appunti di geometria solida - Liceo Statale Aprosio
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APPUNTI DI GEOMETRIA SOLIDA<br />
Geometria piana: (planimetria) stu<strong>di</strong>o delle figure i cui punti stanno tutti su un piano<br />
Geometria <strong>solida</strong>: (stereometria) stu<strong>di</strong>o delle figure i cui punti non giacciono tutti su uno<br />
stesso piano (figure solide)<br />
Spazio: insieme costituito da infiniti elementi detti punti: è dotato <strong>di</strong> sottoinsiemi propri<br />
(rette e piani)<br />
Spazio piano e retta sono gli elementi primitivi della <strong>geometria</strong>.<br />
RETTE (assiomi)<br />
A1 ogni retta è un sottoinsieme proprio infinito dello spazio, in<strong>di</strong>viduato da una coppia <strong>di</strong><br />
punti <strong>di</strong>stinti<br />
A2 ogni retta è dotata <strong>di</strong> due versi, uno opposto all’altro rispetto ai quali è aperta, densa e<br />
illimitata<br />
A3 ogni piano è sottoinsieme proprio infinito dello spazio in<strong>di</strong>viduato da tre punti non<br />
allineati. Se una retta ha due punti in comune con un piano essa è inclusa nel piano<br />
Conseguenze dei tre assiomi:<br />
C1 per una retta r e per un punto P non appartenente a r passa uno e un solo piano cui<br />
entrambi appartengono<br />
C2 Per due rette incidenti passa uno e un solo piano<br />
A4 (assioma <strong>di</strong> partizione del piano) Ogni retta r <strong>di</strong> un piano <strong>di</strong>vide l’insieme degli ulteriori<br />
suoi punti in due parti non vuote, tali che:<br />
• Se i punti A e B appartengono a parti <strong>di</strong>verse il segmento AB taglia la retta r in un<br />
punto<br />
• Se i punti C e D appartengono alla stessa parte, allora anche il segmento CD è<br />
incluso in questa<br />
RETTE (nello spazio)<br />
RETTE INCIDENTI: hanno un solo punto in comune (giacciono sullo stesso piano)<br />
RETTE PARALLELE : o sono coincidenti o giacciono sullo stesso piano e non hanno punti<br />
in comune (in<strong>di</strong>viduano un piano)<br />
RETTE SGHEMBE : non giacciono sullo stesso piano (non hanno quin<strong>di</strong> alcun punto in<br />
comune e non esiste un piano che le contenga entrambe)<br />
SPAZIO (assiomi)<br />
A5 (assioma <strong>di</strong> partizione dello spazio): Ogni piano α dello spazio lo <strong>di</strong>vide in due parti non<br />
vuote tali che:<br />
• Se i punti A e B appartengono a parti opposte, allora il segmento AB taglia il piano<br />
α in un punto<br />
• Se i punti C e D appartengono alla stessa parte, allora anche il segmento CD è<br />
tutto incluso in questa parte<br />
Definizione: si chiama semispazio la figura costituita da una <strong>di</strong> queste due parti e dal piano<br />
α che si <strong>di</strong>ce bordo (o confine o frontiera) dei due semispazi<br />
PIANI (nello spazio)<br />
Nello spazio un piano è in<strong>di</strong>viduato da:<br />
• Tre punti non allineati<br />
• Due rette incidenti<br />
1
• Una retta e un punto che non appartiene alla retta<br />
• Due rette parallele e <strong>di</strong>stinte<br />
Teorema: se due piani <strong>di</strong>stinti hanno in comune due punti A e B, allora hanno in comune<br />
tutta la retta AB e solo questa retta<br />
Definizione: si <strong>di</strong>cono incidenti (o secanti) due piani che hanno in comune una (sola) retta<br />
Teorema: due piani <strong>di</strong>stinti aventi in comune un punto, sono incidenti lungo una retta che<br />
passa per quel punto<br />
Definizione due piani si <strong>di</strong>cono paralleli quando non hanno alcun punto in comune, oppure<br />
quando sono coincidenti.<br />
Proprietà<br />
P1 per un punto dello spazio si può condurre uno e un solo piano parallelo ad un<br />
piano dato<br />
P2 due piani paralleli ad un terzo piano sono paralleli tra loro<br />
P3 Se due piani sono paralleli ogni piano che taglia l’uno taglia anche l’altro e le<br />
due rette <strong>di</strong> intersezione sono parallele<br />
P4 (teorema <strong>di</strong> Talete nello spazio) Tre o più piani paralleli determinano su due<br />
trasversali qualunque due classi <strong>di</strong> segmenti <strong>di</strong>rettamente proporzionali<br />
RETTE E PIANI NELLO SPAZIO<br />
Caso 1: se una retta ha in comune due punti con un piano allora giace completamente sul<br />
piano<br />
