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Secundaria

Poliedros y cuerpos de revolución

Una caja ocupa espacio; su cartón solo lo rodea. Un dibujo en la pantalla representa esa forma con perspectiva y puede esconder partes detrás. Vamos a reconocer cuerpos, nombrar sus elementos y contarlos sin olvidar lo oculto. Después será más fácil decidir qué medidas necesitamos para cubrirlos o llenarlos.

1. El cuerpo ocupa espacio y su superficie forma el límite exterior

Imagina una caja cerrada: el espacio que encierra pertenece a su interior. La superficie es el límite que lo separa del exterior. El volumen mide cuánto espacio ocupa; el área de superficie mide cuánto material haría falta para recubrirlo, sin contar grosor ni desperdicios.

Las líneas discontinuas muestran aristas ocultas
3 cm2 cm2 cm
3 posiciones por fila, 2 filas por capa y 2 capas: 12 cubos unidad. Las dimensiones indicadas en centímetros corresponden a un volumen de 12 cm³. Las líneas discontinuas representan bordes que quedan detrás.

Un cuadrado es una figura plana; un cubo es un cuerpo tridimensional. En el dibujo, la cara frontal se ve de frente y las otras en perspectiva. Una cara cuadrada puede parecer un paralelogramo en la pantalla: eso no la convierte en una cara de otra forma.

¿Cubrir o llenar?

Quieres pintar una caja por fuera y saber cuánta arena cabe dentro. ¿Qué magnitud sirve en cada caso?

  1. Para pintar

    Contamos superficie: unidades cuadradas.

  2. Para la arena

    Contamos espacio interior: unidades cúbicas.

Resultado

Área exterior para pintar; volumen interior para llenar.

Lo comprobamos

Una misma caja tiene ambas medidas, con unidades diferentes.

Leer la perspectiva

En un dibujo de un cubo, una cara lateral parece estrecha. ¿Es un rectángulo más pequeño que la frontal?

  1. Leemos qué cuerpo se da

    Un cubo tiene seis caras cuadradas congruentes.

  2. Interpretamos la imagen

    La perspectiva hace que una cara se vea acortada.

Resultado

No; sigue siendo un cuadrado del mismo tamaño.

Lo comprobamos

Las medidas se toman de los datos del problema, no de los píxeles de la perspectiva.

2. Caras, aristas y vértices son partes diferentes de un poliedro

Un poliedro tiene superficie formada por polígonos planos. Cada pieza poligonal es una cara. La línea donde se encuentran dos caras es una arista. Las esquinas donde llegan aristas son vértices. En el cubo: seis caras, doce aristas y ocho vértices.

Las partes ocultas también pertenecen al cubo
6 caras · 12 aristas · 8 vértices
El cubo tiene seis caras cuadradas, doce aristas y ocho vértices. Los puntos señalan sus ocho vértices; algunas aristas ocultas se muestran discontinuas. No se cuentan solo las tres caras visibles.

Las líneas discontinuas representan aristas que quedan detrás. Siguen perteneciendo al cuerpo. Para contar, distinguimos los elementos aunque el dibujo no los muestre todos de forma continua. Una misma arista compartida por dos caras se cuenta una vez, no dos.

Podemos revisar el cubo por grupos: cuatro vértices delante y cuatro detrás; cuatro aristas delante, cuatro detrás y cuatro que conectan ambas caras. La superficie tiene delante, detrás, izquierda, derecha, arriba y abajo: seis caras.

No duplicar una arista compartida

Se cuentan cuatro lados en cada una de las seis caras de un cubo: 6 · 4 = 24. ¿Tiene 24 aristas?

  1. Revisamos qué se ha contado

    Cada arista aparece como lado de dos caras.

  2. Quitamos la duplicación

    24/2 = 12.
Resultado

Tiene doce aristas.

Lo comprobamos

El recuento de incidencias cara-arista era veinticuatro; el de aristas distintas es doce.

No contar solo lo visible

En una vista del cubo se distinguen tres caras. ¿Faltan las otras tres?

