12.3: Volumen de Sólidos Geométricos
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- Encuentra el volumen de sólidos geométricos.
- Encuentra el volumen de un sólido geométrico compuesto.
Introducción
Vivir en un mundo bidimensional sería bastante aburrido. Agradecidamente, todos los objetos físicos que ves y usas todos los días —computadoras, teléfonos, autos, zapatos— existen en tres dimensiones. Todos ellos tienen largo, ancho y alto. (Incluso los objetos muy delgados como una hoja de papel son tridimensionales. El grosor de una hoja de papel puede ser de una fracción de milímetro, pero sí existe).
En el mundo de la geometría, es común ver figuras tridimensionales. En matemáticas, un lado plano de una figura tridimensional se llama cara. Los poliedros son formas que tienen cuatro o más caras, siendo cada una un polígono. Estos incluyen cubos, prismas y pirámides. A veces incluso se pueden ver figuras individuales que son compuestos de dos de estas figuras. Echemos un vistazo a algunos poliedros comunes.
Identificación de Sólidos
El primer conjunto de sólidos contiene bases rectangulares. Echa un vistazo a la tabla a continuación, que muestra cada figura tanto en forma sólida como transparente.
| Nombre | Definición | Forma Sólida | Forma Transparente |
| Cube | Un poliedro de seis lados que tiene cuadrados congruentes como caras. |  |
 |
| Prisma rectangular | Un poliedro que tiene tres pares de caras congruentes, rectangulares y paralelas. |  |
 |
| Pyramid | Un poliedro con una base poligonal y una colección de caras triangulares que se encuentran en un punto. |  |
 |
Observe los diferentes nombres que se utilizan para estas figuras. Un cubo es diferente a un cuadrado, aunque a veces se confunden entre sí: un cubo tiene tres dimensiones, mientras que un cuadrado solo tiene dos. De igual manera, describirías una caja de zapatos como un prisma rectangular (no simplemente un rectángulo), y las antiguas pirámides de Egipto como... bueno, como pirámides (no triángulos).
En este siguiente conjunto de sólidos, cada figura tiene una base circular.
| Nombre | Definición | Forma Sólida | Forma Transparente |
| Cilindro | Una figura sólida con un par de bases circulares paralelas y una cara redonda y lisa entre ellas. |  |
 |
| Cono | Una figura sólida con una sola base circular y una cara redonda y lisa que disminuye a un solo punto. |  |
 |
Tómate un momento para comparar una pirámide y un cono. Observe que una pirámide tiene una base rectangular y caras planas y triangulares; un cono tiene una base circular y un cuerpo liso y redondeado.
Por último, veamos una forma que es única: una esfera.
| Nombre | Definición | Forma Sólida | Forma Transparente |
| Esfera | Una figura sólida y redonda donde cada punto de la superficie está a la misma distancia del centro. |  |
 |
Hay muchos objetos esféricos a tu alrededor: las pelotas de fútbol, las pelotas de tenis y las pelotas de beisbol son tres elementos comunes. Si bien pueden no ser perfectamente esféricas, generalmente se les conoce como esferas.
Una figura tridimensional tiene las siguientes propiedades:
- Tiene una base rectangular.
- Tiene cuatro caras triangulares.
¿Qué clase de sólido es?
Solución
Una base rectangular indica que debe ser un cubo, un prisma rectangular o una pirámide.
Dado que las caras son triangulares, debe ser una pirámide.
Respuesta: El sólido es una pirámide.
Volumen
Recordemos que el perímetro mide una dimensión (largo), y el área mide dos dimensiones (largo y ancho). Para medir la cantidad de espacio que ocupa una figura tridimensional, se utiliza otra medida llamada volumen.
Para visualizar qué mide el “volumen”, mire hacia atrás a la imagen transparente del prisma rectangular mencionado anteriormente (o simplemente piense en una caja de zapatos vacía). Imagina apilar cubos idénticos dentro de esa caja para que no haya huecos entre ninguno de los cubos. Imagínese llenar toda la caja de esta manera. Si contaras el número de cubos que caben dentro de ese prisma rectangular, tendrías su volumen.
