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Secundaria

Poliedros y sólidos platónicos

Un cubo tiene cuadrados iguales en todas sus caras y el mismo encuentro de tres caras en cada esquina. Esa regularidad puede darse con otros polígonos, pero no con cualquiera ni de cualquier forma. Vamos a contar sus elementos y entender por qué solo hay cinco tipos de sólidos platónicos convexos. Cada dibujo representa uno de ellos, con ejemplos originales.

1. Contamos elementos del objeto entero, incluidas las partes ocultas

Una cara es un polígono plano de la superficie; una arista, la unión entre dos caras; un vértice, la esquina donde llegan aristas. Usaremos F para caras, E para aristas y V para vértices.

En el cubo, F = 6, E = 12 y V = 8.
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.

La perspectiva no muestra todas las caras de frente. Las aristas discontinuas pertenecen a la parte de atrás y también se cuentan. Un lado compartido por dos caras es una sola arista del sólido. Un vértice compartido por varias caras sigue siendo un solo vértice.

Las seis caras no son seis cubos

Un cubo tiene seis caras. ¿Cada cara aporta un volumen que debamos sumar?

  1. Qué es una cara

    Una figura plana, con área.

  2. Qué llena el cuerpo

    El volumen ocupa tres dimensiones.

  3. Distinguimos las magnitudes

    Las caras forman la frontera, no seis bloques de relleno.

Resultado

No; las caras se usan para contar superficie.

Lo comprobamos

Área y volumen tienen unidades cuadradas y cúbicas respectivamente.

Contar conexiones ocultas

Un dibujo solo deja ver siete de los ocho vértices del cubo. ¿Cambió el número V?

  1. Leemos el sólido, no solo la vista

    El octavo vértice está detrás.

  2. Contamos el objeto completo

    V = 8.
Resultado

No; sigue teniendo ocho vértices.

Lo comprobamos

Girar el punto de vista no cambia la estructura del cuerpo.

2. La regularidad platónica exige igualdad de caras y del encuentro en cada vértice

Trabajamos con poliedros convexos: el segmento entre dos puntos del cuerpo permanece dentro. Un sólido platónico tiene caras que son polígonos regulares congruentes y la misma disposición de caras en cada vértice. No basta que sus caras sean simplemente polígonos o que algunas coincidan.

Llamamos p al número de lados de cada cara y q al número de caras que llegan a cada vértice. En el cubo, p = 4 porque cada cara es un cuadrado, y q = 3 porque tres caras se encuentran en una esquina. Las letras p y q no son el total F de caras del cuerpo.

Un prisma triangular no es platónico: mezcla triángulos y rectángulos. Una caja rectangular que no sea cubo tampoco: sus caras no son cuadrados regulares todos congruentes.

Separar datos locales y total

En un cubo, ¿cuánto valen p, q y F?

  1. Lados de una cara

    p = 4.
  2. Caras en una esquina

    q = 3.
  3. Caras en todo el cuerpo

    F = 6.
Resultado

p = 4, q = 3 y F = 6.

Lo comprobamos

Las tres cantidades responden a preguntas distintas.

Una caja con caras rectangulares

Una caja mide 2 por 3 por 4 cm. ¿Es un sólido platónico?

  1. Miramos sus caras

    Son rectángulos de distintas dimensiones.

  2. Comprobamos regularidad

    No son polígonos regulares congruentes entre sí.

Resultado

No.

Lo comprobamos

Tener la misma forma general que una caja no basta para ser un cubo regular.

3. Un doble recuento convierte lados de caras en aristas del sólido

Si hay F caras y cada una tiene p lados, hemos contado pF lados de cara. Cada arista pertenece a dos caras, por lo que aparece dos veces.

Así pF = 2E.
Para hallar aristas desde caras: E = pF/2.

Si en cada vértice llegan q aristas, contamos qV extremos de arista. Cada arista tiene dos extremos, así que qV = 2E. En un poliedro convexo con el encuentro habitual, q caras en el vértice corresponde también a q aristas que llegan a él.

Por tanto V = 2E/q.

Dividir entre dos no es una regla decorativa: elimina una duplicación identificada. Cuando contamos desde vértices hay dos extremos por arista; cuando contamos desde caras hay dos caras por arista.

Octaedro a partir de sus caras

Un octaedro tiene ocho caras triangulares y cuatro caras en cada vértice. Halla E y V.

