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Tetraeder/regelmäßiges Tetraeder

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Das regelmäßige Tetraeder (reguläre Tetraeder) ist einer der fünf platonischen Körper, genauer ein Polyeder mit

Das regelmäßige Tetraeder ist auch eine gleichseitige dreiseitige Pyramide mit einem gleichseitigen Dreieck als Grundfläche.

Symmetrie

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Wegen seiner hohen Symmetrie – alle Ecken, Kanten und Flächen sind untereinander gleichartig – ist das regelmäßige Tetraeder ein reguläres Polyeder. Es hat

Insgesamt hat die Symmetriegruppe des Tetraeders – die Tetraedergruppe – 24 Elemente. Sie ist die symmetrische Gruppe S4 (die Punktgruppe Td nach Schoenflies bzw. 43m nach Hermann-Mauguin) und bewirkt alle 4! = 24 Permutationen der Ecken bzw. der Seitenflächen. Sie ist eine Untergruppe der Oktaedergruppe oder Würfelgruppe.

Im Einzelnen gehören zur Tetraedergruppe

sowie

  • 12 ungerade Permutationen. Diese erhält man, indem man nach jeder der 12 geraden Permutationen noch die Spiegelung an einer festen Symmetrieebene durchführt. 6 davon lassen sich auch als eine reine Ebenenspiegelung beschreiben, die anderen sechs als Drehspiegelungen von Drehung um 90° um eine Achse, die durch die Mittelpunkte zweier gegenüberliegender Kanten verläuft, und Spiegelung an der zu dieser Achse senkrechten Ebene, die den Mittelpunkt zwischen den beiden gegenüberliegenden Kanten beinhaltet.

Die geraden Permutationen bilden eine Untergruppe der Tetraedergruppe, die so genannte alternierende Gruppe A4 (die Punktgruppe T bzw. 23). Manchmal wird der Begriff Tetraedergruppe auch nur für diese unter Ausschluss der Spiegelungen verwendet.

Das Tetraeder ist der einzige platonische Körper, der nicht punktsymmetrisch ist und bei dem jede Ecke einer Fläche gegenüberliegt.

Konstruktion

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Tetraeder, Konstruktionsskizze

Euklid beschreibt und beweist im dreizehnten Buch seines Werkes Elemente, unter Proposition 13, die Konstruktion des Tetraeders.

„Ein Tetraeder einer Kugel mit gegebenem Durchmesser einbeschreiben. Das Quadrat über dem Durchmesser der Kugel ist dann gleich dem einundeinhalbfachen Quadrat über der Kante des Tetraeders.“

„Rudolf Haller“

– Euklid: Stoicheia. Buch XIII.13.[1]

Um den Aufwand zu minimieren, enthält die folgende sphärischen Darstellung nur die Schritte, die für das Oktaeder vonnöten sind. Von Vorteil ist hierzu die Anwendung einer sogenannten Dynamische-Geometrie-Software (DGS).

Gegeben sei eine Umkugel, z. B mit dem Radius gleich 1 und deren Mittelpunkt O. Beim Bestimmen der x−,y− und z−Achsen eines kartesischen Koordinatensystems ergeben sich die Punkte A,B,C und D auf der Oberfläche der Umkugel.

Vorab ist aus einem rechtwinkligen Dreieck die Kantenlänge a des Tetraeders zu ermitteln. Hierzu wird zuerst der Umkreisbogen CBD eingezeichnet. Das anschließend konstruierte rechtwinklige Dreieck CEF liefert mit der Kathete |CE|=23|CD| die Höhe sowie als Hypotenuse die Kantenlänge |CF|=a des Tetraeders.[2]

Für die eigentliche Konstruktion reichen drei Hauptschritte aus. Es beginnt mit dem Ziehen des ersten Kreises um Mittelpunkt E mit Richtung z−Achse und Radius |EF|. Anschließend wird der erste Eckpunkt G beliebig auf dem Kreis positioniert. Der darauffolgende zweite (nicht eingezeichnete) Kreis mit Richtung parallel zur z−Achse und Radius gleich der Kantenlänge |CF| um G, liefert die beiden noch fehlenden Eckpunkte H und I. Nach dem abschließenden Verbinden der benachbarten Eckpunkte ist das Tetraeder GHIC fertiggestellt.

