Cuerpos geométricos Un cuerpo geométrico o sólido es una porción del espacio limitada por superficies planas o curvas llamadas caras. 2.1 Poliedros Los poliedros son cuerpos geométricos limitados por cuatro o más caras en forma de polígono. E n u n p o l i e d r o se d i s t i n g u e n l o s s i g u i e n t e s e l e m e n t o s : caras, aristas y vértices {fig. 7). Figura 7 L o s e j e m p l o s m á s c o m u n e s d e p o l i e d r o s s o n l o s p r i s m a s y las p i r á m i d e s . 2.1.1 Prismas Un prisma es un poliedro que tiene dos caras poligonales iguales y paralelas llamadas bases y — Base cuyas caras laterales con paralelogramos (/7g. 8). A l d e s a r m a r el p r i s m a d e la f i g u r a 8, se o b t i e n e u n a f i g u r a p l a n a l l a m a d a - Cara lateral del El d e s a r r o l l o d e l p r i s m a p e n t a g o n a l está f o r m a d o p o r : •Base • • Figura 8 desanvUo prisma. ' ' "'-^ ^, D o s pentágonos congruentes. R e c t á n g u l o s c u y a s bases s o n i g u a l e s a l l a d o d e l p e n t á g o n o y c u y a s a l t u r a s s o n iguales a la a l t u r a d e l p r i s m a . • Desarrollo del prisma pentagonal Algo £0 imoortante O — : Los prismas se nombran de acuerdo con la forma de sus bases. Por ejemplo, prisma triangular, prisma rectangular, prisma pentagonal. Al prisma rectangular también se le conoce como ortoedro. Se l l a m a área lateral (A^) a l a s u m a d e las áreas d e las caras l a t e r a l e s . En e l d e s a r r o l l o , el área l a t e r a l c o r r e s p o n d e c o n el área d e l r e c t á n g u l o . Así A^ = P • h P: p e r í m e t r o d e la base Se l l a m a área total (Aj) a l área d e l d e s a r r o l l o e n e l p l a n o . Se o b t i e n e s u m a n d o e l área l a t e r a l y e l área d e las d o s bases. Aj^: área d e l a base El volumen de un prisma se halla multiplicando el área de la base por la altura. V = A„- h V: volurven Ejercicio resuelto Hallar el v o l u m e n d e l p r i s m a de la f i g u r a 9. Solución Para hallar el área d e la base se aplica el t e o r e m a d e Pitágoras. /,2 = + ¿,2 ^ a = V/i^ - ^ a = V25 - 16 — • a = Se halla el área d e la base q u e es u n triángulo: \ V9 Figura 9 = 3 ' ^ ^ ^ ^ '''^^ = 1 2 c m ^ Luego, se r e m p l a z a en la fórmula d e l v o l u m e n d e u n p r i s m a . V = Ag-h \ / = ( 1 2 c m ^ ) ( 1 7 c m ) = 2 0 4 cm^ Vértice - .Arista 2.1.2 Pirámides Una pirámide es un poliedro que tiene un polígono como base y triángulos con un vértice Base común, como caras laterales. E n u n a p i r á m i d e se d i s t i n g u e n l o s s i g u i e n t e s e l e m e n t o s : a r i s t a , base, v é r t i c e , caras Figura 10 l a t e r a l e s y a l t u r a (/í^. 7 0 ) . La a l t u r a h d e u n a p i r á m i d e es l a d i s t a n c i a q u e h a y d e s d e e l v é r t i c e h a s t a su base, t o m a d a p e r p e n d i c u l a r m e n t e a la base. Para h a l l a r e l área t o t a l y e l v o l u m e n d e u n a p i r á m i d e es n e c e s a r i o r e c u r r i r a su d e - Pirámide pentagonal sarrollo e n el p l a n o . El d e s a r r o l l o e n e l p l a n o d e u n a p i r á m i d e está f o r m a d o p o r e l p o l í g o n o d e l a b a s e y t a n t o s t r i á n g u l o s c o m o l a d o s t i e n e l a base. E l área