  1. Interpretamos la perspectiva

    Las restantes están detrás o abajo.

  2. Contamos el objeto completo

    Seis caras aunque no veamos todas de frente.

Resultado

El cubo conserva sus seis caras.

Lo comprobamos

La visibilidad depende del punto de vista; el número de elementos no.

3. Un prisma tiene dos bases que se conectan vértice con vértice

Las bases de un prisma son polígonos congruentes, paralelos y trasladados uno respecto del otro. Cada vértice de una base se conecta con el correspondiente de la otra. Si los bordes de conexión son perpendiculares a las bases, el prisma es recto y sus caras laterales son rectángulos.

Si está inclinado, esas caras son paralelogramos.

Dos triángulos y tres caras que los conectan
ABCA′B′C′2 bases + 3 laterales = 5 caras
Prisma triangular representado en perspectiva. ABC y A prima B prima C prima son bases congruentes y paralelas. Hay seis vértices, tres aristas por base y tres conexiones: nueve aristas. Las tres caras laterales son rectángulos en el prisma recto, aunque se vean deformadas por la perspectiva. La arista discontinua queda detrás.

El nombre depende de la forma de la base: triangular, cuadrangular, pentagonal… No depende de cómo lo apoyemos sobre la mesa. Un prisma triangular tiene dos bases triangulares y tres laterales: cinco caras en total.

Con n lados en cada base, hay 2n vértices, n + n + n = 3n aristas y n + 2 caras. Las tres familias de aristas son las de una base, las de la otra y las que conectan correspondientes.

Un prisma de cinco lados en cada base

Cuenta vértices, aristas y caras de un prisma pentagonal.

  1. Vértices

    Cinco en cada base: 2 · 5 = 10.
  2. Aristas

    Cinco abajo, cinco arriba y cinco conexiones: 15.

  3. Caras

    Dos bases y cinco laterales: siete.

Resultado

10 vértices, 15 aristas y 7 caras.

Lo comprobamos

10 − 15 + 7 = 2; además el recuento está justificado por grupos.

La orientación no cambia el nombre

Un prisma triangular se apoya sobre una cara rectangular. ¿Se convierte en un prisma rectangular?

  1. Buscamos el par que define sus bases

    Los dos triángulos congruentes paralelos.

  2. Distinguimos apoyo y estructura

    La cara apoyada no obliga a renombrar el prisma.

Resultado

Sigue siendo un prisma triangular.

Lo comprobamos

Sus cinco caras y sus dos triángulos no cambian al girarlo.

4. Una pirámide reúne sus caras laterales en un solo ápice

Una pirámide tiene una base poligonal y un vértice exterior al plano de esa base, llamado ápice. Cada lado de la base se une al ápice formando una cara triangular. No hay una segunda base paralela como en el prisma.

La altura del cuerpo no es la altura de su cara
ABCDSOhaₗMh: interior · aₗ: altura de una cara
Pirámide regular de base cuadrada ABCD y ápice S. La altura h va perpendicularmente de S al centro O de la base. La apotema lateral a sub l va desde S al punto medio M de un lado de la base; es la altura de esa cara triangular. Se muestran las aristas ocultas discontinuas. El esquema en perspectiva distingue los dos segmentos; no mide sus longitudes por apariencia.

Si la base tiene n lados, contamos n vértices en ella y uno arriba: n + 1. Las aristas son n en la base y n hacia el ápice: 2n. Las caras son una base y n triángulos: n + 1. Una pirámide regular tiene base regular y el ápice sobre su centro.

La altura del cuerpo va perpendicularmente del ápice al plano de la base. La apotema lateral de una pirámide regular es la altura de una cara triangular: llega al punto medio de un lado de la base. Son segmentos distintos; no intercambiamos sus medidas.

Base hexagonal

Cuenta los elementos de una pirámide hexagonal.

  1. Vértices

    Seis de la base más el ápice: siete.

  2. Aristas

    Seis de base y seis laterales: doce.

  3. Caras

    Una base y seis triángulos: siete.

