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Principio de Cavalieri en 3D

Si dos figuras tienen la misma altura y la misma área de secciones transversales a lo largo de esa altura, tienen el mismo volumen.

Principio de Cavalieri en 3D

Idea clave: si dos figuras 3D tienen la misma altura y la misma área de sección transversal en cada punto a lo largo de esa altura, entonces tienen el mismo volumen.

Por qué funciona

Imagina que tenemos una pila de monedas (o libros, cartas de juego, o cualquier cosa con planos paralelos). Si empujamos la parte superior de la pila para que se incline a un lado, ¿hemos cambiado el volumen? ¡Por supuesto que no!
2 pilas de fichas de póquer idénticas. Ambas pilas tienen el mismo número de fichas. Una pila parece un cilindro recto y la otra tiene cada ficha fuera del centro de la que está debajo.
Por HB (trabajo propio) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], vía Wikimedia Commons
Podemos cortar un sólido en muchas capas paralelas, y luego deslizarlas de un lado a otro sin cambiar el volumen.
Dos cilindros rectos: el primer cilindro inicia igual al segundo. Luego se corta en más y más capas, que se deslizan a la izquierda y a la derecha. Cuando las capas son muy delgadas, el primer cilindro se asemeja a un cilindro oblicuo.
Intenta la simulación del principio de Cavalieri con cilindro por ti mismo. Arrastra los deslizadores para cambiar el número de rebanadas, y qué tanto torcer el cilindro de la izquierda. Trata aumentar el número de rebanadas hasta que el cilindro se vea suave.

Explorar formas más inusuales

Podemos utilizar el principio de Cavalieri para algo más que prismas y cilindros. Por ejemplo, también podemos deslizar las capas de un cono de un lado a otro sin cambiar el volumen.
Animación que muestra secciones transversales horizontales de un cono recto, y una segunda figura con secciones transversales congruentes del cono, pero con las secciones transversales deslizándose a un lado en un patrón ondulado e irregular.
Prueba la simulación de escultura de Cavalieri por ti mismo. Arrastra el ratón sobre el cono a la derecha para esculpirlo. Ten en cuenta que no importa cómo se esculpa, las áreas de secciones transversales de ambas figuras a cualquier altura dada aún son iguales.
La altura de ambas figuras es 21, y el área de la base de ambas es 64π.
Problema 1
¿Cuál es el volumen del cono a la izquierda?
  • Tu respuesta debe ser
  • un múltiplo de pi, como 12 pi o 2/3 pi
unidades cúbicas
¿Cuál es el volumen del cono esculpido a la derecha?
  • Tu respuesta debe ser
  • un múltiplo de pi, como 12 pi o 2/3 pi
unidades cúbicas

El principio de Cavalieri con diferentes figuras

Una de las características más útiles del principio de Cavalieri es que funciona incluso cuando las secciones transversales tienen diferentes formas, siempre que sus áreas sean iguales.
Problema 2.1
Todas las siguientes figuras tienen la misma altura y área de la base.
¿Cuáles de las siguientes figuras tienen el mismo volumen?
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