Weitere Eigenschaften

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Verhältnis zu Oktaeder, Würfel, archimedischen Körpern

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Tetraeder mit dualem einbeschriebenen Tetraeder. Die Mittelpunkte der gleichseitigen Dreiecke des äußeren Tetraeders sind die Ecken des inneren Tetraeders.

Durch Verbinden der Flächenmittelpunkte erhält man wieder ein Tetraeder (siehe Abbildung). Man sagt deshalb: Das Tetraeder ist zu sich selbst dual, kurz: selbst-dual. Die Seitenlänge des einbeschriebenen Tetraeders beträgt ein Drittel der ursprünglichen Seitenlänge.

Mit Hilfe dieser beiden Tetraeder können Körper konstruiert werden, die ebenfalls die Tetraedergruppe als Symmetriegruppe haben. So erhält man zum Beispiel

Siehe dazu auch das Beispiel weiter unten.

Umgebender Würfel

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Das Tetraeder kann in einen Würfel (Hexaeder) so einbeschrieben werden, dass seine Ecken zugleich Würfelecken und seine Kanten Diagonalen der Würfelflächen sind (siehe Abbildung). Das Volumen dieses Würfels ist das Dreifache des Tetraedervolumens. Die 8 Ecken des Würfels bilden zwei disjunkte Mengen von je vier Ecken, die den beiden möglichen Lagen des Tetraeders entsprechen.

Zwei Tetraeder im Würfel haben als Vereinigungsmenge ein Sterntetraeder.
Zwei Tetraeder im Würfel haben als dreidimensionale Schnittmenge ein Oktaeder.

Tetraeder umschreibt Oktaeder

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Wird ein Oktaeder von einem Tetraeder umschrieben, sind die sechs Ecken des Oktaeders die Mittelpunkte der sechs Tetraederkanten und vier der acht Oktaederflächen liegen in den Seitenflächen eines der beiden möglichen Tetraeder.[3]

Tetraeder umschreibt Oktaeder

Querschnitt

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(Siehe hierzu Wall of Fire: Tetrahedron (Video))[4]

Quadratischer Querschnitt durch einen Tetraeder

Das regelmäßige Tetraeder kann so in zwei Teile geschnitten werden, dass die Schnittfläche ein Quadrat ergibt. Dabei entspricht die Seitenlänge des Quadrats der halben Kantenlänge des Tetraeders. Hierfür wird der Querschnitt so gelegt, dass wie – im Bild 1 dargestellt – die Schnittebene parallel zu zwei gegenüberliegenden Kanten und durch die Mitten der vier Kanten verläuft. Die somit entstehenden Teile des Tetraeders sind zueinander kongruent.[5] Liegt die Schnittebene parallel zu zwei gegenüberliegenden Kanten, aber nicht in der Mitte der Kanten, ergibt der Querschnitt ein Rechteck (Bild 2).

Verschiebt man zwei benachbarte Eckpunkte eines virtuellen Quadrats entlang der Tetraederkanten gleich weit, ergibt der Querschnitt ein Trapez (Bild 3). Darüber hinaus können zwei gegenüberliegende Eckpunkte dieses Quadrats entlang der Tetraederkanten so gleich weit verschoben werden, dass der Querschnitt ein Drachenviereck (Bild 4) ergibt.

Liegt die Schnittebene parallel zu einer der vier Seitenflächen, ergibt der Querschnitt ein gleichseitiges Dreieck (Bild 5).

Beispiel

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Die Einbettung des Tetraeders in einen Würfel bietet eine einfache Möglichkeit, ein regelmäßiges Tetraeder zu konstruieren. Bezeichnen wir die Eckpunkte des Würfels an der Basis mit A,B,C und D sowie die darüberliegenden Eckpunkte mit E,F,G und H, so bilden A,C,F und H sowie B,D,E und G jeweils die Ecken eines Tetraeders. Betrachtet man z. B. in einem räumlichen kartesischen Koordinatensystem den Würfel, dessen Ecken die Koordinaten +1 und −1 haben, so erhält man für das erste Tetraeder die Ecken

  • A(1,1,−1),C(−1,−1,−1),F(−1,1,1) und H(1,−1,1).

Die Kanten sind: AC,AF,AH,CF,CH und FH. Die Seitenflächen sind die Dreiecke ACF,ACH,AFH und CFH.