Resultado

7 vértices, 12 aristas y 7 caras.

Lo comprobamos

7 − 12 + 7 = 2.

Altura y cara no llegan al mismo sitio

En una pirámide regular, un segmento va del ápice al centro de la base y otro al punto medio de un lado. ¿Cuál es la apotema lateral?

  1. Reconocemos el primero

    Es la altura perpendicular del cuerpo.

  2. Reconocemos el segundo

    Está contenido en una cara triangular y es su altura.

Resultado

El segundo es la apotema lateral.

Lo comprobamos

Para el volumen usaremos la altura del cuerpo; para el área lateral, la altura de la cara.

5. La relación de Euler comprueba recuentos en poliedros convexos

Un cuerpo es convexo si el segmento que une cualesquiera dos puntos del cuerpo permanece entero dentro de él. Una caja y una pirámide habitual son convexas; un cuerpo con un túnel puede no serlo. Para cualquier poliedro convexo se cumple V − E + F = 2, donde V cuenta vértices, E aristas y F caras.

En el prisma triangular: 6 − 9 + 5 = 2.

La igualdad es una comprobación útil y puede ayudar a hallar un dato que falta, pero no sustituye a reconocer caras y conexiones. Un recuento equivocado en dos sitios podría compensarse y seguir dando dos.

No aplicamos esta versión de Euler sin revisar las hipótesis. No estamos contando superficies curvas como si fueran caras poligonales ni usando sin más la misma igualdad en objetos con agujeros.

Hallar una cantidad que falta

Un poliedro convexo tiene 10 vértices y 7 caras. ¿Cuántas aristas tiene?

  1. Sustituimos en Euler

    10 − E + 7 = 2.
  2. Reunimos cantidades

    17 − E = 2.
  3. Despejamos

    E = 15.
Resultado

Tiene quince aristas.

Lo comprobamos

10 − 15 + 7 = 2.

Una comprobación necesaria no detecta todo

Alguien cuenta 7 vértices, 10 aristas y 5 caras en un prisma triangular. Su cuenta da dos. ¿Ya es correcta?

  1. Comprobamos la igualdad

    7 − 10 + 5 = 2.
  2. Volvemos a la estructura

    Dos bases de tres vértices dan seis, no siete; las aristas son nueve.

  3. Interpretamos

    Dos errores se habían compensado.

Resultado

No; los recuentos correctos son 6, 9 y 5.

Lo comprobamos

Euler comprueba una relación, no identifica por sí sola cada elemento del cuerpo.

6. Cilindro y cono tienen bases circulares y superficie lateral curva

En un cilindro circular recto hay dos bases que son discos congruentes paralelos y una superficie lateral curva. Su altura mide la separación perpendicular entre las bases. El radio pertenece a cada disco y va desde su centro hasta la circunferencia. Una lata ideal ayuda a reconocerlo.

Una lata, un cucurucho ideal y una pelota ayudan a reconocer cuerpos
CilindroConoEsferaDos basesUna baseSin caras planasLa línea de la esfera representa una vista.
El cilindro tiene dos bases circulares y una superficie lateral curva. El cono tiene una base circular y una punta. La esfera no tiene caras planas: la elipse discontinua solo ayuda a representar su curvatura y no es una arista.

Un cono circular recto tiene una base disco y una punta sobre su centro. La altura baja perpendicularmente al centro de la base; la generatriz une la punta con un punto de la circunferencia por el lateral. Un cono no es una pirámide con «muchísimas caras»: su lateral es curvo, no un conjunto finito de triángulos planos.

Pueden obtenerse girando figuras planas: un rectángulo alrededor de uno de sus lados forma un cilindro; un triángulo rectángulo alrededor de un cateto, un cono. El lado o cateto elegido como eje determina la altura; el perpendicular determina el radio.

Identificar el cuerpo por sus superficies

Un objeto ideal tiene dos discos paralelos congruentes y una superficie curva que los conecta. ¿Qué cuerpo es?

  1. Contamos bases

    Hay dos, no una.

  2. Leemos su forma

    Son discos y el lateral es curvo.

