8. Área o volumen: problemas integrados de la esfera

Área, volumen y semiesferas: problemas integrados

Objetivos de la página

  • Decidir cuándo corresponde usar área superficial y cuándo corresponde usar volumen.
  • Resolver problemas con esferas completas y semiesferas.
  • Distinguir entre área curva de una semiesfera y área total de una semiesfera con base circular.
  • Interpretar correctamente datos entregados como radio, diámetro o altura de un cilindro que contiene una esfera.

Fórmulas para la esfera completa

Para una esfera de radio \(r\):

\[ A_{\text{esfera}}=4\pi r^2 \]

\[ V_{\text{esfera}}=\frac{4}{3}\pi r^3 \]

El área se mide en unidades cuadradas y el volumen en unidades cúbicas.

Fórmulas para la semiesfera

Una semiesfera corresponde a la mitad de una esfera.

Su volumen es la mitad del volumen de la esfera completa:

\[ V_{\text{semiesfera}}=\frac{1}{2}\cdot \frac{4}{3}\pi r^3 \]

\[ V_{\text{semiesfera}}=\frac{2}{3}\pi r^3 \]

El área curva de una semiesfera corresponde solo a la parte redondeada:

\[ A_{\text{curva}}=2\pi r^2 \]

Si además se incluye la base circular, se suma el área del círculo de radio \(r\):

\[ A_{\text{base}}=\pi r^2 \]

Entonces, el área total de una semiesfera cerrada es:

\[ A_{\text{total}}=2\pi r^2+\pi r^2=3\pi r^2 \]

¿Qué fórmula usar?

Situación Se usa Fórmula
Pintar una esfera completa Área superficial de esfera \(A=4\pi r^2\)
Calcular cuánto aire contiene una esfera Volumen de esfera \(V=\frac{4}{3}\pi r^3\)
Pintar una cúpula semiesférica solo por fuera Área curva de semiesfera \(A=2\pi r^2\)
Recubrir una semiesfera incluyendo su base circular Área total de semiesfera \(A=3\pi r^2\)
Calcular la capacidad de un recipiente semiesférico Volumen de semiesfera \(V=\frac{2}{3}\pi r^3\)

Error común

En una semiesfera, no siempre se usa la misma área.

Si se pinta solo la parte redondeada, se usa:

\[ A_{\text{curva}}=2\pi r^2 \]

Si se recubre también la base circular, se usa:

\[ A_{\text{total}}=3\pi r^2 \]

Ejemplo 1: área curva de una cúpula semiesférica

Una cúpula semiesférica de radio \(6\ \text{m}\) será pintada solo por fuera. Calcula el área que debe pintarse.

Como se pinta solo la parte curva de una semiesfera, usamos:

\[ A_{\text{curva}}=2\pi r^2 \]

Reemplazamos \(r=6\):

\[ A_{\text{curva}}=2\pi\cdot 6^2 \]

\[ A_{\text{curva}}=2\pi\cdot 36 \]

\[ A_{\text{curva}}=72\pi \]

El área que debe pintarse es \(72\pi\ \text{m}^2\).

Ejemplo 2: área total de una semiesfera

Una pieza sólida con forma de semiesfera de radio \(5\ \text{cm}\) será recubierta completamente, incluyendo su base circular. Calcula el área total a recubrir.

Como se incluye la base circular, usamos:

\[ A_{\text{total}}=3\pi r^2 \]

Reemplazamos \(r=5\):

\[ A_{\text{total}}=3\pi\cdot 5^2 \]

\[ A_{\text{total}}=3\pi\cdot 25 \]

\[ A_{\text{total}}=75\pi \]

El área total a recubrir es \(75\pi\ \text{cm}^2\).

Ejemplo 3: volumen de una semiesfera

Un recipiente semiesférico tiene radio \(9\ \text{cm}\). Calcula su volumen.

Como se trata de media esfera, usamos:

\[ V_{\text{semiesfera}}=\frac{2}{3}\pi r^3 \]

Reemplazamos \(r=9\):

\[ V_{\text{semiesfera}}=\frac{2}{3}\pi\cdot 9^3 \]

\[ V_{\text{semiesfera}}=\frac{2}{3}\pi\cdot 729 \]

\[ V_{\text{semiesfera}}=486\pi \]

El volumen del recipiente es \(486\pi\ \text{cm}^3\).

