circ }=127{,}0588235294117647\ldots ^{\circ },}
- Zentriwinkel {\displaystyle \theta _{2}} des Kreissektors {\displaystyle OP_{11}P_{34}}
- {\displaystyle \theta _{2}={\frac {6}{17}}\cdot 360^{\circ }-120^{\circ }=7{,}0588235294117647\ldots ^{\circ },} wegen
- Zentriwinkel {\displaystyle \mu } des 51-Ecks
- {\displaystyle \mu ={\frac {360^{\circ }}{51}}=7{,}0588235294117647\ldots ^{\circ }} gilt auch
- {\displaystyle \theta _{2}=\mu .}
Somit ist die Strecke {\displaystyle {\overline {P_{11}P_{34}}}} eine Seitenlänge {\displaystyle a} und {\displaystyle P_{34}} ein Eckpunkt des gesuchten 51-Ecks.
Die Position des Eckpunktes {\displaystyle P_{34}} des 51-Ecks ergibt sich auch aus der Anzahl der Seitenlängen {\displaystyle a_{A}} die im Zentriwinkel {\displaystyle 120^{\circ }} enthalten sind
- {\displaystyle a_{A}={\frac {120^{\circ }}{7{,}0588235294117647}}=17,} daraus folgt
- ausgehend von dem nicht mitgezählten Eckpunkt {\displaystyle P_{0},} entspricht der im Uhrzeigersinn 17. Eckpunkt dem Eckpunkt {\displaystyle P_{34}} der gegen den Uhrzeigersinn abgezählt ist.
Der 17. Eckpunkt des 51-Ecks liegt demnach, bezogen auf die Mittelachse {\displaystyle {\overline {QP_{0}}}}, genau gegenüber dem 34. Eckpunkt.
Konstruktionsbeschreibung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Die, im Vergleich zum Original, geänderten Bezeichner im Bild 2 entsprechen denen der heute üblichen.
- Zeichnen einer Geraden {\displaystyle x} (analytisch eine X-Achse) und bestimmen eines Punktes {\displaystyle M_{1}} darauf, den späteren Mittelpunkt des Polygons (analytisch ein Koordinatenursprung).
- Zeichnen eines Kreises als Umkreis (analytisch ein Einheitskreis) {\displaystyle C_{1}} um {\displaystyle M_{1}}. Es ergeben sich zwei Schnittpunkte, den Eckpunkt {\displaystyle P_{0}} des Polygons und der Gegenpunkt {\displaystyle B}.
- Errichten der Senkrechten {\displaystyle y} (analytisch eine Y-Achse) auf der Gerade {\displaystyle x} in {\displaystyle M_{1}}. Es ergibt sich der Schnittpunkt {\displaystyle Y_{0}}.
- Halbierung der Strecke {\displaystyle {\overline {BM_{1}}}} in {\displaystyle M_{2}}.
- Errichten der Senkrechte auf der Geraden in {\displaystyle M_{2}}. Die beiden Schnittpunkte mit {\displaystyle C_{1}} sind die Eckpunkte {\displaystyle P_{17}} und {\displaystyle P_{34}} des 51-Ecks.
- Zeichnen des Kreisbogens {\displaystyle C_{2}} um {\displaystyle M_{2}} mit dem Radius {\displaystyle {\overline {M_{2}P_{0}}}}. Der Schnittpunkt mit der Senkrechten ist {\displaystyle M_{Cc1}}.
- Nun wird um {\displaystyle M_{Cc1}} der erste Carlyle-Kreis {\displaystyle C_{C1}} durch den Punkt {\displaystyle Y_{0}} gezogen; die Schnittpunkte sind {\displaystyle X_{Cc1,1}} und {\displaystyle X_{Cc1,2}}.
- Die Strecke {\displaystyle {\overline {M_{1}X_{Cc1,1}}}} wird halbiert. Man erhält {\displaystyle M_{Cc2}}.