Caso 2: se una retta ha in comune un solo punto con un piano si <strong>di</strong>ce che è incidente al<br />
piano<br />
Caso 3: esistono rette che non hanno alcun punto in comune con un piano.<br />
Teorema: Una retta parallela ad una retta <strong>di</strong> un piano e passante per un punto esterno ad<br />
esso non ha alcun punto in comune con il piano.<br />
Definizione: una retta si <strong>di</strong>ce parallela ad un piano se giace sul piano o non ha alcun punto<br />
in comune con il piano<br />
Proprietà:<br />
P1: date due rette parallele ogni piano passante per una <strong>di</strong> esse è parallelo all’altra<br />
P2: dati una retta e un piano paralleli che non si appartengono, ogni piano passante<br />
per la retta e incontrante il piano dato, taglia questo secondo una retta parallela<br />
alla data<br />
P3: dati una retta s e un piano α paralleli la parallela ad s condotta da un punto P<br />
del piano α giace su questo<br />
P4: se due piani sono paralleli ogni retta parallela all’uno è parallela anche all’altro,<br />
mentre ogni retta che ne incontra uno incontra anche l’altro<br />
P5: Se ad un piano, per un punto esterno, si conducono due parallele, il piano<br />
formato da queste due rette non ha punti in comune con il piano dato<br />
Teorema: se ad una retta r per un suo punto P si conducono due perpen<strong>di</strong>colari a e b,<br />
allora risulta perpen<strong>di</strong>colare ad r anche ogni altra retta che passi per P e giaccia sul piano<br />
2
α in<strong>di</strong>viduato dalle rette a e b; Inoltre le infinite perpen<strong>di</strong>colari ad una retta r, in un suo<br />
punto P, giacciono tutte in uno stesso piano.<br />
Definizione: una retta r e un piano α aventi un punto P in comune si <strong>di</strong>cono tra loro<br />
perpen<strong>di</strong>colari quando la retta r è perpen<strong>di</strong>colare a tutte le rette del piano α passanti per P;<br />
il punto P si <strong>di</strong>ce piede della perpen<strong>di</strong>colare sul piano.<br />
Osservazione: dal precedente teorema <strong>di</strong>scende che una retta è perpen<strong>di</strong>colare ad un<br />
piano se lo incontra e se è perpen<strong>di</strong>colare a due rette del piano passanti per loro punto<br />
comune e viceversa<br />
Teorema delle tre perpen<strong>di</strong>colari: Se dal piede <strong>di</strong> una perpen<strong>di</strong>colare ad una piano α si<br />
conduce la perpen<strong>di</strong>colare a una qualsiasi retta r del piano α, quest’ultima retta risulta<br />
perpen<strong>di</strong>colare al piano in<strong>di</strong>viduato dalle prime due rette.<br />
Dimostrazione: sia a la perpen<strong>di</strong>colare al piano α; Dal suo piede Q si conduca la retta c<br />
perpen<strong>di</strong>colare alla retta r <strong>di</strong> α. Si vuole <strong>di</strong>mostrare che la retta r è perpen<strong>di</strong>colare al piano<br />
β in<strong>di</strong>viduato da a e da c. Se la retta r passa per il punto Q il teorema è <strong>di</strong>mostrato perché<br />
il piano β contenendo le rette a e c entrambe perpen<strong>di</strong>colari in Q alla retta r, è<br />
perpen<strong>di</strong>colare a questa retta. Se invece r non passa per Q sia C il punto <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong><br />
r con c e pren<strong>di</strong>amo su r due punti A e B da parti opposte <strong>di</strong> C e tali che C sia il punto<br />
me<strong>di</strong>o del segmento AB; si congiungano tali punti con Q e con un altro punto P qualunque<br />
della retta a. Nel piano α la retta c è asse del segmento AB perciò QA e QB sono<br />
congruenti. Allora i triangoli rettangoli PQA e PQB sono congruenti avendo i cateti<br />
rispettivamente congruenti. Allora PA è congruente a PB e nel triangolo isoscele ABP la<br />
retta PC (del piano β), che è me<strong>di</strong>ana della base, è anche altezza, quin<strong>di</strong> è perpen<strong>di</strong>colare<br />
alla retta AB. Dunque la retta r, essendo perpen<strong>di</strong>colare alle rette c e CP <strong>di</strong> β è<br />
perpen<strong>di</strong>colare a β. C.v.d.<br />
Teorema: Per ogni punto P dello spazio passa:<br />
• Una e una sola perpen<strong>di</strong>colare ad un dato piano α<br />
• Uno e un solo piano perpen<strong>di</strong>colare a una retta data<br />
Teorema: due rette perpen<strong>di</strong>colari ad uno stesso piano sono tra loro parallele.<br />
