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Lexikon der Mathematik: Verbiegung einer Tangentenfläche in die Ebene

in anschaulicher Beschreibung eine Verformung einer Tangentenfläche, bei der sich ihre innergeometrischen Verhältnisse, insbesondere der innere Abstand von Punkten zueinander, nicht ändern.

Allgemein versteht man unter einer Verbiegung einer Fläche \({{\mathcal F}}_{0}\subset {{\mathbb{R}}}^{3}\) in eine andere Fläche \({{\mathcal F}}_{1}\subset {{\mathbb{R}}}^{3}\) eine Familie \({{\mathcal F}}_{\varepsilon}\) von regulären, paarweise aufeinander abwickelbaren Flächen des ℝ3, die stetig von dem Parameter ε ∈ ℝ abhängen, und für ε = 0 mit \({{\mathcal F}}_{0}\) und für ε = 1 mit \({{\mathcal F}}_{1}\) übereinstimmen.

Zur Beschreibung der Verbiegung einer Tangentenfläche durch mathematische Formeln geht man von einer Parameterdarstellung \begin{eqnarray}{\bf x}(u,v)=\alpha (u)+v {\alpha^\prime}(u)\end{eqnarray} aus, in der u der Bogenlängenparameter der Gratlinie α ist. Für die Koeffizienten der ersten Gaußschen Fundamentalform von x ergeben sich hieraus die Ausdrücke \begin{eqnarray}E(u,v)=1+{v}^{2}{k}^{2}(u)\end{eqnarray} und \begin{eqnarray}G(u,v)=F(u,v)=1,\end{eqnarray} in die die Krümmung k2(s) = |α′′(s)|2 von α eingeht. Bezeichnet τ(s) die Windung von α und ε ∈ ℝ einen reellen Parameter, so folgt aus den Frenetschen Formeln, daß eine Familie αε(s) von Kurven, existiert, die folgende Eigenschaften besitzt:

  1. Der Bogenlängenparameter von αε(s) stimmt mit s überein.
  2. αε(s) hat die Krümmung k(s) und die Windung ε τ (s).
  3. Die Zuordnung (ε, s) ∈ ℝ2αε(s) ∈ ℝ3 ist stetig, und es gilt α1(s) = α(s).

Dann entsteht αε(s), indem man die Torsion durch Einfügen des Parameters ε in den Frenetschen Formeln Null werden läßt. Die Kurve α0(s) hat die Windung Null und somit einen ebenen Verlauf. Die zugehörige Familie \begin{eqnarray}{\bf x}_{\varepsilon}(u,v)={\alpha}_{\varepsilon}(u)+v {\alpha}^{\prime}_{\varepsilon}(u)\end{eqnarray} von Tangentenflächen ergibt eine Verbiegung von x(u, v) in eine Ebene.

Das Anfangs- und das Endstadium dieser Verbiegungsprozedur stellen eine Abwicklung der Tangentenfläche in die Ebene dar.

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  • Die Autoren
- Prof. Dr. Guido Walz

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