l a t e r a l iA¡) d e la p i r á m i d e es l a s u m a d e las áreas d e las caras l a t e r a l e s . E l área t o t a l (.4J se o b t i e n e s u m a n d o el área l a t e r a l c o n el área d e l a base (Ag). Aj=Ai^ + Ag El volumen de una pirámide es igual a un tercio del producto del área de la base por la Desarrollo en el plano medida de la altura. V = lA,-h Ejercicio resuelto H a l l a r el v o l u m e n de la pirámide de la f i g u r a 1 1 , c u y a base es u n hexágono regular de 6 c m d e l a d o y c m de a p o t e m a . Solución Primero, se halla el perímetro d e l hexágono: P = 5 • ( 5 c m ) = 3 6 c m . Después, se halla el área d e la base. Para ello, se r e m p l a z a en la fórmula d e área d e l hexágono, así. ^ ( 3 6 c m ) ( 3 V ^ c m ) ^ ^08^ ^ 2 2 ^ ^ ^ 2 F i n a l m e n t e , se aplica la fórmula d e v o l u m e n d e u n a pirámide. V = -Ag- h = - ( 9 3 , 4 2 cm^) • (7 c m ) = 2 1 8 cm^ Figura 11 cbtdnudi reribdniitíruu tíb[Jd(.idi y íneiriLU Actividades 2 Competencias [!] Interpretativa [Ai Argumentativa [P] Prepositiva [IJ Modelación [PJ Problemas Resolver. 1 0 . Si se d u p l i c a el área de la base en la pirámide c u a - H a l l a r el área l a t e r a l , t o t a l y e l v o l u m e n de los s i g u i e n t e s prismas. drada, ¿ q u é sucede c o n el v o l u m e n ? 1 1 . Si se r e d u c e a la m i t a d la a l t u r a en cada pirámide, ¿ c u á l es el área t o t a l e n cada una de ellas? 1 2 . Si se t r i p l i c a el lado / de la base de un p r i s m a h e x a g o nal de a l t u r a h, ¿ q u é m e d i d a t i e n e n las nuevas d i m e n siones? Solución de problemas Comprender el enunciado 1 . U n a caja de b o l s i t a s de aromática m i d e 1Z,5 c m de largo, 6 c m de a n c h o y 4 c m de a l t o . ¿ C u á n t a s de est a s cajas c o n t i e n e una caja q u e m i d e 1 0 0 c m de largo, 6 0 c m de a n c h o y 4 2 c m de a l t o ? [A] Razonamiento ¿ Q u é pasa c o n el v o l u m e n d e l p r i s m a si se d u p l i c a la m e d i d a d e l l a d o de su base? 2 . U n t a n q u e para a l m a c e n a r agua c o n f o r m a de p r i s m a p e n t a g o n a l regular, c o n t i e n e 9 . 2 2 5 l i t r o s de agua. Si el l a d o d e l pentágono es de 5 0 c m y su a p o t e m a m i d e 4 2 c m , ¿ q u é a l t u r a lleva el a g u a si se ha l l e n a d o s o l o hasta la m i t a d ? 3. Se necesita f o r m a r una caja de 5 4 c m de largo, 4 2 c m de a n c h o y 5 0 c m de a l t o . Si el p l i e g o de p a p e l m i d e 2 2 c m de largo p o r 16 c m de a n c h o , ¿ c u á n t o s pliegos de p a p e l son necesarios para f o r m a r la caja? Para pensar ¿El siguiente desarrollo ccTesponde a un prisma? Justificar la respuesta. 7. Hacer una demostración 4 . C u a n d o dos pirámides c u a d r a d a s regulares, cuyas c a - I • 1 ras laterales son triángulos equiláteros, se c o l o c a n de m a n e r a q u e sus bases c o i n c i d e n , se f o r m a u n c u e r p o sólido l l a m a d o o c t a e d r o regular. D e m o s t r a r q u e e l v o l u m e n V de u n o c t a e d r o con arista a se expresa c o m o : Comprender e! enunciado 5. El área l a t e r a l de una pirámide h e x a g o n a l regular es de 1 8 0 c m ^ . Si el l a d o de la base m i d e 6 c m : c a l c u l a r la a l t u r a de la pirámide. iNivei ti -— (vioauio y — 2.2 C u e r p o s r e d o n d o s w O -Base L o s t r e s c u e r p o s r e d o n d o s m á s c o n o c i d o s s o n : c i l i n d r o , c o n o y esfera. Cara lateral cuna 2.2.1 Cilindro Un cilindro es un cuerpo redondo limitado por una cara curva y dos caras planas con forma -Base de círculo {fig. 12). Figura 12 P a r a h a l l a r e l área t o t a l y e l v o l u m e n d e u n c i l i n d r o es n e c e s a r i o i d e n t i f i c a r e n él las siguientes medidas. R a d i o ( r ) : es e l r a d i o d e l c í r c u l o d e la base. A l t u r a (lí): es l a d i s t a n c i a e n t r e las d o s bases (fig. 13). T a m b i é n es n e c e s a r i o r e c u r r i r a l d e s a r r o l l o d e l c i l i n d r o (fig. 14) p a r a d e d u c i r las f ó r m u l a s d e área l a t e r a l y área t o t a l . El área l a t e r a l c o r r e s p o n d e a l área d e l r e c t á n g u l o . C o m o l a base d e l r e c t á n g u l o es i g u a l a la l o n g i t u d de la c i r c u n f e r e n c i a , e n t o n c e s Aj. =(2K • r) • h E l área t o t a l es i g u a l a l a s u m a d e l área l a t e r a l c o n e l área d e las d o s bases. Aj = A¡^+ 2Ag ^ 2 - • r • /! + 2 • n • Se remplaza A¡^ y Ag. Figura 13 El volumen de un cilindro es igüsi al producto del área de la base por la altura. V = A_- • h V = -K- r" Ejercicios resueltos En una fábrica se p.'caucen dos t i p o s de e m p a q u e s c i l i n d r i c o s de latas para atún (fig. 15). a. Responcer. -2nr- ¿ C u á l d e los e m p a q u e s r e q u i e r e m a y o r c a n t i d a d de lámina de lata para su fabricación? b. ¿ C u á l de ios er-Dacues t i e n e m a y o r v o l u m e n ? Figura 1 4 Solución a. Se halla e l área t o t a l de cada e m p a q u e . Así, E m p a q u e 1. A-=Zn •r • h + 2 • n • /V = 2 ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 4 c n i ) { 1 4 c m ) + 2 ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 4 cm)^ - 4 5 2 , 3 7 6 arr E m p a q u e 2. Aj = 2 ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 6 a m ) ( 7 o n ) + 2 ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 6 cm)^ = 4 9 0 , 0 7 4 crrf Luego, el e m p a q u e 2 r e q u i e r e m a y o r c a n t i d a d de lámina de l a t a . b. Se halla el v o l u m e n de cada e m p a q u e . Así, E m p a q u e ^. V = n • •h 14 cm 7 cm V = ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 4 c m ) ^ ( 1 4 c m ) = 7 0 3 , 6 9 6 cm^ E m p a q u e 2. V = ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 6 c m ) 2 ( 7 c m ) = 7 9 1 , 6 5 8 cm^ Luego, el e m p a q u e 2 t i e n e m a y o r v o l u m e n . Empaque 1 Figura 15 Empaque 2 V tstanaar f e n s a m i e n i o espacial y métrico O — -Vértice — 2.2.2 Cono Un cono es un cuerpo redondo limitado por una cara curva y una cara plana con forma de círculo, llamada base {fig. 16). -Altura Para d e d u c i r las f ó r m u l a s d e área t o t a l y v o l u m e n d e u n c o n o es n e c e s a r i o r e c u r r i r a s u d e s a r r o l l o e n el p l a n o . •Vértice Figura 16 Altura Algo Base importante Si no se conoce la longitud de la generatriz de un cono se puede ^ deducir mediante la siguiente expresión: El d e s a r r o l l o e n e l p l a n o está f o r m a d o p o r : • U n c í r c u l o d e r a d i o r y d e p e r í m e t r o 2n • r. • U n s e c t o r c i r c u l a r d e r a d i o {§) y l o n g i t u d d e a r c o (/) i g u a l a 2TI • r. D e a c u e r d o c o n e l d e s a r r o l l o e n el p l a n o , e l área l a t e r a l (A^) d e l c o n o es el área d e l sector circular: 1. 