Resultado

Es un cilindro circular.

Lo comprobamos

En el cilindro recto el eje es perpendicular a las bases.

Elegir el eje de giro

Un rectángulo de lados 3 y 7 cm gira alrededor del lado de 7. ¿Qué radio y altura tiene el cilindro?

  1. Lado que queda como eje

    Siete centímetros: altura.

  2. Distancia perpendicular al eje

    Tres centímetros: radio.

Resultado

Radio 3 cm y altura 7 cm.

Lo comprobamos

Si girara alrededor del lado de tres, las medidas intercambiarían sus papeles.

7. La esfera se reconoce por la distancia común a su centro

La superficie esférica reúne los puntos del espacio a distancia r de un centro O. El sólido que incluye también el interior es la bola; en ejercicios elementales «esfera» suele usarse para ese cuerpo completo. El contexto indica si medimos su superficie o su volumen.

Un diámetro atraviesa el centro y contiene dos radios
OrDiámetro = 2r
Representación de una esfera de radio r. El diámetro horizontal atraviesa su centro O y mide dos r. Un radio une O a un punto de la superficie. La elipse discontinua representa una circunferencia máxima vista en perspectiva; no es una arista ni una cara plana.

Un radio une el centro con la superficie. Un diámetro pasa por el centro y une dos puntos opuestos: mide 2r. La línea ovalada del dibujo ayuda a representar la curvatura; no divide la esfera en caras planas ni es una arista.

Un desarrollo plano abre una superficie por cortes sin estirarla. Un cubo admite un desarrollo de seis cuadrados; el lateral de un cilindro puede abrirse en rectángulo y el de un cono en sector circular. Una superficie esférica completa no puede aplanarse exactamente sin deformación ni recortes que alteren ese ajuste.

Del diámetro al radio

Una esfera tiene diámetro 18 cm. ¿Cuál es su radio?

  1. El diámetro contiene dos radios

    18 = 2r.
  2. Dividimos entre dos

    r = 9 cm.
Resultado

El radio es nueve centímetros.

Lo comprobamos

No usamos dieciocho como radio al calcular áreas o volúmenes.

Qué cuenta un desarrollo de cubo

Un desarrollo válido tiene seis cuadrados iguales de lado dos centímetros. ¿Qué describe?

  1. Cada cuadrado es una cara

    Son seis piezas de superficie.

  2. Distinguimos magnitudes

    Permiten calcular área exterior: 6 · 2² = 24 cm².
  3. No sumamos volúmenes de caras

    Una cara plana no es un cubito de relleno.

Resultado

Describe las seis caras; su área total es 24 cm².

Lo comprobamos

La forma plana se pliega por sus aristas sin estirar sus caras.

8. Un desarrollo debe cerrar sin solapar caras

No cualquier grupo de seis cuadrados forma un cubo al plegarse. La disposición tiene que permitir que cada cara ocupe un sitio distinto, sin que dos tapen la misma posición y sin dejar un hueco. Las uniones son las líneas de plegado.

Un desarrollo válido del cubo
123456Seis cuadrados que pueden cerrar un cubo
Seis cuadrados iguales forman un desarrollo: cuatro en una fila, con uno arriba y otro abajo del segundo de la fila. Al plegar por las uniones se obtienen seis caras sin superposición. Los números identifican caras, no longitudes.

En este desarrollo hay cuatro cuadrados seguidos y uno arriba y otro abajo del segundo. Los cuatro de la fila forman una banda lateral; las otras dos piezas cierran los extremos. Los números identifican caras, no tamaños de lado.

Seis piezas no garantizan el cierre

¿Seis cuadrados colocados todos en una única fila pueden cerrar las seis caras de un cubo?

  1. Seguimos el plegado de la banda

    Cuatro forman ya el lateral alrededor del cubo.

  2. Revisamos los otros dos

    Al seguir la fila no se convierten en tapas de los extremos.

Resultado

No; ese desarrollo en fila no cierra un cubo sin solapamientos.