Das zweite Tetraeder hat die Ecken

  • B(−1,1,−1),D(1,−1,−1),E(1,1,1) und G(−1,−1,1).

Die dreidimensionale Schnittmenge dieser beiden Tetraeder ist das von den Punkten (1,0,0),(−1,0,0),(0,1,0)(0,−1,0),(0,0,1) und (0,0,−1) bestimmte Oktaeder. Ihre Vereinigungsmenge ist das Sterntetraeder. Seine konvexe Hülle ist daher der Würfel.

Formeln

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Die folgende Tabelle ist eine Zusammenstellung von metrischen Eigenschaften eines regulären Tetraeders, die im nächsten Abschnitt hergeleitet werden.

Größen eines regulären Tetraeders mit Kantenlänge a
Volumen V=a312⋅2≈0,118⋅a3


  ohne Raumwinkel Ω in den Ecken
Oberflächeninhalt AO=a2⋅3≈1,732⋅a2
Umkugelradius ru=3⋅ri=a4⋅6≈0,612⋅a
Kantenkugelradius rk=a4⋅2≈0,354⋅a
Inkugelradius ri=a12⋅6≈0,204⋅a
Pyramidenhöhe hp=ri+ru=a3⋅6≈0,816⋅a
Kantenabstand d=2⋅rk=a2⋅2≈0,707⋅a
Verhältnis von Volumen
zu Umkugelvolumen
VVUK=2⋅39⋅π≈0,123
Innenwinkel des
gleichseitigen Dreiecks
α=60∘
Winkel zwischen
benachbarten Flächen
β=arctan⁡(22)≈70,53∘
Winkel zwischen
Kante und Fläche
γ=arctan⁡(2) ≈54,74∘
Tetraederwinkel τ=2γ=arccos⁡(−13)≈109,47∘
Raumwinkel in den Ecken Ω=3arctan⁡(22)−π≈0,5513sr
Sphärizität Ψ=π633≈0,671

Flächen, Winkel, Radien, Koordinaten

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Reg. Tetraeder
Regel. Tetraeder: Berechnung von Eigenschaften

Ein reguläres Tetraeder besitzt 4 gleichseitige Dreiecke als Seitenflächen. Ist die Kantenlänge a, so ist die Höhe (=Seitenhalbierende) eines Dreiecks

  • hD=32a

Fasst man das Tetraeder als Pyramide mit einem regelmäßigen Dreieck als Grundfläche auf (siehe Bild), so ist die Höhe der Pyramide

  • hP=a23

Punkte des Tetraeders

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Die Punkte (Ecken) eines regelmäßigen Tetraeders mit der Kantenlänge a lassen sich in kartesischen Koordinaten so beschreiben:

  • P1=(x1,y1,z1)=(−12a,0,0)
  • P2=(x2,y2,z2)=(12a,0,0)
  • P3=(x3,y3,z3)=(0,hD,0)
  • P4=(x4,y4,z4)=(0,13hD,hP)

Der Mittelpunkt des Tetraeders ist der geometrische Schwerpunkt:

M=(x1+x2+x3+x44,y1+y2+y3+y44,z1+z2+z3+z44)=(0,13hD,14hP)

Er hat zu den Ecken den gleichen Abstand.

In-, Um- und Kantenkugelradien

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Aus der Zeichnung erkennt man die Radien der Um-, In- und Kantenkugeln:

  • ru=34hP=64a≈0,61a
  • ri=14hP=126a≈0,20a

Die Kantenkugel berührt die Kanten in ihren Mittelpunkten:

  • rk2=ri2+(13hD)2=18a2 ⟹ rk=122a≈0,35a

Winkel

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Der Winkel zwischen zwei Dreiecksebenen ergibt sich (siehe Bild) aus

  • tan⁡β=hP(hD/3)=22 ⟹  β≈70,53∘

Der Winkel zwischen einer Kante und einer Dreiecksebene:

  • tan⁡γ=2rka/2=2 ⟹  γ≈54,74∘

Für den Tetraederwinkel τ, unter dem man eine Kante vom Mittelpunkt M aus sieht, gilt

  • τ=2γ≈109,47∘

Der Tetraederwinkel spielt in der Chemie eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Geometrie des Methan-Moleküls.

