1.4 CUERPOS REDONDOS Designamos en general como cuerpos redondos el conjunto de puntos del espacio obtenido cuando una figura gira alrededor de una recta, de tal forma que cada punto de la figura conserva, al rotar, su distancia a la recta. Nuestro trabajo se centrará básicamente en tres cuerpos redondos a saber: el cilindro, el cono y la esfera. Definición 93. Superficie de revolución Es el conjunto de puntos del espacio generado cuando una figura gira alrededor de una recta llamada eje. En la rotación cada punto de la figura que gira mantiene constante su distancia al eje. Los puntos de la figura que rota, constituyen la generatriz y cada uno de ellos describe una circunferencia de centro en el eje y contenida en un plano perpendicular a éste. Ver figura 43. Figura 43 En la figura 43a se indica la figura correspondiente a la generatriz señalándose en particular cuatro puntos A 1, B 1, C 1 y D 1 pertenecientes a ella, como también el eje. En la figura 43b puede observarse la superficie de revolución generada, en ella se indican las circunferencias descritas por los puntos anteriormente señalados al rotar alrededor del eje
l, estas circunferencias tienen sus centros en O 1, O, O 3 y O 4 respectivamente pertenecientes a l y el plano que contiene a cada circunferencia es perpendicular al eje l y en consecuencia todos estos planos son paralelos entre sí. 1.4.1 El cilindro Definición 94. Superficie cilíndrica de revolución Es la generada por una recta paralela al eje. Ver figura 44a. Definición 95. Cilindro de revolución o cilindro circular recto Es el conjunto de puntos del espacio limitado por una superficie cilíndrica de revolución y dos círculos correspondientes a la intersección de la superficie cilíndrica con dos planos perpendiculares al eje, incluyendo estos límites. Ver figura 44b. Notas: Figura 44 En un cilindro circular recto identificamos los siguientes elementos: Bases: Son los dos círculos que limitan el cilindro Altura: Es la distancia entre las bases, en la figura 44b la designamos por h Radio: Es el radio del círculo asociado a las bases Área lateral: Es el área de la superficie cilíndrica que lo limita Área total: Es la suma del área lateral y las áreas de los dos círculos correspondientes a las bases
El cilindro circular recto puede también obtenerse mediante la rotación completa de un rectángulo alrededor de uno de sus lados. TEOREMA 15. Volumen del cilindro circular recto Es el límite del volumen de un prisma regular inscrito en el cilindro cuando el número de lados de la base tiende a infinito. Observación: En forma análoga a la empleada para calcular el área del círculo, en términos de los límites de las áreas de los polígonos regulares inscritos ó circunscritos en la circunferencia, cuando el número de lados tiende a infinito, procedemos al cálculo de los volúmenes en los tres cuerpos redondos fundamentales. Como el volumen del prisma es el producto del área de la base por la altura, entonces, en el paso al límite tenemos que el volumen del cilindro es igual al área de la base por la altura, esto es r h. Ver figura 45b. TEOREMA 16. Área lateral del cilindro circular recto Es el límite del área lateral de un prisma regular inscrito en el cilindro, cuando el número de lados de la base tiende a infinito. Como el área lateral del prisma es igual al perímetro de la base por la arista lateral, en el paso al límite tenemos que el área lateral del cilindro es igual a la longitud de la circunferencia de la base por la altura. Ver figura 45a. Esto es rh.
Figura 45 Corolario. Área total del cilindro circular recto El área total del cilindro circular recto es igual a la suma de las áreas lateral y la de las dos bases. Esto es, Área total r h r 1.4. El cono Definición 96. Superficie cónica de revolución r hr Es la generada por una semirrecta con origen en el eje y que determina un ángulo agudo con éste que permanece constante durante toda la rotación. Ver figura 46a.
Figura 46 Definición 97. Cono circular recto Es el conjunto de puntos del espacio limitado por una superficie cónica de revolución y un círculo correspondiente a la intersección de la superficie cónica con un plano perpendicular al eje, incluyendo ambos límites. Ver figura 46b. El origen de la generatriz se denomina vértice. Notas: En un cono circular recto identificamos los siguientes elementos: Base: Es el circulo que limita al cono. Altura: Es la distancia del vértice a la base. Radio: Es el radio de la base. Área lateral: Es el área de la superficie cónica que lo limita. Área total: Es la suma del área lateral y el área del círculo de la base.
