Libro Conos

2. Calculando el volumen del cono: la fórmula

Idea clave: la conexión entre el cono y el cilindro

En la página anterior, vimos que se necesitan tres conos de arena para llenar un cilindro que tenga la misma base y altura. Esto no es una coincidencia. La matemática formaliza esta relación y nos da una herramienta poderosa para no tener que experimentar cada vez.

Deduciendo la fórmula del volumen del cono

Recordemos que el volumen de un cilindro se calcula con la fórmula:

\[ V_{\text{cilindro}}=\pi r^2h \]

Como nuestra experimentación sugirió, el volumen del cono es un tercio del volumen del cilindro con la misma base y altura. Por lo tanto:

Fórmula del volumen del cono

La fórmula para calcular el volumen de un cono es:

\[ V_{\text{cono}}=\frac{1}{3}\pi r^2h \]

Donde:

  • \(V_{\text{cono}}\) representa el volumen del cono.
  • \(\pi\) es la constante matemática que vale aproximadamente \(3{,}14159\ldots\).
  • \(r\) es el radio de la base circular del cono.
  • \(h\) es la altura del cono, es decir, la distancia perpendicular desde el vértice a la base.

Una mirada más profunda a la fórmula

El término \(\pi r^2\) corresponde al área de la base circular del cono. Por eso, la fórmula también puede leerse como:

\[ V_{\text{cono}}=\frac{1}{3}\cdot \text{área de la base}\cdot \text{altura} \]

Esta forma ayuda a entender de dónde viene la fórmula y no solo a memorizarla.

Ejemplos y ejercicios de práctica

Nivel 1 – Cálculo directo de volumen

Ejemplo 1

Calcula el volumen de un cono con radio \(r=5\text{ cm}\) y altura \(h=12\text{ cm}\).

Solución:

Usamos la fórmula del volumen del cono:

\[ V_{\text{cono}}=\frac{1}{3}\pi r^2h \]

Sustituimos \(r=5\text{ cm}\) y \(h=12\text{ cm}\):

\[ V_{\text{cono}}=\frac{1}{3}\pi(5)^2(12) \]

\[ V_{\text{cono}}=\frac{1}{3}\pi(25)(12)=100\pi\text{ cm}^3 \]

Aproximando \(\pi\) a \(3{,}14\):

\[ V_{\text{cono}}\approx 100\cdot 3{,}14=314\text{ cm}^3 \]

Respuesta: El volumen del cono es \(100\pi\text{ cm}^3\), aproximadamente \(314\text{ cm}^3\).

Ejemplo 2

Un cono tiene una altura de \(8\text{ cm}\) y un volumen de \(96\pi\text{ cm}^3\). Calcula el radio de la base del cono.

Solución:

Partimos de la fórmula del volumen:

\[ V_{\text{cono}}=\frac{1}{3}\pi r^2h \]

Sustituimos \(V_{\text{cono}}=96\pi\text{ cm}^3\) y \(h=8\text{ cm}\):

\[ 96\pi=\frac{1}{3}\pi r^2(8) \]

Dividimos por \(\pi\):

\[ 96=\frac{8}{3}r^2 \]

Despejamos \(r^2\):

\[ r^2=\frac{96\cdot 3}{8}=36 \]

Finalmente:

\[ r=\sqrt{36}=6\text{ cm} \]

Respuesta: El radio de la base del cono es \(6\text{ cm}\).

Nivel 1 – Ejercicio 1

Calcula el volumen de un cono con radio \(r=4\text{ cm}\) y altura \(h=9\text{ cm}\).

Nivel 1 – Ejercicio 2

Calcula el volumen de un cono con radio \(r=6\text{ cm}\) y altura \(h=10\text{ cm}\).

Nivel 1 – Ejercicio 3

Calcula el volumen de un cono con radio \(r=3\text{ cm}\) y altura \(h=7\text{ cm}\).

Nivel 1 – Ejercicio 4

Calcula el volumen de un cono con radio \(r=2{,}5\text{ cm}\) y altura \(h=6\text{ cm}\).

Nivel 2 – Cálculo de elementos del cono

Ejemplo adicional

Un cono tiene un volumen de \(V=12\pi\text{ cm}^3\) y el diámetro de su base es \(d=6\text{ cm}\). ¿Cuál es su altura?

Solución:

Primero hallamos el radio:

\[ r=\frac{d}{2}=\frac{6}{2}=3\text{ cm} \]

Ahora usamos la fórmula del volumen:

\[ V=\frac{1}{3}\pi r^2h \]

Sustituimos los datos:

\[ 12\pi=\frac{1}{3}\pi(3)^2h \]

\[ 12\pi=3\pi h \]

Dividimos por \(3\pi\):

\[ h=\frac{12\pi}{3\pi}=4\text{ cm} \]

Respuesta: La altura del cono es \(4\text{ cm}\).

