Libro de la esfera y sus elementos

3. Área de la superficie de la esfera: cálculo y aplicaciones

Objetivos de la página

  • Aplicar la fórmula \(A=4\pi r^2\) para calcular el área de la superficie de una esfera.
  • Identificar si el dato entregado corresponde al radio o al diámetro.
  • Resolver problemas geométricos y cotidianos asociados a recubrimiento, pintura o material exterior.
  • Expresar correctamente el resultado en unidades cuadradas.

Fórmula del área de la superficie de la esfera

Si una esfera tiene radio \(r\), el área de su superficie es:

\[ A=4\pi r^2 \]

Esta fórmula permite calcular la superficie exterior de la esfera, como si midiéramos la “piel” de una pelota.

Procedimiento de cálculo

  1. Identifica si el dato entregado es radio o diámetro.
  2. Si te entregan el diámetro, calcula primero \(r=\frac{d}{2}\).
  3. Reemplaza el radio en la fórmula \(A=4\pi r^2\).
  4. Calcula la potencia \(r^2\).
  5. Multiplica por \(4\pi\).
  6. Escribe la respuesta en unidades cuadradas.

Errores frecuentes

  • Usar el diámetro como si fuera el radio.
  • Olvidar elevar el radio al cuadrado.
  • Escribir unidades lineales o cúbicas en vez de unidades cuadradas.
  • Confundir área superficial con volumen.

Ejemplo 1: área desde el radio

Una esfera tiene radio \(6\ \text{cm}\). Calcula el área de su superficie.

Usamos la fórmula:

\[ A=4\pi r^2 \]

Como \(r=6\), reemplazamos:

\[ A=4\pi \cdot 6^2 \]

\[ A=4\pi \cdot 36 \]

\[ A=144\pi \]

Por lo tanto, el área de la superficie de la esfera es:

\[ 144\pi\ \text{cm}^2 \]

Si se usa \(\pi \approx 3{,}14\), entonces:

\[ A \approx 144\cdot 3{,}14=452{,}16\ \text{cm}^2 \]

Ejemplo 2: área desde el diámetro

Una esfera tiene diámetro \(14\ \text{m}\). Calcula el área de su superficie.

Primero calculamos el radio:

\[ r=\frac{d}{2} \]

\[ r=\frac{14}{2}=7 \]

Ahora aplicamos la fórmula:

\[ A=4\pi r^2 \]

\[ A=4\pi \cdot 7^2 \]

\[ A=4\pi \cdot 49 \]

\[ A=196\pi \]

El área de la superficie de la esfera es:

\[ 196\pi\ \text{m}^2 \]

Ejemplo 3: interpretar una representación

En la representación 3D, el segmento verde va desde el centro \(O\) hasta la superficie de la esfera. Su longitud es \(8\ \text{cm}\).

Como el segmento va desde el centro hasta la superficie, representa el radio:

\[ r=8\ \text{cm} \]

Entonces:

\[ A=4\pi r^2 \]

\[ A=4\pi \cdot 8^2 \]

\[ A=4\pi \cdot 64 \]

\[ A=256\pi \]

El área de la superficie es \(256\pi\ \text{cm}^2\).

¿Cuándo se usa el área de una esfera?

Se usa área cuando interesa medir o cubrir la parte exterior de un objeto esférico.

Situación Magnitud que se usa
Pintar una esfera decorativa Área superficial
Cubrir una pelota con tela Área superficial
Forrar una esfera con papel Área superficial
Saber cuánto aire cabe dentro de un balón Volumen, no área

Ejercicio 1

Calcula el área de la superficie de una esfera de radio \(3\ \text{cm}\).

Ejercicio 2

Calcula el área de la superficie de una esfera de radio \(10\ \text{m}\).

Ejercicio 3

Una esfera tiene diámetro \(12\ \text{cm}\). Calcula el área de su superficie.

Ejercicio 4

Una esfera tiene diámetro \(30\ \text{mm}\). Calcula el área de su superficie.

Ejercicio 5

Observa la representación. El segmento verde desde el centro hasta la superficie mide \(7\ \text{cm}\).

a) ¿Qué representa el segmento verde?

b) Calcula el área de la superficie de la esfera.

Ejercicio 6

Observa la representación. El segmento naranjo une dos puntos opuestos de la superficie, pasa por el centro y mide \(18\ \text{cm}\).

a) ¿Qué representa el segmento naranjo?

b) Calcula el área de la superficie de la esfera.

Ejercicio 7

Una pelota será cubierta completamente con tela. Su radio es \(9\ \text{cm}\).

¿Cuánta tela se necesita como mínimo, sin considerar costuras ni pérdidas?

Ejercicio 8

Una esfera decorativa de diámetro \(40\ \text{cm}\) será pintada completamente.

Calcula el área que debe pintarse.

Ejercicio 9

Una esfera tiene área superficial \(256\pi\ \text{cm}^2\).

Determina su radio.

Ejercicio 10

Dos esferas tienen radios \(4\ \text{cm}\) y \(8\ \text{cm}\).

a) Calcula el área superficial de cada esfera.

b) ¿Cuántas veces mayor es el área de la segunda esfera?

Ejercicio 11

Una estudiante calcula el área de una esfera de diámetro \(10\ \text{cm}\) así:

\[ A=4\pi \cdot 10^2=400\pi \]

¿Cuál es el error? Corrige el procedimiento.

Ejercicio 12

Una esfera tiene radio \(12\ \text{cm}\). Calcula su área superficial aproximada usando \(\pi \approx 3{,}14\).

Para continuar

En la próxima página se usará una comparación con un cilindro para conjeturar la fórmula del volumen de la esfera.