3
DIEDRI E PIANI PERPENDICOLARI<br />
Definizione: Si chiama <strong>di</strong>edro ciascuna delle due parti in cui lo spazio è <strong>di</strong>viso da due<br />
semipiani aventi lo stesso bordo, inclusi i due semipiani.<br />
I due semipiani si chiamano facce del <strong>di</strong>edro, le due facce costituiscono il contorno (o la<br />
superficie) del <strong>di</strong>edro; la retta comune alle due facce si chiama costola (o spigolo) del<br />
<strong>di</strong>edro.<br />
Definizione: Si chiama sezione normale <strong>di</strong> un <strong>di</strong>edro l’angolo che risulta dall’intersezione<br />
del <strong>di</strong>edro con un piano perpen<strong>di</strong>colare allo spigolo.<br />
Proprietà:<br />
P1: due sezioni normali <strong>di</strong> uno stesso <strong>di</strong>edro sono congruenti<br />
P2: <strong>di</strong>edri congruenti hanno sezioni normali congruenti e viceversa.<br />
Definizione: un <strong>di</strong>edro si <strong>di</strong>ce retto, acuto, ottuso, se tale è la sua sezione normale; un<br />
<strong>di</strong>edro si <strong>di</strong>ce piatto, giro, nullo, convesso, concavo se tale è la sua sezione normale.<br />
Definizione: due piani incidenti si <strong>di</strong>cono tra loro perpen<strong>di</strong>colari quando formano quattro<br />
<strong>di</strong>edri retti.<br />
Proprietà:<br />
P1: Se una retta r e un piano α sono perpen<strong>di</strong>colari, ogni piano passante per r è<br />
perpen<strong>di</strong>colare ad α.<br />
P2: Se due piani α e β sono tra loro perpen<strong>di</strong>colari, la perpen<strong>di</strong>colare condotta da<br />
un punto P <strong>di</strong> β alla retta r (intersezione tra α e β), è perpen<strong>di</strong>colare al piano α e<br />
appartiene a β<br />
P3: se due piani incidenti α e β sono perpen<strong>di</strong>colari al piano γ, allora anche la retta r<br />
<strong>di</strong> intersezione tra questi due piani è perpen<strong>di</strong>colare a γ<br />
P4: Se r è una retta non perpen<strong>di</strong>colare al piano α esiste uno ed un solo piano<br />
passante per r e perpen<strong>di</strong>colare ad α<br />
Definizione: nello spazio due punti A e A’ si <strong>di</strong>cono simmetrici rispetto ad un piano α,<br />
quando il segmento AA’ è perpen<strong>di</strong>colare al piano α e il suo punto me<strong>di</strong>o O sta su α<br />
Definizione: due figure dello spazio si <strong>di</strong>cono simmetriche rispetto a un piano, quando i<br />
punti dell’una sono i simmetrici dei punti dell’altra<br />
Definizione: si chiama similitu<strong>di</strong>ne dello spazio ogni corrispondenza biunivoca fra i punti<br />
dello spazio che trasforma segmenti in segmenti proporzionali.<br />
POLIEDRI<br />
Definizione: dati un poligono convesso con n lati (n≥3) e un punto V esterno al suo piano,<br />
si chiama angoloide (o piramide indefinita) <strong>di</strong> vertice V la figura formata da tutte le<br />
semirette <strong>di</strong> origine V che passano per i <strong>di</strong>versi punti del dato poligono<br />
Osservazioni:<br />
• Se n = 3 l’angoloide si chiama triedro<br />
4
• Le semirette VA, VB, VC,… si <strong>di</strong>cono spigoli dell’angoloide, gli angoli AVB,<br />
BVC,…si chiamano facce dell’angoloide<br />
• L’insieme <strong>di</strong> tutte le facce si chiama contorno o superficie dell’angoloide<br />
• Un angoloide è una figura convessa e illimitata<br />
Proprietà:<br />
P1: in un angoloide ogni faccia è minore della somma delle altre.<br />
P2: In un angoloide la somma <strong>di</strong> tutte le facce è minore <strong>di</strong> una angolo giro<br />
Teorema (delle sezioni piane): Le sezioni <strong>di</strong> un angoloide con due piani parallele non<br />
passanti per il vertice sono due poligono simili che hanno i perimetri proporzionali alle<br />
<strong>di</strong>stanze dai piani dal vertice e le aree proporzionali ai quadrati delle stesse <strong>di</strong>stanze.<br />
Definizione: dati un poligono convesso <strong>di</strong> un numero qualsiasi <strong>di</strong> lati (n) e una retta r<br />
incidente il suo piano, si chiama prisma indefinito la figura formata da tutte le rette<br />
parallele ad r che passano per i punti del dato poligono.<br />
Osservazioni:<br />
• Le rette che passano per i vertici del poligono si <strong>di</strong>cono spigoli del prisma indefinito<br />
