Fünfeck

geometrische Figur

Ein Fünfeck, auch Pentagon (von altgriechisch πεντάγωνον pentágōnon „Fünfeck“), ist eine geometrische Figur. Es gehört zur Gruppe der Vielecke (Polygone) und ist durch fünf Punkte definiert.

Regelmäßiges Fünfeck

EinteilungBearbeiten

Fünfecke können, wie alle Polygone, welche keine Dreiecke sind, unterteilt werden in:

  • überschlagenes Fünfeck: Mindestens zwei Seiten schneiden einander.
  • konkaves Fünfeck: mindestens ein Innenwinkel ist größer als 180°. Ein Fünfeck kann maximal zwei derartige Winkel haben.
  • konvexes Fünfeck: alle Innenwinkel sind kleiner als 180°
  • Sehnenfünfeck: alle Ecken liegen auf einem gemeinsamen Umkreis.
  • regelmäßiges Fünfeck: Alle Seiten sind gleich lang und alle Innenwinkel gleich groß. Regelmäßige Fünfecke können konvex oder überschlagen sein.

Allgemeines FünfeckBearbeiten

WinkelBearbeiten

Die Summe der Innenwinkel eines regelmäßigen Fünfecks beträgt 540°, also 3 mal 180°, und ergibt sich aus einer allgemeinen Formel für Polygone, in der für die Variable   die Anzahl der Eckpunkte des Polygons eingesetzt werden muss (in diesem Fall  ):

 

FlächeBearbeiten

Ein ebenes Fünfeck besitzt einen eindeutig bestimmbaren Flächeninhalt, welcher sich stets durch Zerlegen in Dreiecke berechnen lässt.

Regelmäßiges FünfeckBearbeiten

FormelnBearbeiten

Mathematische Formeln zum regelmäßigen Fünfeck
Flächeninhalt    
Höhe  
Länge der Diagonalen  
Inkreisradius  
Umkreisradius  
Innenwinkel  
 
Anschauungshilfe zur Herleitung nebenstehender Aussagen über Winkel

InnenwinkelBearbeiten

Der Winkel, den zwei benachbarte Seiten im ebenen, regelmäßigen Fünfeck miteinander einschließen, beträgt (wiederum nach einer allgemeinen Formel für regelmäßige Polygone):

 

FlächeBearbeiten

Die Fläche A eines regelmäßigen Fünfecks der Seitenlänge   ist das Fünffache der Fläche eines von seinem Mittelpunkt und zwei seiner Eckpunkte aufgespannten Dreiecks.

 

Allgemein mit dem Umkreisradius ru

 

oder auch

 

=== Seitenlänge ===:

 

oder auch:

 

zur Umrechnung siehe den Abschnitt über die als Quadratwurzeln angebbaren Sinus- und Cosinus-Werte.

Der Goldene Schnitt im FünfeckBearbeiten

Regelmäßiges Fünfeck und Pentagramm bilden eine Grundfigur, in der das Verhältnis des Goldenen Schnittes wiederholt auftritt. Die Seite des Fünfecks befindet sich im goldenen Verhältnis zu seinen Diagonalen. Die Diagonalen untereinander teilen sich wiederum im goldenen Verhältnis, d. h. AD verhält sich zu BD wie BD zu CD.[1]

Der Beweis nutzt die Ähnlichkeit gewählter Dreiecke.

Jede Seite des Fünfecks befindet sich im goldenen Verhältnis zu jeder seiner beiden benachbarten Diagonalen.
Die Diagonalen teilen sich untereinander im goldenen Verhältnis.


Konstruktion mit Zirkel und Lineal bei gegebenem UmkreisBearbeiten

 
Konstruktion eines Fünfecks in einem umschließenden Kreis

Für das regelmäßige Fünfeck existiert eine mathematisch exakte Konstruktion zur Bestimmung der Seitenlänge (siehe Abbildung).