  1. Lados contados por caras

    3 · 8 = 24.
  2. Aristas distintas

    E = 24/2 = 12.
  3. Vértices

    V = 2 · 12/4 = 6.
Resultado

E = 12 y V = 6.

Lo comprobamos

Cada arista ha sido contada por dos caras y tiene dos extremos.

Dodecaedro a partir de pentágonos

Un dodecaedro tiene doce caras pentagonales y tres caras por vértice. Halla E y V.

  1. Aristas

    E = 5 · 12/2 = 30.
  2. Extremos de arista

    2E = 60.
  3. Agrupamos tres por vértice

    V = 60/3 = 20.
Resultado

E = 30 y V = 20.

Lo comprobamos

El cinco cuenta lados de cada cara; el tres cuenta el encuentro en cada esquina.

4. Euler relaciona los tres recuentos globales

Todo poliedro convexo cumple V − E + F = 2.
En el cubo: 8 − 12 + 6 = 2.

Esta igualdad sirve como comprobación o para deducir un recuento que falta, siempre que el objeto cumpla las hipótesis.

Para un sólido platónico, F = 2E/p y V = 2E/q.
Sustituimos ambas en Euler: 2E/q − E + 2E/p = 2.
Al sacar E como factor queda E(2/q + 2/p − 1) = 2.

Como E es positivo, el paréntesis también debe ser positivo.

Así obtenemos 1/p + 1/q > 1/2.

Todavía habrá que interpretar qué parejas enteras p, q pueden cumplirla. No hemos supuesto por un dibujo que existen infinitos sólidos regulares.

Revisar un recuento completo

Comprueba V = 20, E = 30 y F = 12 para el dodecaedro.

  1. Sustituimos

    20 − 30 + 12.

  2. Operamos

    −10 + 12 = 2.
Resultado

Cumple la relación de Euler.

Lo comprobamos

La igualdad complementa el recuento por caras; no reemplaza su justificación.

Despejar aristas de Euler

Un poliedro convexo tiene V = 12 y F = 20. Halla E.

  1. Escribimos la igualdad

    12 − E + 20 = 2.
  2. Reunimos

    32 − E = 2.
  3. Despejamos

    E = 30.
Resultado

Treinta aristas.

Lo comprobamos

12 − 30 + 20 = 2.

5. La suma de ángulos en una esquina debe dejar espacio para doblarse

Una cara regular de p lados tiene ángulo interior (p − 2) · 180°/p. En un vértice convexo se reúnen q caras y sus ángulos suman menos de 360°. Si sumaran exactamente 360°, se podrían quedar planos y no formarían una esquina convexa.

Cada cara tiene al menos tres lados y en cada vértice llegan al menos tres caras. Con triángulos, cada ángulo es 60°: pueden reunirse tres, cuatro o cinco; seis sumarían 360°. Con cuadrados, cada ángulo es 90°: solo tres, porque cuatro aplanan la esquina.

Con pentágonos, cada interior mide 108° y solo caben tres: 324°. Con hexágonos, el interior ya es 120°: tres dan 360°. Si p es mayor, el interior aumenta y tampoco funciona.

Solo quedan (p; q) = (3; 3), (3; 4), (3; 5), (4; 3), (5; 3).

Los cinco cuerpos dibujados muestran que esas posibilidades se realizan.

Cinco triángulos alrededor de una esquina

¿Por qué cinco triángulos equiláteros pueden formar un vértice convexo y seis no?

  1. Cinco ángulos

    5 · 60° = 300° < 360°.
  2. Seis ángulos

    6 · 60° = 360°.
  3. Interpretamos

    Con cinco queda margen para una esquina; con seis se completa el plano.

Resultado

Cinco dejan una esquina posible; seis no una esquina convexa platónica.

Lo comprobamos

La condición angular descarta parejas; los modelos concretos confirman las cinco que existen.

Cuatro pentágonos no caben en un vértice convexo

Compruébalo con sus ángulos interiores.

  1. Interior de un pentágono regular

    (5 − 2) · 180°/5 = 108°.
  2. Cuatro alrededor del vértice

    4 · 108° = 432°.
  3. Comparamos con una vuelta

    Supera 360°.

Resultado

No forman ese vértice convexo.

Lo comprobamos

Tres sí dan 324°, que corresponde al dodecaedro regular.