e sono tutte parallele tra loro<br />
• Se un piano taglia uno spigolo allora taglia anche tutti gli altri e il poligono che si<br />
ottiene si chiama sezione del prisma<br />
Teorema: Due sezioni parallele qualsiasi, in particolare due sezioni normali <strong>di</strong> un<br />
medesimo prisma indefinito sono congruenti.<br />
Definizione: si <strong>di</strong>ce prisma finito (o semplicemente prisma) la parte <strong>di</strong> un prisma indefinito<br />
compresa tra due sezioni parallele<br />
Osservazioni:<br />
• Le sezioni parallele si <strong>di</strong>cono basi del prisma e sono congruenti<br />
• I lati delle sezioni si <strong>di</strong>cono spigoli <strong>di</strong> base e i vertici <strong>di</strong> essi si <strong>di</strong>cono vertici del<br />
prisma<br />
• I parallelogrammi secondo cui i piani delle due basi tagliano le facce del prisma<br />
indefinito si <strong>di</strong>cono facce laterali del prisma; gli spigoli comuni a due facce laterali si<br />
<strong>di</strong>cono spigoli laterali del prisma<br />
• L’insieme <strong>di</strong> tutte le facce laterali si <strong>di</strong>ce superficie laterale del prisma; la superficie<br />
laterale e le due basi si <strong>di</strong>cono superficie totale del prisma<br />
• La <strong>di</strong>stanza tra i piani delle due basi si <strong>di</strong>ce altezza<br />
• Un prisma si <strong>di</strong>ce triangolare, quadrangolare, pentagonale, ecc.. a seconda che le<br />
sue basi siano triangoli, quadrilateri, pentagoni, ecc…<br />
• Si <strong>di</strong>ce <strong>di</strong>agonale del prisma un segmento congiungente due vertici non<br />
appartenenti ad una stessa faccia<br />
• Un prisma si <strong>di</strong>ce retto quando gli spigoli laterali sono perpen<strong>di</strong>colari ai piani delle<br />
due basi<br />
• Un prisma retto si <strong>di</strong>ce regolare quando le basi sono poligoni regolari; in questo<br />
caso le facce laterali sono tutte rettangoli congruenti.<br />
5
Definizione: si chiama parallelepipedo un prisma le cui basi sono parallelogrammi; si <strong>di</strong>ce<br />
retto quando gli spigoli laterali sono perpen<strong>di</strong>colari ai piani delle basi, obliquo in caso<br />
contrario.<br />
Definizione: si chiama parallelepipedo rettangolo un parallelepipedo retto le cui basi sono<br />
rettangoli<br />
Teorema: in un parallelepipedo rettangolo la misura della <strong>di</strong>agonale vale<br />
dove a, b, c sono le misure delle sue <strong>di</strong>mensioni.<br />
2 2 2<br />
d = a + b + c<br />
Definizione: si <strong>di</strong>ce cubo (o esaedro) un parallelepipedo rettangolo nel quale siano<br />
congruenti i tre spigoli che concorrono in uno stesso vertice. In tal caso d = l 3 dove l è la<br />
lunghezza dello spigolo.<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UN PRISMA RETTO<br />
Area laterale: A = 2 ph (dove h è l’altezza e 2p il perimetro <strong>di</strong> base)<br />
l<br />
Area totale: A = A + 2A<br />
(dove Ab è l’area <strong>di</strong> una base)<br />
t l b<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UN PARALLELEPIPEDO RETTANGOLO<br />
A = 2 ab + ac + bc (dove a, b, c sono le <strong>di</strong>mensioni)<br />
Area totale: ( )<br />
t<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UN CUBO<br />
2<br />
Area totale: A = 6l<br />
(dove l è la lunghezza dello spigolo)<br />
t<br />
VOLUME DI UN PRISMA V = Ab ⋅ h<br />
VOLUME DI UN PARALLELEPIPEDO RETTANGOLO V = a ⋅b ⋅ c<br />
VOLUME DI UN CUBO<br />
3<br />
V =<br />
l<br />
6
Definizione: si chiama piramide la parte <strong>di</strong> angoloide situata in un semispazio che ne<br />
contenga il vertice e il cui bordo incontri tutti gli spigoli.<br />
Osservazioni:<br />
• Il poligono dato si <strong>di</strong>ce base della piramide e il punto V si <strong>di</strong>ce vertice della<br />
piramide; i vertici e i lati della base si <strong>di</strong>cono vertici e spigoli <strong>di</strong> base.<br />
• I segmenti che congiungono il vertice della piramide con i vertici della base si<br />
<strong>di</strong>cono spigoli laterali della piramide<br />
• I triangoli che hanno come base uno spigolo <strong>di</strong> base e come vertice il vertice della<br />
piramide si <strong>di</strong>cono facce laterali; la loro unione si <strong>di</strong>ce superficie laterale della<br />