El volumen se mide en unidades cúbicas. La caja de zapatos ilustrada anteriormente puede medirse en pulgadas cúbicas (generalmente representadas como\(\text{in}^3\) o\(\text{inches}^3\)), mientras que la Gran Pirámide de Egipto se mediría más apropiadamente en metros cúbicos (\(\text{m}^3\)o\(\text{meters}^3\)).
Para encontrar el volumen de un sólido geométrico, podrías crear una versión transparente del sólido, crear un montón de cubos 1x1x1 y luego apilarlos cuidadosamente dentro. Sin embargo, ¡eso llevaría mucho tiempo! Una forma mucho más fácil de encontrar el volumen es familiarizarse con algunas fórmulas geométricas y utilizarlas en su lugar.
Repasemos una vez más los sólidos geométricos y enumeremos la fórmula de volumen para cada uno.
Al mirar a través de la lista a continuación, puede notar que algunas de las fórmulas de volumen se parecen a sus fórmulas de área. Para encontrar el volumen de un prisma rectangular, se encuentra el área de la base y luego se multiplica eso por la altura.
| Nombre | Forma Transparente | Fórmula de volumen |
| Cube |  |
\(V a \cdot a \cdot a = a^3\) \(a\)= la longitud de un lado |
| Prisma rectangular |  |
\(V = l \cdot w \cdot h\) \(l\)= longitud \(w\)= ancho \(h\)= altura |
| Pyramid |  |
\(V = \dfrac{l \cdot w \cdot h}{3}\) \(l\)= longitud \(w\)= ancho \(h\)= altura |
Recuerda que todos los cubos son prismas rectangulares, por lo que la fórmula para encontrar el volumen de un cubo es el área de la base del cubo multiplicada por la altura.
Ahora veamos sólidos que tienen una base circular.
| Nombre | Forma Transparente | Fórmula de volumen |
| Cilindro |  |
\(V = \pi \cdot r^2 \cdot h\) \(r\)= radio \(h\)= altura |
| Cono |  |
\(V = \dfrac{\pi \cdot r^2 \cdot h}{3}\) \(r\)= radio \(h\)= altura |
Aquí\(\pi\) vuelve a ver el número.
El volumen de un cilindro es el área de su base,\(\pi r^2\), multiplicada por su altura,\(h\).
Compara la fórmula para el volumen de un cono (\(V = \dfrac{\pi \cdot r^2 \cdot h}{3}\)) con la fórmula para el volumen de una pirámide (\(V = \dfrac{l \cdot w \cdot h}{3}\)). El numerador de la fórmula de cono es la fórmula de volumen para un cilindro, y el numerador de la fórmula piramidal es la fórmula de volumen para un prisma rectangular. Luego divide cada uno por 3 para encontrar el volumen del cono y la pirámide. Buscar patrones y similitudes en las fórmulas puede ayudarte a recordar qué fórmula se refiere a un sólido dado.
Por último, a continuación se proporciona la fórmula para una esfera. Observe que el radio es cúbico, no cuadrado y que la cantidad\(\pi r^3\) se multiplica por\(\dfrac{4}{3}\).
| Nombre | Forma Wireframe | Fórmula de volumen |
| Esfera |  |
\(V = \dfrac{4}{3} \pi r^3\) \(r\)= radio |
Aplicando las Fórmulas Usted sabe identificar los sólidos, y también conoce las fórmulas de volumen para estos sólidos. Para calcular el volumen real de una forma dada, todo lo que necesita hacer es sustituir las dimensiones del sólido en la fórmula y calcular.
En los ejemplos siguientes, observe que se utilizan unidades cúbicas (\(\text{meters}^3\)\(\text{inches}^3\),,\(\text{feet }^3\)).
Encuentra el volumen de un cubo con longitudes laterales de 6 metros.
Solución
Identificar la fórmula adecuada a utilizar. \(a\)= longitud lateral
\(V = a \cdot a \cdot a = a^3\)
Sustituir\(a = 6\) en la fórmula.
\(V = 6 \cdot 6 \cdot 6 = 6^3\)
Calcular el volumen.
\(6 \cdot 6 \cdot 6 = 216\)
Recordemos, utilizamos unidades cúbicas con volumen.
Respuesta: Volumen =\(216 \text{ meters}^3\)
Encuentra el volumen de la forma que se muestra a continuación.
Solución
Identificar la forma. Tiene una base rectangular y se eleva a un punto, por lo que es una pirámide.