Oberfläche, Volumen

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Die Oberfläche des Tetraeders ist die Summe der 4 Dreiecksflächen. Die Fläche eines regelmäßigen 3-Ecks ist A3=34a2 . Damit ist die

  • Oberfläche des Tetraeders:  AO=3a2.

Das Volumen des Tetraeders ist das Volumen der Pyramide mit der Grundfläche A3 und der Höhe hP:

  • Volumen des Tetraeders  V=hP3A3=212a3.

Raumwinkel in den Ecken

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Raumwinkel mit Einheitskugel

Der Raumwinkel Ω in einer Tetraederecke ist der Flächeninhalt des in dem Bild durch rote Punkte markierten sphärischen Dreiecks, das die Kanten einer Ecke auf der Einheitskugel an dieser Ecke ausstechen. Die Winkel dieses sphärischen Dreiecks sind bei einem regulären Tetraeder alle gleich dem Winkel β (siehe oben) zwischen zwei Dreiecksebenen.

Der Flächeninhalt eines sphärischen Dreiecks mit den Winkeln ψ1,ψ2,ψ3 auf der Einheitskugel ist ψ1+ψ2+ψ3−π.

Raumwinkel

Damit ist der Raumwinkel in einer Tetraederecke

  • Ω=3β−π=3arctan⁡(22)−π≈0,5513sr

Der Raumwinkel entspricht der Fläche eines Kugelsegments auf der Einheitskugel mit einem halben Öffnungswinkel θ≈24,2∘

Netze des regelmäßigen Tetraeders

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Animation eines Tetraedernetzes

Das Tetraeder hat zwei Netze (siehe Abbildungen)[6] Das heißt, es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, ein hohles Tetraeder durch Aufschneiden von 3 Kanten aufzuklappen und in der Ebene auszubreiten. Die anderen 3 Kanten verbinden jeweils die 4 gleichseitigen Dreiecke des Netzes. Um ein Tetraeder so zu färben, dass keine benachbarten Flächen dieselbe Farbe haben, braucht man 4 Farben.

Graphen, duale Graphen, Zyklen, Färbungen

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Das Tetraeder hat einen ihm zugeordneten ungerichteten planaren Graphen mit 4 Knoten, 6 Kanten und 4 Gebieten. Dies ist der vollständige Graph K4. Er ist 3-regulär, d. h. von jedem Knoten gehen 3 Kanten aus, sodass der Grad für alle Knoten gleich 3 ist. Bei planaren Graphen ist die genaue geometrische Anordnung der Knoten unwesentlich. Wichtig ist allerdings, dass sich die Kanten nicht schneiden müssen. Die Knoten dieses Tetraedergraphen entsprechen den Ecken des Tetraeders.

Färbungen veranschaulicht

Die Knoten des Tetraedergraphen können mit 4 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Knoten immer unterschiedlich gefärbt sind, denn alle Knoten sind benachbart. Dies bedeutet, dass die chromatische Zahl dieses Graphen gleich 4 ist (siehe Knotenfärbung). Außerdem können die Kanten mit 3 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Kanten immer unterschiedlich gefärbt sind (siehe Abbildungen). Mit 2 Farben ist das nicht möglich, sodass der chromatische Index für die Kantenfärbung gleich 3 ist (das nebenstehende Bild veranschaulicht diese Färbungen).

Der Tetraedergraph ist selbstdual.

Um die entsprechende nötige Anzahl der Farben für die Flächen oder Gebiete zu bestimmen, ist der duale Graph hilfreich, der in diesem Fall selbst ein Tetraedergraph mit 4 Knoten, 6 Kanten und 4 Gebieten ist. Die Knoten dieses Graphen werden dabei den Gebieten des ursprünglichen Tetraedergraphen eineindeutig (bijektiv) zugeordnet und umgekehrt (siehe bijektive Funktion und Abbildung oben). Die Knoten des dualen Tetraedergraphen können wie gesagt offensichtlich nur mit 4 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Knoten immer unterschiedlich gefärbt sind. Daraus lässt sich indirekt schließen: Weil die chromatische Zahl gleich 4 ist, sind 4 Farben für eine solche Flächenfärbung des Tetraeders oder eine Färbung der Gebiete des Tetraeders nötig.