piramide; l’insieme <strong>di</strong> tutte le facce della piramide (laterali + base) si <strong>di</strong>ce superficie<br />
totale.<br />
• Si chiama altezza della piramide la <strong>di</strong>stanza del vertice dal piano della base.<br />
• Una piramide si <strong>di</strong>ce triangolare, quadrangolare, pentagonale, ecc.. se la sua base<br />
è rispettivamente un triangolo, un quadrilatero, un pentagono, ecc.<br />
Definizione: una piramide si <strong>di</strong>ce retta quando nella sua base si può inscrivere una<br />
circonferenza il cui centro è il piede dell’altezza della piramide.<br />
Proprietà: tutte le facce laterali <strong>di</strong> una piramide hanno altezze congruenti che prendono il<br />
nome <strong>di</strong> apotema della piramide.<br />
Definizione: una piramide si <strong>di</strong>ce regolare se è retta e ha per base un poligono regolare.<br />
Proprietà:<br />
P1: in una piramide regolare gli spigoli laterali sono congruenti tra loro<br />
P2: in una piramide regolare le facce laterali sono triangoli isosceli fra loro<br />
congruenti<br />
P3: in una piramide regolare i <strong>di</strong>edri laterali sono congruenti tra loro; anche i <strong>di</strong>edri<br />
della base sono congruenti tra loro<br />
un piano parallelo al piano della base B <strong>di</strong> una piramide che non passa per il suo vertice<br />
ne incontra tutti gli spigoli laterali e <strong>di</strong>vide la piramide in due parti: la parte che contiene il<br />
vertice è una nuova piramide <strong>di</strong> base B’ simile alla base B (teorema delle sezioni piane); la<br />
parte che contiene la base B prende il nome <strong>di</strong> tronco <strong>di</strong> piramide <strong>di</strong> basi B e B’; la<br />
<strong>di</strong>stanza tra le due basi si chiama altezza del tronco <strong>di</strong> piramide<br />
osservazione: se la piramide da cui si ottiene il tronco è retta o regolare, tale sarà anche il<br />
tronco; se il tronco è regolare le sue facce laterali sono trapezi isosceli tutti congruenti e la<br />
loro altezza si <strong>di</strong>ce apotema del tronco.<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UNA PIRAMIDE RETTA<br />
2 p ⋅a<br />
Area laterale: Al<br />
= (dove a è l’apotema e 2p il perimetro <strong>di</strong> base)<br />
2<br />
A = A + A (dove Ab è l’area <strong>di</strong> base)<br />
Area totale: t l b<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UN TRONCO DI PIRAMIDE REGOLARE<br />
2 p + 2 p '<br />
Area laterale: Al = ⋅ a (dove a è l’apotema e 2p e 2p’ i perimetri delle basi)<br />
2<br />
Area totale: At = Al + Ab + Ab<br />
' (dove Ab e Ab’ sono le aree delle basi)<br />
7
VOLUME DI UNA PIRAMIDE<br />
1<br />
3 b V = A ⋅ h<br />
1<br />
VOLUME DI UN TRONCO DI PIRAMIDE V = h( Ab + Ab ' + Ab ⋅ Ab<br />
' )<br />
Dimostrazione: Consideriamo la piramide <strong>di</strong> base Ab e altezza (h+x); a <strong>di</strong>stanza x dal<br />
vertice si tracci il piano parallelo al piano <strong>di</strong> base ottenendo quin<strong>di</strong> la sezione Ab’ e pertanto<br />
il tronco <strong>di</strong> piramide <strong>di</strong> basi Ab e Ab’ e altezza h. Determiniamo il volume del tronco come<br />
<strong>di</strong>fferenza tra il volume della piramide <strong>di</strong> altezza (h+x) e quella <strong>di</strong> altezza x:<br />
1 1<br />
V = Ab ( h + x) − Ab 'x<br />
3 3<br />
1 1<br />
da cui : V = Abh + ( Ab − Ab ')<br />
x (**)<br />
3 3<br />
Per il teorema delle sezioni piane ( ) 2 2<br />
A : A x h : x<br />
h⋅ algebrici si ottiene x =<br />
A ⋅ A + hA<br />
Ab − Ab<br />
'<br />
1 1<br />
V = Abh + ( h<br />
3 3<br />
Ab Ab ' + hAb<br />
' )<br />
b b' b'<br />
b b'<br />
3<br />
= + da cui con <strong>di</strong>versi passaggi<br />
che sostituito nella (**) fornisce<br />
Da cui raccogliendo 1<br />
h a fattor comune si ottiene la formula data. Cvd.<br />
3<br />
Relazione <strong>di</strong> Eulero: tra il numero delle facce (F) quello dei vertici (V) e quello degli spigoli<br />
<strong>di</strong> un poliedro qualunque sussiste la seguente relazione :<br />
F + V = S + 2<br />
Definizione: un poliedro si <strong>di</strong>ce regolare se le sue facce sono poligoni regolari congruenti e<br />
i suoi <strong>di</strong>edri sono tutti congruenti<br />
Osservazione: esistono soltanto cinque tipi <strong>di</strong> poliedri regolari:<br />
• TETRAEDRO REGOLARE: è una piramide regolare a base triangolare le cui facce<br />