Identificar la fórmula adecuada a utilizar. \(l\)= largo,\(w\) = ancho y\(h\) = alto
\(V = \dfrac{l \cdot w \cdot h}{3}\)
Usa la imagen para identificar las dimensiones. \(4\)= largo\(3\) = ancho\(8\) = alto. Después sustituya\(l\) = 4,\(w\) = 3, y\(h\) = 8 en la fórmula.
\(V = \dfrac{4 \cdot 3 \cdot 8}{3}\)
Calcular el volumen.
\(V = \dfrac{96}{3}\)
\(= 32\)
Respuesta: El volumen de la pirámide es\(32 \text{ inches}^3\)
Encuentra el volumen de la forma que se muestra a continuación. Utilizar\(3.14\) para\(\pi\), y redondear la respuesta a la centésima más cercana.
Solución
Identificar la forma. Tiene una base circular y tiene espesor uniforme (o altura), por lo que es un cilindro.
Identificar la fórmula adecuada a utilizar.
\(V = \pi \cdot r^2 \cdot h\)
Usa la imagen para identificar las dimensiones. Después sustituya\(r = 7\) y\(h = 1\) en la fórmula.
\(V = \pi \cdot 7^2 \cdot 1\)
Calcular el volumen, utilizando\(3.14\) como aproximación para\(\pi\).
\(V = \pi \cdot 7^2 \cdot 1\)
\(= 49 \pi\)
\(≈ 153.86\)
Respuesta: El volumen es\(49 \pi\) o aproximadamente\(153.86 \text{ feet}^3\).
Encuentra el volumen de un prisma rectangular que mide 8 pulgadas de largo, 3 pulgadas de ancho y 10 pulgadas de alto.
Sólidos compuestos
Los sólidos geométricos compuestos están hechos de dos o más sólidos geométricos. También puede encontrar el volumen de estos sólidos, siempre y cuando pueda averiguar los sólidos individuales que componen la forma compuesta.
Mira la imagen de una cápsula a continuación. Cada extremo es una media esfera. Se puede encontrar el volumen del sólido desarmándolo. ¿En qué sólidos puedes romper esta forma?
Se puede romper en un cilindro y dos medias esferas.
Dos medias esferas forman una entera, así que si conoces las fórmulas de volumen para un cilindro y una esfera, puedes encontrar el volumen de esta cápsula.
Si el radio de los extremos esféricos es de 6 pulgadas, encuentra el volumen del sólido debajo. Usar\(3.14\) para\(\pi\). Redondea tu respuesta final al número entero más cercano.
Solución
Identificar los sólidos compuestos. Esta cápsula se puede considerar como un cilindro con una media esfera en cada extremo.
Identificar las fórmulas adecuadas a utilizar.
\(\text{Volume of a cylinder: } \pi \cdot r^2 \cdot h\)
\(\text{Volume of a sphere: } \dfrac{4}{3} \pi r^3\)
Sustituir las dimensiones en las fórmulas.
\(\text{Volume of a cylinder: } \pi \cdot 6^2 \cdot 24\)
\(\text{Volume of a sphere: } \dfrac{4}{3} \pi \cdot 6^3\)
La altura de un cilindro se refiere a la sección entre las dos bases circulares. Esta dimensión se da como 24 pulgadas, así\(h\) = 24. El radio de la esfera es de 6 pulgadas. Puedes usar\(r\) = 6 en ambas fórmulas.
\(\text{Volume of a cylinder: } \pi \cdot 36 \cdot 24\)
\(= 864 \cdot \pi\)
\(≈ 2712.96\)
Calcular el volumen del cilindro y la esfera.
\(\text{Volume of a sphere: } \dfrac{4}{3} \pi \cdot 216\)
\(= 288 \cdot \pi\)
\(≈ 904.32\)
Agregar los volúmenes.
\(\text{Volume of capsule: } 2712.96 + 904.32 ≈ 3617.28 \)
Respuesta: El volumen de la cápsula es\(1152 \pi\) o aproximadamente\(3617 \text{ inches}^3\).
Un escultor talla un prisma rectangular a partir de una pieza sólida de madera. Entonces, en la parte superior, ahuecó una pirámide invertida. El sólido, y sus dimensiones, se muestran a la derecha. ¿Cuál es el volumen de la pieza terminada?