6. Las cinco posibilidades se distinguen por sus caras y sus esquinas

Tetraedro, octaedro e icosaedro tienen caras triangulares, pero juntan tres, cuatro y cinco caras por vértice respectivamente. Cubo y dodecaedro juntan tres caras por vértice, pero usan cuadrados y pentágonos.

Los dibujos mantienen las aristas reales de cada modelo tridimensional. La perspectiva cambia su apariencia en la pantalla; no cambia la regularidad del objeto. Los nombres con «edro» se relacionan con la cantidad de caras: tetra cuatro, octa ocho, dodeca doce e icosa veinte.

Tres maneras de ensamblar triángulos

Observa los tres sólidos con caras triangulares y relaciona cada uno con q.

  1. Tetraedro: tres triángulos en cada vértice

    p = 3, q = 3.

    Tiene cuatro caras, seis aristas y cuatro vértices.

    Tetraedro
    V = 4 · E = 6 · F = 4
    Tetraedro regular convexo. Cada cara tiene 3 lados y en cada vértice se encuentran 3 caras. Tiene 4 vértices, 6 aristas y 4 caras. Las líneas discontinuas representan conexiones posteriores; la perspectiva no altera los polígonos regulares del sólido.
  2. Octaedro: cuatro triángulos en cada vértice

    p = 3, q = 4.

    Tiene ocho caras, doce aristas y seis vértices.

    Octaedro
    V = 6 · E = 12 · F = 8
    Octaedro regular convexo. Cada cara tiene 3 lados y en cada vértice se encuentran 4 caras. Tiene 6 vértices, 12 aristas y 8 caras. Las líneas discontinuas representan conexiones posteriores; la perspectiva no altera los polígonos regulares del sólido.
  3. Icosaedro: cinco triángulos en cada vértice

    p = 3, q = 5.

    Tiene veinte caras, treinta aristas y doce vértices.

    Icosaedro
    V = 12 · E = 30 · F = 20
    Icosaedro regular convexo. Cada cara tiene 3 lados y en cada vértice se encuentran 5 caras. Tiene 12 vértices, 30 aristas y 20 caras. Las líneas discontinuas representan conexiones posteriores; la perspectiva no altera los polígonos regulares del sólido.
Resultado

Tetraedro q = 3; octaedro q = 4; icosaedro q = 5.

Lo comprobamos

Compartir el tipo de cara no fija cómo se reúnen en el espacio.

Cuadrados o pentágonos

Reconoce los otros dos sólidos platónicos.

  1. Cubo: tres cuadrados por vértice

    p = 4, q = 3.

    Tiene seis caras, doce aristas y ocho vértices.

    Cubo
    V = 8 · E = 12 · F = 6
    Cubo regular convexo. Cada cara tiene 4 lados y en cada vértice se encuentran 3 caras. Tiene 8 vértices, 12 aristas y 6 caras. Las líneas discontinuas representan conexiones posteriores; la perspectiva no altera los polígonos regulares del sólido.
  2. Dodecaedro: tres pentágonos por vértice

    p = 5, q = 3.

    Tiene doce caras, treinta aristas y veinte vértices.

    Dodecaedro
    V = 20 · E = 30 · F = 12
    Dodecaedro regular convexo. Cada cara tiene 5 lados y en cada vértice se encuentran 3 caras. Tiene 20 vértices, 30 aristas y 12 caras. Las líneas discontinuas representan conexiones posteriores; la perspectiva no altera los polígonos regulares del sólido.
Resultado

Cubo: cuadrados. Dodecaedro: pentágonos.

Lo comprobamos

Los dos usan q = 3, pero no tienen el mismo número total de caras.

7. La dualidad intercambia caras y vértices

Si marcamos el centro de cada cara de un sólido platónico y unimos centros de caras que comparten una arista, aparece su dual, tras ajustar la escala. Una cara original se convierte en un vértice del dual; un vértice original, en una cara. El número de aristas se conserva.

El cubo y el octaedro son duales: (V; E; F) pasa de (8; 12; 6) a (6; 12; 8). Dodecaedro e icosaedro también: (20; 30; 12) y (12; 30; 20). El tetraedro es dual de otro tetraedro. El par (p; q) se intercambia a (q; p).

Predecir los recuentos del dual

Un sólido platónico tiene 12 vértices, 30 aristas y 20 caras. ¿Cuáles son los recuentos de su dual?