sono quattro triangoli equilateri, ha 6 spigoli e 4 vertici.<br />
• ESAEDRO REGOLARE o CUBO: ha per facce 6 quadrati 8 vertici e 12 spigoli<br />
• OTTAEDRO REGOLARE: è l’insieme <strong>di</strong> due pirami<strong>di</strong> quadrangolari regolari con la<br />
base coincidente; ha per facce 8 tringoli equilateri, ha 6 vertici e 12 spigoli<br />
• ICOSAEDRO REGOLARE: ha per facce 20 triangoli equailteri, ha 12 vertici e 30<br />
spigoli<br />
• DODECAEDRO REGOLARE: ha per facce 12 pentagoni regolari, ha 20 vertici e 30<br />
spigoli<br />
8
SOLIDI DI ROTAZIONE<br />
Definizione: si chiama superficie cilindrica indefinita l’insieme dei punti dello spazio<br />
equi<strong>di</strong>stanti da una retta fissa detta asse; la comune <strong>di</strong>stanza si <strong>di</strong>ce raggio.<br />
Osservazioni:<br />
• Si chiama generatrice ciascuna delle rette parallele all’asse che <strong>di</strong>sta da questo<br />
come il raggio<br />
• Un piano α perpen<strong>di</strong>colare all’asse taglia la superficie cilindrica secondo una<br />
circonferenza <strong>di</strong> raggio r<br />
• Un piano parallelo all’asse può avere in comune con la superficie due generatrici<br />
(piano secante), oppure una generatrice (piano tangente) o nessuna (piano<br />
esterno)<br />
• Si chiama cilindro indefinito la figura costituita da una superficie cilindrica e dai suoi<br />
punti interni<br />
• L’intersezione con un piano perpen<strong>di</strong>colare all’asse <strong>di</strong> un cilindro indefinito è un<br />
cerchio <strong>di</strong> raggio r e si <strong>di</strong>ce sezione normale<br />
Definizione: si chiama cilindro circolare retto finito (cilindro) la parte <strong>di</strong> un cilindro indefinito<br />
compresa tra due sezioni normali.<br />
Proprietà<br />
P1: il cilindro si ottiene anche come rotazione completa (angolo giro) <strong>di</strong> un<br />
rettangolo attorno a uno dei suoi lati<br />
P2: le sezioni normali si <strong>di</strong>cono basi del cilindro<br />
P3: la <strong>di</strong>stanza dei piani delle due basi si <strong>di</strong>ce altezza del cilindro<br />
P4: un prisma retto le cui basi siano inscritte nelle basi <strong>di</strong> un cilindro si <strong>di</strong>ce inscritto<br />
nel cilindro<br />
P5: un prisma retto le cui basi siano circoscritte alle basi <strong>di</strong> un cilindro si <strong>di</strong>ce<br />
circoscritto al cilindro<br />
P6: un cilindro si <strong>di</strong>ce equilatero se la sua altezza è congruente al <strong>di</strong>ametro della<br />
base (la sezione è un quadrato)<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UN CILINDRO<br />
Area laterale: = 2 π ⋅ r ⋅ h (dove r è il raggio <strong>di</strong> base e h è l’altezza del cilindro)<br />
A l<br />
Area totale:<br />
2 2<br />
At = Al<br />
+ 2π ⋅ r ( π ⋅ r è l’area <strong>di</strong> base)<br />
VOLUME DI UN CILINDRO V Ab<br />
h ⋅<br />
= (dove Ab è l’area <strong>di</strong> base)<br />
Definizione: si chiama superficie conica indefinita l’insieme delle semirette dello spazio<br />
che, avendo la stessa origini V <strong>di</strong> una data semiretta a, formano con essa angoli<br />
congruenti ad un dato angolo acuto.<br />
Osservazioni:<br />
• Si chiama asse la semiretta a<br />
• Si chiama vertice il punto V<br />
• Si chiama generatrice ciascuna delle semirette <strong>di</strong> origine V<br />
• Si chiama angolo <strong>di</strong> apertura ciascuno degli angoli (fra loro congruenti) che l’asse<br />
forma con ciascuna generatrice<br />
9
• Si chiama cono indefinito la figura costituita da una superficie conica e dai suoi<br />
punti interni<br />
• L’intersezione con un piano perpen<strong>di</strong>colare all’asse <strong>di</strong> un cono indefinito è un<br />
cerchio <strong>di</strong> raggio r e si <strong>di</strong>ce sezione normale<br />
• Un piano che passa per il vertice <strong>di</strong> una superficie conica contiene due generatrici,<br />
o una sola , o nessuna, a seconda che l’angolo che essa forma con l’asse sia<br />
minore, uguale o maggiore dell’angolo <strong>di</strong> apertura (piano secante o tangente o<br />
esterno)<br />
Definizione: si chiama cono circolare retto finito (cono) la parte <strong>di</strong> un cono indefinito che<br />
giace rispetto al piano <strong>di</strong> una sezione normale dalla parte del vertice.<br />