Knotenfärbung des Tetraedergraphen
Kantenfärbung des Tetraedergraphen
Flächenfärbung des Tetraedergraphen

Die 3 aufgeschnittenen Kanten jedes Netzes (siehe oben) bilden zusammen mit den Ecken (Knoten) einen Spannbaum des Tetraedergraphen. Jedes Netz entspricht genau einem Spannbaum und umgekehrt, sodass hier eine eineindeutige (bijektive) Zuordnung zwischen Netzen und Spannbäumen besteht. Wenn man ein Tetraedernetz ohne das äußere Gebiet als Graphen betrachtet, erhält man als dualen Graphen jeweils einem Baum mit 4 Knoten und 3 Kanten und dem maximalen Knotengrad 3. Jede Fläche des Tetraeders wird dabei einem Knoten des Baums zugeordnet. Dabei kommen die 2 graphentheoretischen Konstellationen (siehe Isomorphie von Graphen) jeweils einmal vor.

Der Tetraedergraph besitzt 6 Hamiltonkreise, aber keine Eulerkreise.[7]

Tetraedergraph mit einem der 6 Hamiltonkreise

Raumfüllungen mit regelmäßigen Tetraedern

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Der dreidimensionale euklidische Raum kann lückenlos mit platonischen Körpern oder archimedischen Körpern gleicher Kantenlänge ausgefüllt werden. Solche dreidimensionalen Parkettierungen werden Raumfüllung genannt. Die folgenden Raumfüllungen enthalten Tetraeder:

Anwendungen

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Obwohl das Tetraeder nicht Stein einer Parkettierung des Raumes ist, tritt es im kubischen Kristallsystem auf (siehe oben).

Molekül mit Tetraederwinkel

In der Chemie spielt das Tetraeder bei der räumlichen Anordnung von Atomen in Verbindungen eine große Rolle. Einfache Molekülgestalten lassen sich mit dem VSEPR-Modell vorhersagen. So sind die vier Wasserstoffatome im Methanmolekül tetraedrisch um das Kohlenstoffatom angeordnet, da so der Bindungswinkel am größten wird. Auch die Kohlenstoffatome im Diamantgitter sind tetraedrisch angeordnet, jedes Atom ist von vier weiteren Atomen umgeben. Das Kohlenstoff-Atom befindet sich dann nach dem Orbital-Modell in sp3-Hybridisierung.

Das Tetraeder war auch für den Tetra Pak wegen dessen ursprünglicher Form namensgebend.

Alexander Graham Bell hat mit vielzelligen Kastendrachen (Flugdrachen) experimentiert, deren Einzelzellen die Form eines Tetraeders haben. Diese meist imposanten Drachen werden als „Bell-Tetraeder“ bezeichnet. Meistens werden 4 oder 10 oder 20 Einzelzellen zu einem Verbund zusammengefügt, welcher dann auch wieder die Form eines Tetraeders hat. Es sind aber auch andere Verbundformen möglich.

In vielen Pen-&-Paper-Rollenspielen werden Tetraeder als vierseitige Spielwürfel (W4) verwendet.

Weitere technische Anwendungen lehnen sich an die Struktur an, die sich durch die vom Tetraederzentrum in die vier Raumecken weisenden Strecken ergibt:

  • Tetrapoden, die an Küsten als Wellenbrecher eingesetzt werden
  • sog. Krähenfüße, eine Defensivwaffe, die von Polizei und Militär gegen Autos eingesetzt wird, um deren Reifen platzen zu lassen.
  1. ↑ Euklid, deutsch Rudolf Haller: Stoicheia. Buch XIII.13., S. 12
  2. ↑ Euklid, deutsch Rudolf Haller: Stoicheia. Buch XIII.18., S. 24
  3. ↑ Jürgen Köller: Tetraeder. Vom Tetraeder zu anderen Körpern. mathematische-basteleien, abgerufen am 5. September 2020.
  4. ↑ Wall of Fire: Tetrahedron (Video). PBS LearnungMedia, abgerufen am 3. April 2023.
  5. ↑ a b Jackson, Frank, Weisstein, Eric W.: Regular Tetrahedron. MathWorld--A Wolfram Web Resource., abgerufen am 3. April 2023.
  6. ↑ Eric Weisstein, Frank Jackson: Regular Tetrahedron. 2 Netze, oberhalb Formel (1). In: Wolfram MathWorld. Wolfram Research, Inc., abgerufen am 19. Juni 2020.
  7. ↑ Wolfram MathWorld: Tetrahedral Graph