  1. Zeichne einen Kreis (späterer Umkreis, blau) mit Radius r um den Mittelpunkt M.
  2. Zeichne zwei zueinander senkrechte Durchmesser (rot) ein.
  3. Halbiere einen Radius (magenta, Punkt D).
  4. Zeichne einen Kreis (grün) mit dem Radius DE um Punkt D. Er schneidet die Gerade AM im Punkt F. Die Strecke EF ist die Länge der Seite.
  5. Zum Abtragen auf dem Umkreis einen weiteren Kreisbogen (orange) mit Radius EF um E zeichnen. Er schneidet den ersten Kreis (blau) in G. Vorgang entsprechend wiederholen.

Berechnung zur Konstruktion:

 
 
 
 
 
Umformen des Faktors:
 
 
 

Das entspricht genau dem Faktor in der obigen Formel für die Seitenlänge.

Die Seiten des nicht eingezeichneten Dreiecks MFE entsprechen exakt den Seitenlängen des regelmäßigen Sechsecks (ME), des regelmäßigen Fünfecks (EF) und des regelmäßigen Zehnecks (FM) mit dem gegebenen Umkreisradius r.

Konstruktion mit Zirkel und Lineal bei gegebener SeitenlängeBearbeiten

Mit Anwendung des Goldenen Schnitts, äußere Teilung

 
Fünfeck bei gegebener Seitenlänge
  1. Zeichne eine Strecke AB, welche die Länge der vorgegebenen Seite des Fünfecks hat.
  2. Verlängere die Strecke ab dem Punkt A um ca. drei Viertel der Strecke AB.
  3. Zeichne einen Kreisbogen um den Punkt B mit dem Radius AB.
  4. Zeichne einen Kreisbogen um den Punkt A mit dem Radius AB, es ergibt sich der Schnittpunkt F.
  5. Fälle ein Lot von Punkt F auf die Strecke AB mit Fußpunkt G.
  6. Zeichne eine Parallele zur Strecke FG ab dem Punkt A bis über den Kreisbogen um Punkt A, es ergibt sich der Schnittpunkt H.
  7. Zeichne einen Kreisbogen um den Punkt G mit dem Radius GH bis zur Verlängerung der Strecke AB, es ergibt sich der Schnittpunkt J.
  8. Zeichne einen Kreisbogen um den Punkt B mit dem Radius BJ bis über die Senkrechte, die durch den Punkt F geht, es ergeben sich die Schnittpunkte D auf der Senkrechten und E mit dem Kreisbogen um Punkt A.
  9. Zeichne einen Kreisbogen um den Punkt D mit dem Radius BA, bis er den Kreisbogen um Punkt B schneidet, es ergibt sich der Schnittpunkt C.
  10. Verbinde die Punkte B-C-D-E-A, somit ergibt sich das regelmäßige Fünfeck.

FazitBearbeiten

Wie in der Konstruktion bei gegebenem Umkreis, ist auch hier der Goldene Schnitt der maßgebende Baustein.

Für den Vergleich der Konstruktionsvarianten sind die Punktebezeichnungen mit Indizes ergänzt: u für die Konstruktion mit gegebenem Umkreis, s für die Konstruktion mit gegebener Seitenlänge.

  1. Seite des Fünfecks:
     
  2. Radius für den Goldenen Schnitt:
     
  3. Streckenverhältnisse des Goldenen Schnitts:
     

Polyeder mit regelmäßigen FünfeckenBearbeiten

Das Dodekaeder ist der einzige platonischen Körper, der regelmäßige Fünfecke als Seitenflächen hat. Auch einige archimedische Körper enthalten regelmäßige Fünfecke, nämlich das Ikosidodekaeder, der Ikosaederstumpf, das Rhombenikosidodekaeder und das abgeschrägte Dodekaeder.

PapierfaltungBearbeiten

Durch Zusammenziehen eines aus einem Papierstreifen geschlungenen Überhandknotens nimmt dieser die Form eines regulären Fünfecks an.