1 = AL El área de un sector • r)g A¡_ = n • r • g circular de radio r que corresponde a = ^Í2K Al remplazar. Al resolver. E l área t o t a l es l a s u m a d e l área l a t e r a l m á s e l área d e l a base, l u e g o , un arco de longitud /es Af-= - • T • g + TíT' Al remplazar. El volumen de un cono es 1= te—era parte del producto del área de la base por la altura. 1' Ejercicio resuelto G a b r i e l a va a c o m p r a r u n e m p a q u e de h e l a d o para su f i e s t a . Si las t r e s p r e s e n t a c i o nes (fig. 17) t i e n e n el m i s m o p r e c i o , ¿ c u á l debería c o m p r a r ? , ¿por qué? Solución 28 cm • El e m p a q u e Rico h e l a d o es u n c o n o , así q u e su v o l u m e n es: V = ^nr^-hóe d o n d e , V = j ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 1 1 cm)^ • ( 2 8 c m ) = 3.547,8 cm^ El e m p a q u e Super h e l a d o es u n c i l i n d r o , así q u e su v o l u m e n es: 28 cm V = n h d e d o n d e , V = ( 3 , 1 4 1 5 ) ( 1 1 c m ) ^ ( 2 8 c m ) = 1 0 . 6 4 3 , 4 0 2 cm^ El e m p a q u e Deli h e l a d o es u n p r i s m a r e c t a n g u l a r c o n base c u a d r a d a . Así Ag = ( 2 2 c m ) 2 = 4 8 4 c m ^ V = Ag-h 28 cm - 2 2 cm — Figura 17 22 cm d e d o n d e , V = ( 4 8 4 cm^ ) ( 2 8 c m ) = 13.552 c m ^ Luego, Gabriela debería c o m p r a r el e m p a q u e contenido. Deli h e l a d o pues t i e n e mayor Actividades 3 Competencias [!j Interpretativa [P| ÍAl Argumentativa 8 . El v o l u m e n d e l c i l i n d r o es m a y o r q u e el v o l u m e n d e l [P] Prepositiva cono. 9 . Para forrar el c i l i n d r o se necesita m a y o r c a n t i d a d de Razonamiento D e t e r m i n a r el v o l u m e n d e l c i l i n d r o q u e se genera en cada 1 0 . El v o l u m e n d e l c o n o es m e n o r q u e la m i t a d d e l v o l u - desarrollo. 4cm_, 1. p a p e l q u e para forrar el c o n o . m e n del cilindro. 1 cm - 2. SoJycién de problemas Comprender el enunciado 1. U n t u b o en f o r m a de c i l i n d r o t i e n e 4 0 c m de largo. Si el diámetro i n t e r n o es de 6 c m y el diámetro e x t e r n o 3. Si se v a n a f o r r a r c o n p a p e l seda, los c i l i n d r o s a n t e r i o res, ¿ q u é c a n t i d a d de p a p e l se usará en cada u n o ? D e t e r m i n a r cuál de los c i l i n d r o s d i b u j a d o s p u e d e albergar una m a y o r c a n t i d a d de líquido es d e 8 c m , ¿ c u á n t o s c m ^ de m e t a l se u t i l i z a r o n para c o n s t r u i r el t u b o ? 2 . Se v e n d e leche en p o l v o de la m i s m a m a r c a en dos r e c i p i e n t e s d i s t i n t o s . El r e c i p i e n t e A t i e n e el d o b l e de a l t o q u e el r e c i p i e n t e fi, pero su diámetro es la (sugerencia 1 c m ^ = 1 m i l i l i t r o ) . m i t a d de la d e l r e c i p i e n t e B. Si la leche en p o l v o d e l r e c i p i e n t e A c u e s t a $ 8 . 0 0 0 y la leche en p o l v o d e l 4. 5. r e c i p i e n t e B c u e s t a $ 1 2 . 0 0 0 , ¿ c u á l de los r e c i p i e n t e s es más e c o n ó m i c o ? 