Proprietà<br />
P1: il cono si ottiene anche come rotazione completa (angolo giro) <strong>di</strong> un<br />
triangolo rettangolo attorno a uno dei suoi cateti<br />
P2: la sezione normale si <strong>di</strong>ce base del cono<br />
P3: la <strong>di</strong>stanza del vertice dal piano della base si <strong>di</strong>ce altezza del cono<br />
P4: i segmenti delle generatrici della superficie conica compresi tra il vertice e la<br />
base sono congruenti e si <strong>di</strong>cono apotemi del cono<br />
P5: una piramide il cui vertice sia il vertice <strong>di</strong> un cono e la cui base sia inscritta<br />
nella base <strong>di</strong> un cono si <strong>di</strong>ce inscritta nel cono<br />
P6: una piramide il cui vertice sia il vertice <strong>di</strong> un cono e la cui base sia circoscritta<br />
alla base <strong>di</strong> un cono si <strong>di</strong>ce circoscritta al cono<br />
P7: un cono si <strong>di</strong>ce equilatero se il suo apotema è congruente al <strong>di</strong>ametro della<br />
base (la sezione è un triangolo equilatero)<br />
P8: vale l’analogo del teorema delle sezioni piane per la piramide<br />
Definizione: si chiama tronco <strong>di</strong> cono circolare retto (tronco <strong>di</strong> cono) la parte <strong>di</strong> cono<br />
compresa tra il piano <strong>di</strong> base e un piano ad esso parallelo secante il cono e non passante<br />
per il vertice<br />
Osservazione: i segmenti <strong>di</strong> generatrici comprese tra le due basi si chiamano apotemi del<br />
tronco<br />
Osservazione: un tronco <strong>di</strong> cono può essere generato dalla rotazione completa (angolo<br />
giro) <strong>di</strong> un trapezio rettangolo attorno al lato perpen<strong>di</strong>colare alle basi<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UN CONO<br />
Area laterale: = π ⋅ r ⋅ a (dove r è il raggio <strong>di</strong> base e a è l’apotema del cono)<br />
A l<br />
Area totale:<br />
2 2<br />
At = Al<br />
+ π ⋅ r ( π ⋅ r è l’area <strong>di</strong> base)<br />
AREA DELLA SUPERFICIE DI UN TRONCO DI CONO<br />
Area laterale: Al = π ⋅ a ⋅ ( r + r')<br />
(dove r ed r’ sono i raggi delle basi e a è l’apotema del<br />
tronco <strong>di</strong> cono)<br />
2<br />
2 2<br />
2<br />
Area totale: = A + π ⋅ r + π ⋅ r'<br />
( π ⋅ r e π ⋅ r'<br />
sono le aree delle basi)<br />
At l<br />
VOLUME DI UN CONO V Ab<br />
h ⋅ = 1<br />
3<br />
(dove Ab è l’area <strong>di</strong> base)<br />
10
1 2 2<br />
VOLUME DI UN TRONCO DI CONO V = π ⋅ h(<br />
r + r'<br />
+ r ⋅ r')<br />
3<br />
Osservazione: la <strong>di</strong>mostrazione è analoga a quella già vista per il volume del tronco <strong>di</strong><br />
piramide<br />
Definizione Si chiama superficie sferica l’insieme dei punti dello spazio aventi una <strong>di</strong>stanza<br />
prefissata r da un punto fisso O.<br />
Osservazione:<br />
La <strong>di</strong>stanza r si chiama raggio della superficie sferica e il punto O ne è il centro<br />
Definizione: Si chiama sfera la figura formata da una superficie sferica e da tutti i punti ad<br />
essa interni<br />
Osservazioni:<br />
• La superficie sferica si ottiene come rotazione completa <strong>di</strong> una semicirconferenza<br />
attorno al suo <strong>di</strong>ametro; la sfera si ottiene come rotazione completa <strong>di</strong> una<br />
semicerchio attorno al suo <strong>di</strong>ametro<br />
• La superficie sferica si <strong>di</strong>ce contorno della sfera<br />
• Il centro O e il raggio r della superficie sferica sono centro e raggio della sfera<br />
• Si <strong>di</strong>ce corda <strong>di</strong> una superficie sferica ogni segmento che abbia gli estremi sulla<br />
superficie stessa<br />
• Si chiama <strong>di</strong>ametro <strong>di</strong> una superficie sferica ogni corda passante per il centro<br />
• Tutti i <strong>di</strong>ametri <strong>di</strong> una superficie sferica sono congruenti<br />
• Se un piano ha dal centro <strong>di</strong> una superficie sferica una <strong>di</strong>stanza minore del raggio<br />
esso è secante la superficie sferica<br />
• Se un piano ha dal centro <strong>di</strong> una superficie sferica una <strong>di</strong>stanza uguale al raggio,<br />
esso tocca la superficie sferica in un solo punto ed è perpen<strong>di</strong>colare al raggio<br />
passante per quel punto (piano tangente)<br />