 
Verknoteter Papierstreifen

Parkettierung mit FünfeckenBearbeiten

 
Die 15 Typen der ebenen Parkettierung mit kongruenten, konvexen Fünfecken

Es gibt nur 15 verschiedene Fünfecke, mit denen sich eine Fläche lückenlos kacheln lässt, wenn nur eine Form von Kacheln benutzt wird. Den Beweis dafür lieferte der französische Mathematiker Michaël Rao erst 2017.[2][3]

VorkommenBearbeiten

NaturBearbeiten

 
Okrafrüchte
 
Aufgeschnittene Sternfrucht

Die Okra- als auch die Sternfrucht hat im Querschnitt die Form eines Fünfecks. Die Blüten der Prunkwinde sind ebenfalls fünfeckig ausgebildet. Auch Seesterne und Schlangensterne weisen eine fünfstrahlige Symmetrie auf. Viele cyclische Verbindungen enthalten eine Fünfringstruktur (etwa Cyclopentan, γ-Butyrolacton, Furan, Furanosen etc.).

Architektur und FestungsbauBearbeiten

Der Grundriss einer neuzeitlichen bastionierten Festung hat häufig die Form eines Fünfecks. So sind regelmäßige Fünfecke die vollständig wieder aufgebaute Festung Bourtange in den Niederlanden sowie Nyenschanz (heute in St. Petersburg), die Zitadelle von Jaca, die Zitadelle von Pamplona, die Festung Dömitz, die Zitadelle von Turin, die Zitadelle von ’s-Hertogenbosch, die Zitadelle von Straßburg, die Zitadelle von Amiens, die 1598 abgebrochene Zitadelle von Vitry-le-François von Girolamo Marini, die verschwundene Zitadelle von Antwerpen, die Zitadelle von Doullens (Picardie, nur in Teilen auf regelmäßigem Grundriss), die Zitadelle von Lille, das Harburger Schloss, die Zitadelle Vechta, die Zitadelle von Münster, das Fort Nieuw-Amsterdam, das Kastell von Kopenhagen, Tilbury Fort in Essex östlich von London, die Höhenfestung Wülzburg bei Weißenburg in Bayern und die Festung Goryōkaku in Japan.

Den Typ des befestigten Palasts (Palazzo in fortezza) auf regelmäßig fünfeckigem Grundriss verkörpern die Villa Farnese, die Schlösser Krzyżtopór und Nowy Wiśnicz sowie die Befestigungen von Schloss Łańcut in Polen. Die Stadt Sathmar im heutigen Rumänien besaß eine fünfeckige Festung.

Der Hauptsitz des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten in Washington, D.C. wird wegen seines Grundrisses in Form des regelmäßigen Fünfecks Pentagon genannt.

Ein Fünfeck liegt Kirchengebäuden wie der Corvinuskirche in Hannover, der Dietrich-Bonhoeffer-Kirche (Köln-Lindenthal), der Wallfahrtskirche Zelená Hora in der Tschechischen Republik oder der Kirche St. Michael in Detmold (Westfalen) zugrunde.

Auf fünfeckigem Querschnitt sind Turmbauten wie der stählerne Verkehrsturm am Potsdamer Platz oder der aus Holz gefertigte Aussichtsturm auf der Hohenmirsberger Platte errichtet.

Der Fünfeckige Stein ist ein Grenzstein in Niederösterreich.

Siehe auchBearbeiten

Fünfeck nach dem Satz von Mascheroni, allein mit einem Zirkel erstellt

WeblinksBearbeiten

Commons: Fünfeck – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Fünfeck – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikibooks: Fünfeck – Lern- und Lehrmaterialien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. C. Stanley Ogilvy: Unterhaltsame Geometrie. Kapitel 9: Der Goldene Schnitt – 9.1 Das Pentagramm. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 1984, ISBN 3-528-28314-9, S. 76–77, doi:10.1007/978-3-663-00104-1_10.
  2. M. Rao: Exhaustive search of convex pentagons which tile the plane. 1. August 2017, arxiv:1708.00274
  3. Matthias Schütte, Christoph Drösser: Kachel-Puzzle. In: Die Zeit. Nr. 32/2017, S. 36.