10 cm ; 10 cm 3. U n b a r q u i l l o c i l i n d r i c o t i e n e 6 c m de f o n d o y 2 c m de diámetro. ¿ C u á l es la c a p a c i d a d d e l b a r q u i l l o ? y ¿ q u é c a n t i d a d de g a l l e t a se utilizó en cada b a r q u i l l o ? I 6 er datos de un dibujo [I] EJercitación H a l l a r el área l a t e r a l , t o t a l y el v o l u m e n de los s i g u i e n t e s conos. 6. 7. A l h a c e r girar u n triángulo rectángulo s o b r e u n o de sus c a t e t o s , se f o r m a u n c o n o . ' Hallar el área t o t a l d e l c o n o q u e se f o r m a al hacer girar el 0-4 c triángulo sobre el c a t e t o i n d i c a d o . 4. Cateto a 0.3:dm 5. C a t e t e b [A] Razonamiento O b s e r v a r el par de imágenes y d e t e r m i n a r si la afirmación es verdadera o falsa. .y^t-. 6. Calcular el v o l u m e n e n t r e el c i l i n d r o y el c o n o , y la razón e n t r e el v o l u m e n d e l c o n o y d e l c i l i n d r o . y tstanaar c e n s a m i e n r o espacial y métrico O — 2.2.3 Esfera Una esfera es un cuerpo redondo limitado por una cara curva. Todos los puntos de la Centro ¿Círculo máximo Figura 18 superficie de la esfera equidistan de un punto llamado centro. La distancia de un punto de la superficie de la esfera al centro se llama radio (//g. 78). El área de la superficie de una esfera de radio r es igual a cuatro veces el área del círculo máximo. A = 4- Algo o O n - El volumen de una esfera es igual a cuatro tercios del producto de n por el radio al cubo. oo ríante La Intersección entre una esfera y un plano que contiene al centro, se conoce como círculo máximo {fig. 18). Ejercicios resueltos Los b a l o n e s oficiales usados en los m u n d i a l e s d e fútbol t i e n e n f o r m a esférica. A u n q u e e n los últimos m u n d i a l e s su diseño ha c a m b i a d o , sus m e d i d a s h a n v a r i a d o m u y p o c o . Según la FIFA, la l o n g i t u d d e la c i r c u n f e r e n c i a máxima d e l balón o f i c i a l d e b e estar c o m p r e n d i d a e n t r e 6 8 , 5 c m y 6 9 , 5 c m . Para el m u n d i a l de A l e m a n i a 2 0 0 6 , el balón " T e a m g e i s t " q u e significa "espíritu de e q u i p o " t u v o u n a l o n g i t u d de c i r c u n f e r e n c i a de 6 9 c m . De a c u e r d o c o n la información dada, calcular: a. Radio d e l balón T e a m g e i s t . c. Área de la s u p e r f i c i e d e l T e a m g e i s t . b. Diámetro d e l balón T e a m g e i s t . d . Volume.n d e l balón. Solución a. C o m o la l o n g i t u d / d e la c i r c u n f e r e n c i a m.áxima d e l balón T e a m g e i s t es de 6 9 c m , se despeja el radio, así: l = 2n-r luego — ,.69ari^ 6,28 b. = r 3 ^ Para calcular e l diámetro, se r e m p l a z a d = 2-r c/= 2 ( 1 0 , 9 8 ) = 2 1 , 9 6 c m c. El área de la s u p e r f i c i e esférica d e l balón es A = 47t • A = 4 ( 3 , 1 4 ) ( 1 0 , 9 8 cm)^== 1 . 5 1 4 , 2 3 c m ^ d. El v o l u m e n d e l balón se calcula al r e m p l a z a r e n : V = | ( 3 , 1 4 ) ( 1 0 , 9 8 cm)^ = 5.542,11 cm^ Actividades 4 Competencias [O Interpretativa [A] Argumentativa [P| [Pj Prepositiva Problemas Resolver. [11 EJercitación 5. La p e l o t a de la f i g u r a está d e n t r o de u n a caja cúbica y Hallar e l radio, e l área y el v o l u m e n d e los s i g u i e n t e s o b j e - t o c a a p e n a s cada u n a d e sus caras. H a l l a r e l v o l u m e n t o s , dada la l o n g i t u d d e su c i r c u n f e r e n c i a máxima. de la caja. 1 . / = 18,526 c m 2 . / = 19,939 c m [I] Razonamiento 6 . D e t e r m i n a r e l v o l u m e n q u e resulta a l q u i t a r l e a la H a l l a r el v o l u m e n de cada esfera dada su área. 3.A = 113,04cm2 esfera el c o n o q u e se m u e s t r a e n la f i g u r a . 