TEOREMA 17. Volumen del cono circular recto Es el límite del volumen de una pirámide regular inscrita en el cono cuando el número de los lados de la base tiende a infinito. Como el volumen de la pirámide es un tercio del área de la base por la altura, entonces, en el paso al límite tenemos que el volumen del cono es igual a un tercio del área de la base por la 1 altura, esto es. 3 r h TEOREMA 18. Área lateral del cono circular recto Es el límite del área lateral de una pirámide regular inscrita en el cono, cuando el número de los lados de la base tiende a infinito. Como el área lateral de la pirámide es igual al semiperímetro de la base por la altura de una cara lateral trazada desde el vértice, puesto que la pirámide es regular, en el paso al límite tenemos que el volumen del cono es igual al semiperímetro de la base por la medida de la generatriz. Ver figura 47. Esto es 1 rl rl Figura 47
Corolario. Área total del cono circular recto El área total del cono circular recto es igual a la suma de las áreas lateral y la de la base. Esto es, Área total rl r 1.4.3 La esfera Figura 48 Definición 98. Superficie esférica de revolución Es la generada por una semicircunferencia que rota alrededor de un eje que pasa por su diámetro. Definición 99. Esfera r l r Es el conjunto de puntos del espacio limitado por una superficie esférica de revolución incluyendo este límite.
Notas: Definimos también la superficie esférica de centro en un punto O y radio r como el conjunto de todos los puntos del espacio tales que su distancia al punto O es igual a r. Interior de la superficie esférica de centro en O y radio r es el conjunto de todos los puntos del espacio tales que su distancia al punto O es menor que r. Esfera de centro en O y radio r es el conjunto de todos los puntos del espacio tales que su distancia al punto O es menor o igual a r. en consecuencia la esfera es la unión de la superficie esférica con su interior. Ver figura 49. Demostración Figura 49 TEOREMA 19. Volumen de la esfera El volumen de una esfera de centro en O y radio en r es igual a Determinemos el cilindro circunscrito a la esfera y con sus bases tangentes a la esfera. Ver figuras 50. 4 3 r 3
Figura 50 Designemos por: V e: El volumen de la esfera V c: El volumen del cilindro circunscrito a la esfera V d: El volumen de la figura comprendida entre la esfera y el cilindro. En consecuencia V e = V c V d Utilicemos la propiedad P 4 (Principio de Cavalieri) de la función volumen para calcular a partir de lo anterior el volumen de la esfera. Intersectamos la figura inicial por planos paralelos a las bases del cilindro, de esta manera se obtienen coronas circulares. Ver figura 50b. El área de esta corona corresponde a la expresión general: r r ' r r ' h Por el teorema de Pitágoras en el O de la esfera al plano paralelo. AOB. Ver figura 51a siendo h la distancia del centro
Figura 51 Tomemos ahora los dos conos congruentes y por tanto equivalentes de vértice en O y bases en los círculos del cilindro. Ver figura 51b. El área de la sección circular determinada por la intersección del plano, paralelo a la base y a una distancia h desde el centro O de la esfera es igual a r '', donde '' es el radio del circulo correspondiente a esta sección. h r'' A su vez OFT ~ OCM (Ángulo-ángulo) y en consecuencia tenemos: luego r r h r''. Esto significa que el área de la corona circular h son iguales. y el área de la sección del cono Aplicando ahora, como ya lo mencionamos, el Postulado de Cavalieri o la propiedad P 4 de la función volumen de la figura V d (comprendida entre la esfera y el cilindro), es igual a la suma de los volúmenes de los dos conos descritos. r ''
El volumen de cada cono es 1 1 r r 3 3 3 3 conos es:. 3 r En consecuencia el volumen de la esfera es: V = V -V e c d r 4 r 3 r 3 3 3 3 TEOREMA 130. Área de la superficie esférica Figura 5 ; en consecuencia el volumen de ambos El área de una superficie esférica de centro en el punto O y radio r es igual a 4 r figura 5. La demostración de este teorema corresponde al Cálculo. Se presenta a continuación una idea intuitiva como se ha indicado en otras demostraciones recurriendo desde luego a la noción de límite. Para ello sugiero revisar nuevamente la unidad 11.5. Se considera una semicircunferencia que gira alrededor de su diámetro, y se inscribe un polígono regular; en el paso al límite cuando el número de lados tiende a infinito se obtiene que la proyección del polígono es el diámetro r, la apotema tiende al radio y en. Ver
consecuencia el área corresponde a la superficie esférica. Luego el área de la superficie esférica es igual a r r 4r