Solución
Identificar los sólidos compuestos. Esta escultura puede pensarse como un prisma rectangular con una pirámide quitada.
Identificar las fórmulas adecuadas a utilizar.
\(\text{Volume of rectangular prism: } l \cdot w \cdot h\)
\(\text{Volume of pyramid: } \dfrac{l \cdot w \cdot h}{3}\)
Sustituir las dimensiones en las fórmulas, y calcular.
\(\text{Volume of rectangular prism: } 1 \cdot 1 \cdot 8 = 8\)
\(\text{Volume of pyramid: } \dfrac{1 \cdot 1 \cdot 2}{3} = \dfrac{2}{3}\)
Restar el volumen de la pirámide del volumen del prisma rectangular.
\(\text{Volume of sculpture: } V = 8 - \dfrac{2}{3} \)
\(= 7\dfrac{1}{3}\)
Respuesta: El volumen de la escultura es\(7\dfrac{1}{3} \text{ feet}^3\).
Una máquina toma un cilindro sólido con una altura de 9 mm y un diámetro de 7 mm y perfora un agujero a través de él. El agujero que crea tiene un diámetro de 3 mm. ¿Cuál de las siguientes expresiones encontraría correctamente el volumen del sólido?
A)\((\pi \cdot 7^2 \cdot 9) - (\pi \cdot 3^2 \cdot 9) \)
B)\((\pi \cdot 3.5^2 \cdot 9) - (\pi \cdot 1.5^2 \cdot 9) \)
C)\((\pi \cdot 7^2 \cdot 9) + (\pi \cdot 3^2 \cdot 9) \)
D)\((\pi \cdot 3.5^2 \cdot 9) + (\pi \cdot 1.5^2 \cdot 9) \)
Resumen
Los sólidos tridimensionales tienen longitud, anchura y altura. Se utiliza una medida llamada volumen para determinar la cantidad de espacio que ocupan estos sólidos. Para encontrar el volumen de un sólido geométrico específico, puede usar una fórmula de volumen que sea específica de ese sólido. En ocasiones, encontrarás sólidos geométricos compuestos. Se trata de sólidos que combinan dos o más sólidos básicos. Para encontrar el volumen de estos, identificar los sólidos más simples que componen la figura compuesta, encontrar los volúmenes de esos sólidos y combinarlos según sea necesario.
1. \(240 \text{ inches}^3 \); para encontrar el volumen del prisma rectangular, utilice la fórmula\(V = l \cdot w \cdot h\), y luego sustituya en los valores la longitud, anchura y altura. \(8 \text{ inches} \cdot 3 \text{ inches} \cdot 10 \text{ inches} = 240 \text{ inches}^3\).
2. B)\((\pi \cdot 3.5^2 \cdot 9) - (\pi \cdot 1.5^2 \cdot 9) \); encuentras el volumen de todo el cilindro multiplicando\(\pi \cdot 3.5^2 \cdot 9\), luego restas el cilindro vacío en el medio, que se encuentra multiplicando\(\pi \cdot 1.5^2 \cdot 9\).
