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Matemática Básica
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Geometría espacial: cuerpos, áreas y volúmenes

Geometría espacial: cuerpos, áreas y volúmenes

Escrito por Jean Carlos Novaes

La geometría espacial estudia objetos con tres dimensiones independientes. Un modelo puede tener largo, ancho y alto, pero las medidas útiles dependen del objeto: las aristas y diagonales son longitudes, las caras y superficies curvas aportan área, y el espacio ocupado es volumen. Separar estas dimensiones y sus unidades es la primera precaución para no introducir los números correctos en una fórmula equivocada.

L2=kL1
A2=k2A1
V2=k3V1

Poliedros y cuerpos con superficies curvas

Un poliedro está limitado por caras poligonales planas. Los prismas tienen dos bases paralelas y congruentes unidas por paralelogramos. Las pirámides tienen una base poligonal y caras laterales triangulares que se encuentran en un vértice. El cubo y el ortoedro son prismas particulares. En un poliedro convexo, el número de vértices, aristas y caras cumple la relación de Euler. Un cubo tiene 8 vértices, 12 aristas y 6 caras, por lo que la suma alternada vale 2.

V−E+F=2

Los cilindros, conos y esferas no son poliedros porque al menos una parte de su superficie es curva. Un cilindro circular recto tiene bases circulares y altura perpendicular. Un cono circular recto se estrecha desde una base circular hasta un vértice. Todos los puntos de la superficie de una esfera están a la misma distancia del centro. El radio, la altura perpendicular y la generatriz son medidas distintas y no pueden intercambiarse en una fórmula.

Un prisma, una pirámide, un cilindro, un cono y una esfera con las dimensiones que aparecen en las fórmulas de área superficial y volumen.
Un prisma, una pirámide, un cilindro, un cono y una esfera con las dimensiones que aparecen en las fórmulas de área superficial y volumen.

El área superficial mide la cubierta; el volumen mide el contenido

Un desarrollo plano despliega la superficie en regiones planas y ayuda a entender las fórmulas de área. Un cilindro cerrado, por ejemplo, tiene dos bases circulares y una superficie lateral que se convierte en rectángulo al desenrollarla. El volumen combina el área de una sección transversal con una altura perpendicular. Todo prisma o cilindro tiene un volumen igual al área de la base por la altura. Una pirámide o un cono con la misma base y la misma altura ocupa un tercio de ese volumen.

Las unidades delatan muchos errores. Una longitud medida en centímetros produce un área superficial en centímetros cuadrados y un volumen en centímetros cúbicos. Si todas las longitudes se multiplican por un factor de escala k, el área se multiplica por k2 y el volumen por k3. Duplicar las dimensiones de un cuerpo hace que su volumen sea ocho veces mayor, no el doble.

Vprisma=AbhVcilindro=πr2hVcono=πr2h3Vesfera=4πr33

Ejemplo resuelto: un prisma rectangular de 5 por 3 por 2

Considera una caja cerrada con lados de 5 cm, 3 cm y 2 cm. Su volumen es el producto de las tres dimensiones perpendiculares. La superficie tiene dos caras de cada tipo de rectángulo: 5 por 3, 5 por 2 y 3 por 2. La diagonal espacial cumple la relación de Pitágoras en tres dimensiones.

V=5×3×2=30cm3
A=2(5×3+5×2+3×2)
A=62cm2
d=52+32+22=38cm

Los resultados numéricos concuerdan con la geometría. El volumen es 30 cm³ y el área superficial es 62 cm². La diagonal mide 38 cm, aproximadamente 6,16 cm. Es más larga que cualquier arista, pero más corta que la suma de cualquier recorrido compuesto por varias aristas.

Las secciones muestran geometría plana oculta

Al cortar un cuerpo con un plano se obtiene una sección bidimensional. Una sección paralela a la base de un prisma tiene la misma forma y tamaño que esa base. Un corte diagonal en un prisma rectangular puede ser un rectángulo con un lado igual a la diagonal de una cara. Una esfera cortada por su centro produce su mayor sección circular. Estas secciones permiten resolver cuestiones espaciales con fórmulas planas y conectan el tema con la geometría plana.

Los recipientes reales pueden tener paredes gruesas, esquinas redondeadas o caras abiertas. Antes de interpretar un resultado sobre material o capacidad, indica si el modelo utiliza dimensiones interiores o exteriores y si la superficie está cerrada.

Referencias

  • OpenStax. Prealgebra 2e: Volume and Surface Area.

Contenido relacionado

  • Geometría plana: figuras, perímetro y área
Jean Carlos Novaes

Sobre Jean Carlos Novaes

Licenciado en Ciencias de la Computación por la Universidad Federal de Bahía (2017), editor y fundador de este sitio.

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