Nivel 2 – Ejercicio 5

Un cono tiene una altura de \(h=15\text{ cm}\) y un volumen de \(V=125\pi\text{ cm}^3\). Calcula el radio de la base.

Nivel 2 – Ejercicio 6

Un cono tiene un volumen de \(V=36\pi\text{ cm}^3\) y una altura \(h=9\text{ cm}\). Encuentra el radio de la base.

Nivel 2 – Ejercicio 7

Un cono tiene un volumen de \(V=100\pi\text{ cm}^3\) y un radio \(r=5\text{ cm}\). Encuentra su altura.

Nivel 2 – Ejercicio 8

El volumen de un cono es \(V=48\pi\text{ cm}^3\) y su altura \(h=4\text{ cm}\). Calcula el diámetro de la base.

Nivel 3 – Más relaciones internas

Ejemplo adicional

El volumen de un cono es \(V=18\pi\text{ cm}^3\). Si se sabe que su altura es el doble de su radio, es decir, \(h=2r\), ¿cuáles son las medidas del radio y la altura?

Solución:

Sustituimos \(h=2r\) en la fórmula del volumen:

\[ V=\frac{1}{3}\pi r^2h \]

\[ 18\pi=\frac{1}{3}\pi r^2(2r) \]

\[ 18\pi=\frac{2}{3}\pi r^3 \]

Despejamos \(r^3\):

\[ r^3=\frac{18\pi\cdot 3}{2\pi}=27 \]

\[ r=\sqrt[3]{27}=3\text{ cm} \]

Luego:

\[ h=2r=2\cdot 3=6\text{ cm} \]

Respuesta: El radio del cono es \(3\text{ cm}\) y su altura es \(6\text{ cm}\).

Nivel 3 – Ejercicio 9

Un cono tiene una altura \(h=8\text{ cm}\) y su base tiene un área \(A_b=9\pi\text{ cm}^2\). Calcula su volumen.

Nivel 3 – Ejercicio 10

Calcula el volumen de un cono si su altura es el doble de su radio y \(r=6\text{ cm}\).

Nivel 3 – Ejercicio 11

Un cono tiene una base de área \(A_b=16\pi\text{ cm}^2\) y una altura igual a la mitad del diámetro de la base. Encuentra su volumen.

Nivel 4 – Usando la generatriz

Cuidado con la generatriz

En algunos problemas se entrega la generatriz \(g\) en lugar de la altura \(h\). Recuerda que la generatriz corresponde a la hipotenusa del triángulo rectángulo que se forma con el radio, la altura y la generatriz del cono. No la confundas con la altura.

Cuando conozcas \(g\) y \(r\), puedes usar:

\[ h=\sqrt{g^2-r^2} \]

Ejemplo adicional

Calcula el volumen de un cono que tiene una altura \(h=8\text{ cm}\) y una generatriz \(g=10\text{ cm}\).

Solución:

Como conocemos la altura y la generatriz, primero encontramos el radio usando el Teorema de Pitágoras:

\[ g^2=r^2+h^2 \]

\[ r=\sqrt{g^2-h^2}=\sqrt{10^2-8^2}=\sqrt{100-64}=\sqrt{36}=6\text{ cm} \]

Ahora calculamos el volumen:

\[ \begin{aligned} V&=\frac{1}{3}\pi r^2h\\ &=\frac{1}{3}\pi(6)^2(8)\\ &=96\pi\text{ cm}^3\\ &\approx 301{,}59\text{ cm}^3 \end{aligned} \]

Respuesta: El volumen del cono es \(96\pi\text{ cm}^3\), aproximadamente \(301{,}59\text{ cm}^3\).

Nivel 4 – Ejercicio 12

Calcula el volumen de un cono cuyo radio es \(r=4\text{ cm}\) y cuya generatriz es \(g=5\text{ cm}\).

Nivel 4 – Ejercicio 13

Un cono tiene un radio \(r=6\text{ cm}\) y una generatriz \(g=10\text{ cm}\). Calcula su volumen.

Nivel 4 – Ejercicio 14

Un cono tiene una generatriz \(g=13\text{ cm}\) y un radio \(r=5\text{ cm}\). Determina su volumen.

¿Dónde vemos conos en el mundo real?

La fórmula del volumen del cono no es solo para el colegio. Se usa en ingeniería, diseño y estimaciones cotidianas. Por ejemplo, para:

  • calcular la cantidad de material en un montón de grava o arena;
  • diseñar embudos y boquillas;
  • estimar el volumen de estructuras con forma cónica;
  • calcular cuánto helado cabe en un barquillo.