Glosario
| triángulo agudo | Un ángulo que mide menos de 90º. | |||
| ángulo | Una figura formada por la unión de dos rayos con un punto final común. | |||
| zona | La cantidad de espacio dentro de una forma bidimensional, medida en unidades cuadradas. | |||
| circunferencia | La distancia alrededor de un círculo, calculada por la fórmula\(C = \pi d\). | |||
| ángulos complementarios | Dos ángulos cuyas medidas suman 90º. | |||
| cono | Una figura sólida con una sola base circular y una cara redonda y lisa que disminuye a un solo punto. | |||
| congruente | Tener el mismo tamaño y forma. | |||
| ángulos correspondientes | Ángulos de figuras separadas que se encuentran en la misma posición dentro de cada figura. | |||
| lados correspondientes | Lados de figuras separadas que son ángulos correspondientes opuestos. | |||
| cubo | Un poliedro de seis lados que tiene cuadrados congruentes como caras. | |||
| cilindro | Una figura sólida con un par de bases circulares paralelas y una cara redonda y lisa entre ellas. | |||
| diámetro | La longitud a través de un círculo, pasando por el centro del círculo. Un diámetro es igual a la longitud de dos radios. | |||
| triángulo equilátero | Un triángulo con 3 lados iguales. Los triángulos equiláteros también tienen tres ángulos que miden lo mismo. | |||
| cara | La superficie plana de una figura sólida. | |||
| hipotenusa | El lado opuesto al ángulo recto en cualquier triángulo rectángulo. La hipotenusa es el lado más largo de cualquier triángulo rectángulo. | |||
| trapecio isósceles | Un trapecio con un par de lados paralelos y otro par de lados opuestos que son congruentes. | |||
| triángulo isósceles | Un triángulo con 2 lados iguales y 2 ángulos iguales. | |||
| pierna, piernas | En un triángulo rectángulo, uno de los dos lados creando un ángulo recto. | |||
| línea | Una línea es una figura unidimensional, que se extiende sin fin en dos direcciones. | |||
| segmento de línea | Una sección finita de una línea entre dos puntos cualesquiera que se encuentran en la línea. | |||
| ángulo obtuso, ángulos obtusos | Un ángulo que mide más de 90º e inferior a 180º. | |||
| triángulo obtuso | Un triángulo con un ángulo que mide entre 90º y 180º. | |||
| líneas paralelas | Dos o más líneas que se encuentran en un mismo plano pero que nunca se cruzan. | |||
| paralelogramo, paralelogramos | Un cuadrilátero con dos pares de lados paralelos. | |||
| perimetral | La distancia alrededor de una forma bidimensional. | |||
| líneas perpendiculares | Dos líneas que se encuentran en un mismo plano y se cruzan en un ángulo de 90º. | |||
| pi | La relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro. Pi se denota con la letra griega\(\pi\). A menudo se aproxima como\(3.14\) o\(\dfrac{22}{7}\). | |||
| avión | En geometría, una superficie bidimensional que continúa infinitamente. Cualquier tres puntos individuales que no se encuentren en la misma línea se ubicarán exactamente en un plano. | |||
| punto | Un objeto de dimensión cero que define una ubicación específica en un plano. Está representado por un pequeño punto. | |||
| polígono, polígonos | Una figura plana cerrada con tres o más lados rectos. | |||
| poliedros, poliedros | Un sólido cuyas caras son polígonos. | |||
| pirámide, pirámides | Un poliedro con una base poligonal y una colección de caras triangulares que se encuentran en un punto. | |||
| Teorema de Pitágoras | La fórmula que relaciona las longitudes de los lados de cualquier triángulo rectángulo:\(a^2 + b^2 + c^2\), donde\(c\) está la hipotenusa,\(a\) y\(b\) son las patas del triángulo rectángulo. | |||
| cuadriláteros, cuadriláteros | Un polígono de cuatro lados. | |||
| radio | La distancia desde el centro de un círculo hasta cualquier punto del círculo. | |||
| ray | Una media línea que comienza en un punto y continúa para siempre en una dirección. | |||
| rectángulo | Un cuadrilátero con dos pares de lados paralelos y cuatro ángulos rectos. | |||
| prisma rectangular | Un poliedro que tiene tres pares de caras congruentes, rectangulares y paralelas. | |||
| rombo | Un cuadrilátero con cuatro lados congruentes. | |||
| ángulo recto | Un ángulo que mide exactamente 90º. | |||
| triángulo recto, triángulos rectos | Un triángulo que contiene un ángulo recto. | |||
| triángulo escaleno | Un triángulo en el que los tres lados tienen una longitud diferente. | |||
| similares | Tener la misma forma pero no necesariamente el mismo tamaño. | |||
| esfera | Una figura sólida y redonda donde cada punto de la superficie está a la misma distancia del centro. | |||
| cuadrado | Un cuadrilátero cuyos lados son todos congruentes y que tiene cuatro ángulos rectos. | |||
| ángulo recto | Un ángulo que mide exactamente 180º. | |||
| ángulos suplementarios | Dos ángulos cuyas medidas suman 180º. | |||
| trapecio | Un cuadrilátero con un par de lados paralelos. | |||
| triángulo | Un polígono con tres lados. | |||
| vértice | Un punto de inflexión en una gráfica. También el punto final de los dos rayos que forman un ángulo. | |||
| volumen | Una medida de cuánto se necesita para llenar una figura tridimensional. El volumen se mide en unidades cúbicas. | |||