• Se un piano ha dal centro <strong>di</strong> una superficie sferica una <strong>di</strong>stanza maggiore del<br />
raggio esso è esterno alla superficie sferica<br />
• Un piano secante la superficie sferica la <strong>di</strong>vide in due parti ciascuna delle quali si<br />
chiama calotta sferica; il piano secante la sfera la <strong>di</strong>vide in due parti che si<br />
chiamano segmento sferico a una base<br />
• Se due piani paralleli secano una superficie sferica la parte <strong>di</strong> piano compresa tra<br />
essi si chiama zona sferica, mentre la parte <strong>di</strong> sfera compresa tra gli stessi due<br />
piani si chiama segmento sferico a due basi<br />
• La parte <strong>di</strong> superficie sferica compresa tra due semipiani aventi per origine comune<br />
la retta <strong>di</strong> un <strong>di</strong>ametro si <strong>di</strong>ce fuso sferico, mentre la parte <strong>di</strong> sfera si <strong>di</strong>ce spicchio<br />
sferico<br />
• Si chiama settore sferico la parte <strong>di</strong> sfera delimitata da una calotta sferica e dal<br />
cono che ha vertice nel centro della sfera e base in comune con la calotta<br />
AREA DELLA SUPERFICIE SFERICA :<br />
2<br />
A = 4πr Proprietà:<br />
P1: una superficie sferica è equivalente alla superficie laterale del cilindro ad essa<br />
circoscritto<br />
P2: (teorema <strong>di</strong> Archimede) Il rapporto della superficie sferica e della superficie<br />
totale del cilindro ad essa circoscritto è come il rapporto dei corrispondenti volumi<br />
11
AREA DI UNA ZONA SFERICA E DI UNA CALOTTA SFERICA : A = 2πrh<br />
(dove h è l’altezza della calotta e r è il raggio della sfera cui appartiene)<br />
2<br />
πr α<br />
AREA DEL FUSO SFERICO: A =<br />
90<br />
(dove α è l’ampiezza del <strong>di</strong>edro del fuso)<br />
2 ⎛ h ⎞<br />
VOLUME DEL SEGMENTO SFERICO A UNA BASE: V = π h ⎜r<br />
− ⎟<br />
⎝ 3 ⎠<br />
(dove h è l’altezza della calotta e r è il raggio della sfera cui appartiene)<br />
2<br />
1 2<br />
3<br />
πh<br />
+<br />
6<br />
(dove h è La <strong>di</strong>stanza tra le due basi e r1 e r 2 sono i raggi dei cerchi sezione)<br />
πh<br />
2 2<br />
VOLUME DEL SEGMENTO SFERICO A DUE BASI: V = ( r + r )<br />
3<br />
πr α<br />
VOLUME DELLO SPICCHIO SFERICO: V =<br />
270<br />
(dove α è l’ampiezza del <strong>di</strong>edro dello spicchio)<br />
PRINCIPIO DI CAVALIERI: due soli<strong>di</strong> che si possono collocare in modo che siano<br />
equivalenti le loro sezioni ottenute con un qualsiasi piano parallelo ad una piano fisso sono<br />
equivalenti<br />
4 3<br />
VOLUME DELLA SFERA: V = πr<br />
3<br />
Dimostrazione: Si considerino una semisfera <strong>di</strong> raggio r, un cono e un cilindro entrambi <strong>di</strong><br />
raggio <strong>di</strong> base r e <strong>di</strong> altezza r , <strong>di</strong>sposti come in figura sullo stesso piano α .<br />
Si conduca il piano β parallelo ad α a <strong>di</strong>stanza r da quest’ultimo: in tale modo i tre soli<strong>di</strong><br />
risultano compresi nella parte <strong>di</strong> spazio tra i due piani. Si consideri ora un qualunque piano<br />
γ parallelo ai precedenti, che intersechi tutti e tre i soli<strong>di</strong>, e <strong>di</strong>sti x dal piano α , con x < r .<br />
Esaminiamo le sezioni dei tre soli<strong>di</strong>: la sezione del cilindro (S3) è ancora un cerchio <strong>di</strong><br />
2<br />
raggio r come la base, area S1 = π r ; la sezione del cono (S2) è un cerchio <strong>di</strong> raggio <strong>di</strong><br />
raggio x (per il teorema delle sezioni piane si ha la proporzione r : r’ = r : x, da cui r’ = x),<br />
2 2<br />
r − x (teorema <strong>di</strong><br />
2<br />
area S2 = π x ; la sezione della semisfera (S1) è un cerchio <strong>di</strong> raggio<br />
2 2<br />
Pitagora), area S3 = π ( r − x ) . Ora si vede facilmente che Area S3 = Area S1 + Area S2<br />
Ciò significa, data l’arbitrarietà del piano γ , che per il principio <strong>di</strong> Cavalieri il cilindro è<br />
equivalente alla somma della semisfera e del cono, ovvero che<br />
Volume cilindro = Volume semisfera + Volume cono<br />
In formula<br />
3<br />
1 3<br />
π r = Volume semisfera + πr<br />
3<br />
2 3<br />
da cui Volume semisfera = π r<br />
3<br />
e finalmente Volume sfera =<br />
4<br />
r<br />
3<br />
3<br />
π Cvd<br />
12