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Abrollendes Dreieck im Quadrat

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In einem Quadrat rollt innen ein gleichseitiges Dreieck mit der halben Kantenlänge ab. Wie lang ist der Weg seines Mittelpunktes, und wie sieht er aus?

Er besteht natürlich aus Kreisbögen mit 1/3 der Dreieckshöhe als Radius.

Die kleinen Bögen entsprechen 30o, die großen 120o, das sind zusammen 600o, also 5/3 Vollkreise. Der Radius des Vollkreises entspricht \(\frac{a}{\sqrt3}\), wenn \(a\) die Seitenlänge des Dreiecks und damit die halbe Seitenlänge des Quadrats ist. Somit entspricht der Weg des Mittelpunktes: \( \frac{5}{3} \cdot 2 \cdot \pi \cdot \frac{a}{\sqrt{3}}\).

Nach einem solchen Abrollen ist das Dreieck wieder auf seinem alten Platz, aber mit vertauschten Ecken. Wenn wir nun auch noch wissen wollen, auf welchem Weg eine der Ecken des Dreiecks wandert, nehmen wir sinnvollerweise mehrere Umläufe, bis das Dreieck wieder am alten Platz in der ursprünglichen Ausrichtung steht.

Die dick gezeichneten Bögen werden doppelt durchlaufen, bis das Dreieck wieder in gleicher Ausrichtung die Start-Position erreicht hat. Der Bogenradius entspricht der Seitenlänge des Dreiecks, die ganzen Bögen entsprechen 1200o, also 10/3 vollen Kreisumfängen. Außerdem dreht sich das Dreieck bei der ganzen Prozedur vier mal um 30o und fünf mal um 120o, also zusammen um 600o um die Ecke, deren Weg wir verfolgen. Damit dreht sich das Dreieck insgesamt um 1800o, also fünf volle Umdrehungen.

© mit frdl. Gen. von Norbert Treitz
  • Quellen
Aufgabe 11 in H. Hemme (Wettlauf) gibt als Quelle Darryl Francis 1974 an.

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