Ejemplo 4: esfera inscrita en un cilindro

Una esfera está inscrita en un cilindro de altura \(16\ \text{cm}\). Calcula el área superficial y el volumen de la esfera.

Cuando una esfera está inscrita en un cilindro, la altura del cilindro coincide con el diámetro de la esfera.

\[ d=16\ \text{cm} \]

Por lo tanto:

\[ r=\frac{16}{2}=8 \]

Área superficial:

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

\[ A=4\pi\cdot 8^2=4\pi\cdot 64=256\pi \]

El área superficial es \(256\pi\ \text{cm}^2\).

Volumen:

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

\[ V=\frac{4}{3}\pi\cdot 8^3 \]

\[ V=\frac{4}{3}\pi\cdot 512=\frac{2048}{3}\pi \]

El volumen es \(\frac{2048}{3}\pi\ \text{cm}^3\).

Estrategia para problemas integrados

  1. Decide si la figura es una esfera completa o una semiesfera.
  2. Decide si se pide área o volumen.
  3. Si es área de una semiesfera, revisa si se incluye la base circular.
  4. Identifica si el dato entregado es radio o diámetro.
  5. Aplica la fórmula adecuada y escribe la unidad correcta.

Ejercicio 1

Indica qué fórmula corresponde usar en cada situación:

  1. Pintar completamente una esfera de radio \(r\).
  2. Calcular cuánto aire contiene una esfera de radio \(r\).
  3. Pintar solo la parte curva de una cúpula semiesférica de radio \(r\).
  4. Recubrir una semiesfera incluyendo su base circular.
  5. Calcular la capacidad de un recipiente semiesférico.

Ejercicio 2

Una pelota de radio \(7\ \text{cm}\) será cubierta completamente con tela. ¿Cuánta tela se necesita como mínimo?

Ejercicio 3

Un balón tiene diámetro \(18\ \text{cm}\). Calcula cuánto aire puede contener, suponiendo que tiene forma esférica.

Ejercicio 4

Una cúpula semiesférica tiene radio \(8\ \text{m}\). Se pintará solo su parte exterior curva. Calcula el área que debe pintarse.

Ejercicio 5

Una pieza con forma de semiesfera de radio \(6\ \text{cm}\) será recubierta completamente, incluyendo su base circular. Calcula el área total a recubrir.

Ejercicio 6

Un recipiente semiesférico tiene diámetro \(20\ \text{cm}\). Calcula su volumen.

Ejercicio 7

Una esfera tiene radio \(4\ \text{cm}\).

a) Calcula su área superficial.

b) Calcula su volumen.

c) Calcula el volumen de una semiesfera con el mismo radio.

Ejercicio 8

Una semiesfera tiene radio \(9\ \text{cm}\).

a) Calcula su área curva.

b) Calcula su área total, incluyendo la base circular.

c) Calcula su volumen.

Ejercicio 9

Una esfera está inscrita en un cilindro. La altura del cilindro es \(14\ \text{cm}\).

a) ¿Cuál es el radio de la esfera?

b) Calcula el área superficial de la esfera.

c) Calcula el volumen de la esfera.

Ejercicio 10

Una estudiante quiere calcular el área para pintar una cúpula semiesférica de radio \(5\ \text{m}\), pero usa:

\[ A=4\pi\cdot 5^2=100\pi \]

¿Cuál es el error? Corrige el cálculo si se pinta solo la parte curva de la cúpula.

Ejercicio 11

Un recipiente semiesférico tiene radio \(12\ \text{cm}\). Calcula su volumen aproximado usando \(\pi\approx 3{,}14\).

Ejercicio 12

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

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

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

c) ¿Por qué no se multiplican por la misma cantidad?

Síntesis final

Para resolver problemas con esferas y semiesferas, no basta con reemplazar datos en una fórmula. Primero hay que interpretar la situación.

Figura o situación Fórmula principal
Área de esfera completa \(A=4\pi r^2\)
Volumen de esfera completa \(V=\frac{4}{3}\pi r^3\)
Área curva de semiesfera \(A=2\pi r^2\)
Área total de semiesfera con base \(A=3\pi r^2\)
Volumen de semiesfera \(V=\frac{2}{3}\pi r^3\)