7. Volumen de la esfera: cálculo y aplicaciones

Objetivos de la página

  • Aplicar la fórmula \(V=\frac{4}{3}\pi r^3\) para calcular el volumen de una esfera.
  • Identificar si el dato entregado corresponde al radio o al diámetro.
  • Interpretar representaciones geométricas de esferas y esferas inscritas en cilindros.
  • Resolver problemas cotidianos y geométricos asociados al volumen de una esfera.

Fórmula del volumen de la esfera

Si una esfera tiene radio \(r\), su volumen se calcula mediante:

\[ V=\frac{4}{3}\pi r^3 \]

El volumen mide el espacio que ocupa la esfera, por eso se expresa en unidades cúbicas:

\[ \text{cm}^3,\quad \text{m}^3,\quad \text{mm}^3 \]

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 \(V=\frac{4}{3}\pi r^3\).
  4. Calcula \(r^3\).
  5. Multiplica por \(\frac{4}{3}\pi\).
  6. Escribe la respuesta en unidades cúbicas.

Errores frecuentes

  • Usar el diámetro como si fuera el radio.
  • Calcular \(r^2\) en vez de \(r^3\).
  • Olvidar el factor \(\frac{4}{3}\).
  • Escribir unidades cuadradas en vez de unidades cúbicas.

Ejemplo 1: volumen desde el radio

Calcula el volumen de una esfera de radio \(3\ \text{cm}\).

Usamos la fórmula:

\[ V=\frac{4}{3}\pi r^3 \]

Como \(r=3\), reemplazamos:

\[ V=\frac{4}{3}\pi \cdot 3^3 \]

\[ V=\frac{4}{3}\pi \cdot 27 \]

\[ V=36\pi \]

Por lo tanto, el volumen de la esfera es:

\[ 36\pi\ \text{cm}^3 \]

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

\[ V\approx 36\cdot 3{,}14=113{,}04\ \text{cm}^3 \]

Ejemplo 2: volumen desde el diámetro

Una esfera tiene diámetro \(10\ \text{m}\). Calcula su volumen.

Primero calculamos el radio:

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

\[ r=\frac{10}{2}=5 \]

Ahora aplicamos la fórmula del volumen:

\[ V=\frac{4}{3}\pi r^3 \]

\[ V=\frac{4}{3}\pi \cdot 5^3 \]

\[ V=\frac{4}{3}\pi \cdot 125 \]

\[ V=\frac{500}{3}\pi \]

El volumen de la esfera es:

\[ \frac{500}{3}\pi\ \text{m}^3 \]

Ejemplo 3: interpretar una representación

En la representación, el segmento verde va desde el centro \(O\) hasta la superficie de la esfera. Su longitud es \(4\ \text{cm}\).

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

\[ r=4\ \text{cm} \]

Entonces:

\[ V=\frac{4}{3}\pi r^3 \]

\[ V=\frac{4}{3}\pi \cdot 4^3 \]

\[ V=\frac{4}{3}\pi \cdot 64 \]

\[ V=\frac{256}{3}\pi \]

El volumen de la esfera es \(\frac{256}{3}\pi\ \text{cm}^3\).

¿Cuándo se usa el volumen de una esfera?

Se usa volumen cuando interesa medir el espacio interior o el espacio ocupado por un objeto esférico.

Situación Magnitud que se usa
Calcular cuánto aire contiene un balón Volumen
Calcular el espacio que ocupa una bolita sólida Volumen
Calcular cuánta agua cabe en un recipiente esférico Volumen
Calcular cuánta tela cubre una pelota Área superficial, no volumen

Ejercicio 1

Calcula el volumen de una esfera de radio \(2\ \text{cm}\).

Ejercicio 2

Calcula el volumen de una esfera de radio \(6\ \text{m}\).

Ejercicio 3

Una esfera tiene diámetro \(8\ \text{cm}\). Calcula su volumen.

Ejercicio 4

Una esfera tiene diámetro \(18\ \text{cm}\). Calcula su volumen.

Ejercicio 5

Observa la representación. El segmento verde desde el centro hasta la superficie mide \(5\ \text{cm}\).

a) ¿Qué representa el segmento verde?

b) Calcula el volumen de la esfera.

Ejercicio 6

Observa la representación. El segmento naranjo une dos puntos opuestos de la superficie, pasa por el centro y mide \(14\ \text{cm}\).

a) ¿Qué representa el segmento naranjo?

b) Calcula el volumen de la esfera.

Ejercicio 7

Una esfera está inscrita en un cilindro. La altura del cilindro es \(20\ \text{cm}\).

a) ¿Cuál es el diámetro de la esfera?

b) ¿Cuál es su radio?

c) Calcula el volumen de la esfera.

Ejercicio 8

Un balón tiene diámetro \(24\ \text{cm}\). Calcula aproximadamente cuánto aire puede contener, expresando primero el volumen exacto en términos de \(\pi\).

Ejercicio 9

Una esfera tiene radio \(4\ \text{cm}\). Calcula su volumen aproximado usando \(\pi \approx 3{,}14\).

Ejercicio 10

Una esfera tiene volumen \(288\pi\ \text{cm}^3\). Determina su radio.

Ejercicio 11

Dos esferas tienen radios \(3\ \text{cm}\) y \(6\ \text{cm}\).

a) Calcula el volumen de cada esfera.

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

Ejercicio 12

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

\[ V=\frac{4}{3}\pi \cdot 10^3=\frac{4000}{3}\pi \]

¿Cuál es el error? Corrige el procedimiento.

Para continuar

En la próxima página se resolverán problemas integrados, donde será necesario decidir si corresponde usar área superficial o volumen.