- Zeichnen eines zweiten Carlyle-Kreises {\displaystyle C_{C2}} um {\displaystyle M_{Cc2}} durch {\displaystyle Y_{0}}. Die Schnittpunkte mit x sind die Punkte {\displaystyle X_{Cc2,1}} und {\displaystyle X_{Cc2,2}} (letzterer nicht eingezeichnet, da er nicht weiter benötigt wird).
- Die Strecke {\displaystyle {\overline {M_{1}X_{Cc1,2}}}} wird halbiert. Man erhält {\displaystyle M_{Cc3}}.
- Zeichnen eines dritten Carlyle-Kreises {\displaystyle C_{C3}} um {\displaystyle M_{Cc3}} durch {\displaystyle Y_{0}}. Die Schnittpunkte mit x sind die Punkte {\displaystyle X_{Cc3,1}} und {\displaystyle X_{Cc3,2}} (letzterer ebenfalls nicht eingezeichnet, da er nicht weiter benötigt wird).
- Abtragen der Strecke {\displaystyle {\overline {M_{1}X_{Cc2,1}}}} auf {\displaystyle y} von {\displaystyle Y_{0}} aus ab. Man erhält Punkt {\displaystyle Y_{1}}
- Verbinden der Punkte {\displaystyle Y_{1}} und {\displaystyle X_{Cc3,1}} mit einer Strecke.
- Halbieren der Strecke {\displaystyle {\overline {Y_{1}X_{Cc3,1}}}}. Man erhält Punkt {\displaystyle M_{Cc4}}.
- Zeichnen eines vierten Carlyle-Kreises {\displaystyle C_{C4}} um {\displaystyle M_{Cc4}} durch {\displaystyle Y_{0}}. Die Schnittpunkte mit x sind die Punkte {\displaystyle X_{Cc4,1}} und {\displaystyle X_{Cc4,2}} (letzterer nicht beschriftet, da er nicht weiter benötigt wird).
- Zeichnen eines Kreisbogens um {\displaystyle X_{Cc4,1}} mit dem Umkreisradius {\displaystyle {\overline {M_{1}B}}}. Die Schnittpunkte mit dem Umkreis {\displaystyle C_{1}} sind die zwei zu {\displaystyle P_{0}} benachbarten Punkte des 17-Ecks und damit die Punkte {\displaystyle P_{3}} und {\displaystyle P_{48}} des 51-Ecks.
- Durch wiederholtes Abtragen der Strecke {\displaystyle {\overline {P_{0}P_{3}}}} auf dem Umkreis {\displaystyle C_{1}}, beginnend mit {\displaystyle P_{0}}, erhält man die fehlenden Punkte eines regelmäßigen 17-Ecks. Bis hierhin entspricht die Konstruktion der des 17-Ecks.
- Durch wiederholtes Abtragen der Strecke {\displaystyle {\overline {P_{0}P_{3}}}} auf dem Umkreis {\displaystyle C_{1}}, ausgehend von den Punkten {\displaystyle P_{17}} (blau) und {\displaystyle P_{34}} (rot), erhält man alle noch fehlenden Eckpunkte des 51-Ecks, welche miteinander zum 51-Eck verbunden werden können.
Vorkommen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Architektur
Der Querschnitt des RWE-Turms in Essen ist ein regelmäßiges 51-Eck.
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]- H. Maser: Die Teilung des Kreises ..., Artikel 365., in Carl Friedrich Gauss' Untersuchungen über höhere Arithmetik, Verlag von Julius Springer, Berlin 1889; Göttinger Digitalisierungszentrum, Universität Göttingen; abgerufen am 15. März 2018.
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]- ↑ Johannes Kepler: WELT-HARMONIK. XLIV. Satz., Seite des Fünfzehnecks, Seite 44. In: Google Books. R. OLDENBURG VERLAG 2006, übersetzt und eingeleitet von MAX CASPAR 1939, S. 401, abgerufen am 21. Februar 2018.
- ↑ Duane W. DeTemple: Carlyle Circles and the Lemoine Simplicity of Polygon Constructions. (Memento vom 11. August 2011 im Internet Archive ). The American Mathematical Monthly, Vol. 98, No. 2 (Feb., 1991), S. 101–104 (JSTOR:2323939) aufgerufen am 16. Februar 2018.