4.A = 50,24cm2 2.3 Otros c u e r p o s E x i s t e n o t r o s c u e r p o s g e o m é t r i c o s q u e se f o r m a n a p a r t i r d e p o r c i o n e s d e c o n o s y d e p i r á m i d e s . Estos s o n : t r o n c o d e c o n o y t r o n c o d e p i r á m i d e . 2.3.1 Tronco de cono Un tronco de cono es una porción de un cono comprendida entre 'a base y un plano paralelo , a ella. Se p u e d e o b s e r v a r q u e e l d e s a r r o l l o e n e l p l a n o está formado por un t r a p e c i o c i r c u l a r y d o s círculos (fig. 19). Así, e l área l a t e r a l es: A, = Kg(R Figura 19 + r) E l área t o t a l es l a s u m a d e l área l a t e r a l m á s las áreas d e l o s c í r a i l o s , así: Aj = n • g(R + r) + TZR^ + KT- E l v o l u m e n d e l t r o n c o d e c o n o se c a l c u l a a p l i c a n d o l a s i g u i e n t e f ó r m u l a : 1/ = |-7i • h(R^+ r + R- r) 2.3.2 Tronco de pirámide Un tronco de pirámide es una porción de pirámide comprendida entre la base y un plano paralelo a ella {fig. 20). La f ó r m u l a p a r a e l c á l c u l o d e l v o l u m e n d e u n t r o n c o d e p i r á m i d e es: V = ^h(B + b + 4Bb) Figura 20 tbianaar ^ renbdrnieruu ebpdLidi y intíLnLu 2.4 Sólidos platónicos Los poliedros regulares son aquellos cuyas caras son polígonos regulares iguales. Existen solo cinco poliedros regulares y soii llamados sólidos platónicos. Este nombre se debe a la asociación que hacía el filósofo Platón (428-348 a.C.) con los elementos primarios. Estos son: Asociado con O « s » r o t l o en e l p l a n o Tetraedro el fuego Cubo la tierra Octaedro 'A el aire \/ Dodecaedro el universo Icosaedro el agua El área total de cada sólido platónico se puede calcular a partir de su desarrollo en el plano. Para calcular el volumen de los sólidos platónicos se dividen en pirámides y se suman sus volúmenes. Actividades 5 m Competencias íi] Interpretativa ÍA] Argumentativa (P) Propositiva EJercitación Hallar el v o l u m e n de cada c u e r p o . [P] Problemas 3. rf\ 5. Resolver. Se necesita hacer una pieza hueca en m e t a l c o m o la q u e se m u e s t r a en la figura. 6. 1. ¿ C u á n t o s c m ^ de m a t e r i a l s o n necesarios para f u n d i r esta pieza? 6 cm 6 cm [P] Razonamiento Calcular el v o l u m e n de los dos sólidos de cada f i g u r a . 9. 10 cm 4cm/ \ar- 2 . ¿ C u á n t o s baldes de agua c o m o el q u e se m u e s t r a en la f i g u r a , se d e b e n sacar de un p o z o c o n 1 0 0 d m ^ de c a p a c i d a d para v a c i a r l o c o m p l e t a m e n t e ? / / Lo más i m p o r t a n t e Volumen Área total Prisma P: perímetro de la base I /): altura Ag. área de la base V = A^-h Aj- = P • h + Z- Ag Pirámide Ag. área de la base A^: área lateral \\ \ Cilindro r. radio h: altura A^ = 2n • r • h + Znr^ Cono V = K- g: generatriz r. radio Aj = K • r • g + nr^ Esfera V = Ag- h r. radio A = 4nr^ 3 r'- • h ¡ \