  1. Caras pasan a vértices

    V dual = 20.
  2. Vértices pasan a caras

    F dual = 12.
  3. Aristas se conservan

    E dual = 30.
Resultado

V = 20, E = 30, F = 12: el dodecaedro.

Lo comprobamos

El original es el icosaedro; ambos cumplen Euler.

Leer el par local del dual

El cubo tiene (p; q) = (4; 3). ¿Qué indica (3; 4) para su dual?

  1. Primer valor

    Caras triangulares.

  2. Segundo valor

    Cuatro caras en cada vértice.

  3. Reconocemos el sólido

    Octaedro.

Resultado

El dual es el octaedro regular.

Lo comprobamos

No confundir cuatro caras por vértice con cuatro caras totales.

8. Para medir superficie sumamos caras; para volumen dividimos el interior

El área total es F veces el área de una cara porque son congruentes y no se solapan en su interior. Para un cubo, seis cuadrados; para un icosaedro, veinte triángulos equiláteros. Un desarrollo válido abre las caras sin superponerlas; tener el número correcto de piezas no basta para que cierre.

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.

Podemos dividir el interior de un sólido platónico uniendo su centro con cada cara. Resultan pirámides de bases que son las caras y altura común ρ, la distancia perpendicular del centro a una cara.

Sus volúmenes suman V = Sρ/3.

Esa ρ es el radio de la esfera inscrita, no la distancia del centro a un vértice.

Al escalar aristas por k, superficie por k² y volumen por k³. Euler y los recuentos no cambian: describen conexiones, no tamaños.

Área de un icosaedro

Su arista mide 2 cm. Halla su superficie total.

  1. Altura de una cara equilátera

    √(2² − 1²) = √3 cm.
  2. Área de una cara

    2 · √3/2 = √3 cm².
  3. Veinte caras

    S = 20√3 cm².
Resultado

Superficie total 20√3 cm².

Lo comprobamos

Todas las caras se han contado una vez.

Volumen de cubo como suma de pirámides

Un cubo tiene arista 2 cm. Usa su centro y sus seis caras para comprobar el volumen.

  1. Superficie

    S = 6 · 2² = 24 cm².
  2. Altura desde el centro a una cara

    ρ = 1 cm, la mitad de la arista.
  3. Suma de pirámides

    V = Sρ/3 = 24 · 1/3 = 8 cm³.
Resultado

Volumen 8 cm³.

Lo comprobamos

Coincide con 2³. Cada pirámide ocupa 4 · 1/3 cm³ y hay seis.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Contar en el icosaedro

Un icosaedro tiene 20 caras triangulares y 5 caras por vértice. Halla aristas y vértices.

  1. Leemos datos locales y globales

    F = 20 caras; cada una tiene p = 3 lados.
    En cada vértice se reúnen q = 5 caras.
  2. Contamos lados por caras

    pF = 3 · 20 = 60 incidencias.
  3. Cada arista se contó dos veces

    E = 60/2 = 30.
  4. Contamos extremos de arista

    2E = 60.

    Cinco llegan a cada vértice, así que V = 60/5 = 12.

  5. Comprobamos Euler

    12 − 30 + 20 = 2.
Resultado

E=30,V=12.

Lo comprobamos

12−30+20=2.

EJEMPLO RESUELTO 2

Por qué no hexágonos

¿Puede un sólido platónico convexo tener caras hexagonales?

  1. Ángulo de cada hexágono regular

    (6 − 2) · 180°/6 = 120°.
  2. Mínimo de caras por vértice

    Al menos tres.

  3. Tres ya completan una vuelta

    3 · 120° = 360°.

    No queda una esquina convexa.

  4. Más caras no lo arreglan

    Cuatro o más sumarían más de 360°.

  5. Concluimos dentro del alcance indicado

    No existe un sólido platónico convexo con caras hexagonales. La afirmación se refiere a este tipo de poliedros.

Resultado

No.

Lo comprobamos

Con más caras la suma superaría 360°.

Los símbolos que hemos usado

F
Número de caras del poliedro.
E
Número de aristas, cada una compartida por dos caras en una superficie cerrada ordinaria.
V
Número de vértices.
p
Número de lados de cada cara regular en un sólido platónico.
q
Número de caras que concurren en cada vértice platónico.
Convexo
Sólido que contiene el segmento entre cualesquiera dos de sus puntos.
ρ
Distancia común del centro a las caras de un sólido platónico.

Ahora te toca a ti.

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

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