Lo comprobamos

No basta contar seis: hace falta revisar su disposición.

Relacionar dos medidas del mismo cuerpo

Un cubo tiene arista tres centímetros. ¿Qué forma y área tiene cada pieza de su desarrollo?

  1. Forma de cara

    Un cuadrado de lado tres.

  2. Área por pieza

    3² = 9 cm².
  3. Seis piezas

    6 · 9 = 54 cm².
Resultado

Cada pieza es un cuadrado de 9 cm²; juntas, 54 cm².

Lo comprobamos

El desarrollo conserva el área de la superficie al abrirla.

9. Clasificar bien evita elegir una fórmula para otro cuerpo

Antes de calcular, buscamos bases, laterales y puntas. Distinguimos poliedros de cuerpos con superficie curva; dentro de los poliedros, prismas y pirámides. Después nombramos radio, altura perpendicular, generatriz o apotema según corresponda.

La elección de base afecta a cómo describimos una caja, pero no a su volumen. Si un prisma está inclinado, su altura es la distancia perpendicular entre bases y no la arista lateral inclinada. Para área exterior habrá que estudiar las caras reales. Un dibujo por sí solo no autoriza a tratar toda arista como una altura.

Comparar prisma y pirámide

Dos cuerpos tienen base pentagonal. Uno tiene otra base paralela congruente; el otro termina en una punta. Clasifícalos.

  1. Dos bases

    Prisma pentagonal.

  2. Una base y ápice común

    Pirámide pentagonal.

  3. Revisamos caras laterales

    Paralelogramos en el prisma; triángulos en la pirámide.

Resultado

Prisma pentagonal y pirámide pentagonal.

Lo comprobamos

Compartir la misma base no los convierte en el mismo cuerpo.

Altura perpendicular en un prisma inclinado

Un prisma oblicuo tiene arista lateral de 10 cm y separación perpendicular de bases de 8 cm. ¿Qué altura se usa en V = área de base · altura?

  1. Leemos la definición de altura

    La distancia perpendicular entre los planos de base.

  2. Elegimos la medida correspondiente

    Ocho, no diez.

Resultado

La altura es ocho centímetros.

Lo comprobamos

La inclinación puede aumentar la arista lateral sin aumentar igual la separación de las bases.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Prisma triangular

Cuenta caras, aristas y vértices de un prisma triangular.

  1. Reconocemos dos bases triangulares

    Cada una tiene tres vértices y tres aristas.

  2. Contamos vértices

    3 + 3 = 6.
  3. Contamos aristas de bases

    3 + 3 = 6.
  4. Añadimos conexiones

    Tres aristas unen correspondientes: 6 + 3 = 9.
  5. Contamos caras

    Dos triángulos y tres laterales: cinco.

  6. Comprobamos Euler

    6 − 9 + 5 = 2.
Resultado

6 vértices, 9 aristas, 5 caras.

Lo comprobamos

6−9+5=2.

EJEMPLO RESUELTO 2

Pirámide cuadrangular

Cuenta elementos de una pirámide de base cuadrada.

  1. Reconocemos base y ápice

    La base cuadrada tiene cuatro vértices y cuatro lados.

  2. Vértices

    Cuatro de base más uno del ápice: cinco.

  3. Aristas

    Cuatro de base más cuatro laterales: ocho.

  4. Caras

    Un cuadrado más cuatro triángulos: cinco.

  5. Comprobamos Euler

    5 − 8 + 5 = 2.
Resultado

V=5,E=8,F=5.

Lo comprobamos

5−8+5=2.

Los símbolos que hemos usado

V
Número de vértices de un poliedro.
E
Número de aristas rectas de un poliedro.
F
Número de caras poligonales del poliedro.
n
Número de lados de la base de un prisma o una pirámide.
Ápice
Vértice de una pirámide situado fuera del plano de la base.
Altura
Distancia perpendicular entre bases o desde el ápice al plano de base.
Eje de revolución
Recta alrededor de la que gira la figura generadora.
V−E+F=2
Relación de Euler para todo poliedro convexo.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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