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Orientaciones para la indagación en matemática: conos y sectores circulares

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c) (h=\sqrt{g^2-r^2}); d) tabla con (r = \frac{\alpha}{360^\circ} R), (h = \sqrt{R^2-r^2}), (V = \frac{1}{3}\pi r^2 h); e.a) inversa; e.b) máximo; e.c) \(\alpha \approx 293.94^\circ\).

📚 exercise matematica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 22

Orientaciones para la indagación en Matemática · 2024

c
Ejercicio c

Realiza la medida de las alturas de cada uno de los conos.

  1. Identifica la generatriz (g) del cono, que es el radio (R) del círculo original del cual se recortó el sector circular.
  2. Mide el radio (r) de la base del cono con una regla, o calcúlalo a partir del ángulo \(\alpha\) del sector: (r = \frac{\alpha}{360^\circ} R).
  3. Aplica el teorema de Pitágoras en el triángulo rectángulo formado por la altura (h), el radio (r) y la generatriz (g): \(g^2 = h^2 + r^2\).
  4. Despeja la altura: (h = \sqrt{g^2 - r^2}).
  5. Registra el valor de (h) para cada cono.
Respuesta

(h = \sqrt{g^2 - r^2}).

d
Ejercicio d

Luego, representa en la siguiente tabla las medidas del ángulo, del radio, de la altura y del volumen obtenido en cada uno de los conos formados.

  1. Para cada cono, anota el ángulo \(\alpha\) del sector circular utilizado.
  2. Calcula el radio de la base: (r = \frac{\alpha}{360^\circ} R), donde (R) es el radio del círculo original (generatriz (g)).
  3. Calcula la altura con (h = \sqrt{R^2 - r^2}).
  4. Calcula el volumen con (V = \frac{1}{3}\pi r^2 h).
  5. Completa la tabla. Ejemplo con (R = 10\,\text{cm}):
Ángulo \(\alpha\) Radio (r) (cm) Altura (h) (cm) Volumen (V) (cm³)
\(90^\circ\) 2.50 9.68 63.37
\(180^\circ\) 5.00 8.66 226.72
\(270^\circ\) 7.50 6.61 389.37
\(293.94^\circ\) 8.16 5.77 403.06
Respuesta

La tabla se completa con las fórmulas (r = \frac{\alpha}{360^\circ} R), (h = \sqrt{R^2 - r^2}), (V = \frac{1}{3}\pi r^2 h).

e
Ejercicio e

De acuerdo con la información presentada en la tabla, el estudiante responde las siguientes preguntas:

e
Parte e.e

a ¿Qué se puede afirmar sobre la relación entre el valor del ángulo (\(\alpha\)) y la altura (\(h\)) del cono?

  1. De la fórmula (h = \sqrt{R^2 - r^2}) y (r = \frac{\alpha}{360^\circ} R), se observa que al aumentar \(\alpha\), el radio (r) aumenta.
  2. Como (R) es constante, un mayor (r) implica un menor valor dentro de la raíz, por lo que (h) disminuye.
  3. Por lo tanto, la relación es inversa: a mayor ángulo \(\alpha\), menor altura (h).
Respuesta

Relación inversa: \(\alpha \uparrow \Rightarrow h \downarrow\).

e
Parte e.e

b ¿Qué se puede afirmar sobre la relación entre el valor del ángulo (\(\alpha\)) y el volumen del cono?

  1. El volumen es (V = \frac{1}{3}@@MATH_0@@\frac{\alpha}{360^\circ}\right)^2 \sqrt{1 - \left(\frac{\alpha}{360^\circ}\right)^2}. ]
  2. Para ángulos pequeños, (r) es pequeño y (V) es pequeño. Para ángulos cercanos a \(360^\circ\), (h) se acerca a cero y (V) también disminuye.
  3. Existe un valor intermedio de \(\alpha\) que maximiza el volumen.
Respuesta

El volumen aumenta hasta un máximo y luego disminuye.

e
Parte e.e

c Según los resultados obtenidos en cada uno de los casos, ¿qué ángulo producirá el mayor volumen del cono?

  1. Sea (x = \frac{\alpha}{360^\circ}). El volumen es proporcional a (f(x) = x^2 \sqrt{1 - x^2}).
  2. Derivamos e igualamos a cero: [ f'(x) = 2x\sqrt{1 - x^2} - \frac{x^3}{\sqrt{1 - x^2}} = 0. ]
  3. Multiplicando por (\sqrt{1 - x^2}): (2x(1 - x^2) - x^3 = 0 \Rightarrow 2x - 3x^3 = 0 \Rightarrow x(2 - 3x^2) = 0).
  4. La solución no trivial es (x = \sqrt{\frac{2}{3}} \approx 0.8165).
  5. Entonces \(\alpha = 360^\circ \cdot \sqrt{\frac{2}{3}} \approx 293.94^\circ\).
Respuesta

\(\alpha \approx 293.94^\circ\) (o \(294^\circ\)).

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📌 Antes de leer esto
  • • Área del círculo
  • • Longitud de arco
  • • Teorema de Pitágoras
  • • Volumen de cono
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