Лопта и полиедри – примери 2

Лопта описана око ваљка и лопта уписан у ваљак. Решени задаци.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији.

Пр.3)   Израчунати однос површина и  запремина ваљка и лопте уписане у ваљак.

Пр.4)   Израчунати површину и запремину ваљка уписаног у лопту чија је површина πm2\pi {m^2}, ако знамо да је површина осног пресека ваљка 48dm248d{m^2}.


Пр.3)

386

PVPL=?,VVVL=?‾PV=2B+MPV=2r2π+2rπHPV=2R2π+2Rπ2RPV=2R2π+4R2πPV=6R2πPL=4R2πPVPL=6R2π4R2π=32VV=BHVV=r2πHVV=R2π⋅2RVV=2R3πVL=43R3πVVVL=2R3π43R3π=32\begin{aligned}&\underline {\frac{{{P_V}}}{{{P_L}}} = ?,\frac{{{V_V}}}{{{V_L}}} = ?} \\ & \\ &{P_V} = 2B + M \\ &{P_V} = 2{r^2}\pi + 2r\pi H \\ &{P_V} = 2{R^2}\pi + 2R\pi 2R \\ &{P_V} = 2{R^2}\pi + 4{R^2}\pi \\ &{P_V} = 6{R^2}\pi \\ & \\ &{P_L} = 4{R^2}\pi \\ & \\ &\frac{{{P_V}}}{{{P_L}}} = \frac{{6{R^2}\pi }}{{4{R^2}\pi }} = \frac{3}{2} \\ & \\ &{V_V} = BH \\ &{V_V} = {r^2}\pi H \\ &{V_V} = {R^2}\pi \cdot 2R \\ &{V_V} = 2{R^3}\pi \\ & \\ &{V_L} = \frac{4}{3}{R^3}\pi \\ & \\ &\frac{{{V_V}}}{{{V_L}}} = \frac{{2{R^3}\pi }}{{\frac{4}{3}{R^3}\pi }} = \frac{3}{2}\end{aligned}

Пр.4)

387

PL=πm2=100πdm2Pop=48dm2‾PV=?,VV=?PL=4R2π100π=4R2πR2=25R=5cmPV=2B+MPV=2r2π+2rπHVV=BHVV=r2πH2rH=48rH=24H=24r\begin{aligned}&{P_L} = \pi {m^2} = 100\pi d{m^2} \\ &\underline {{P_{op}} = 48d{m^2}} \\ &{P_V} = ?,{V_V} = ? \\ & \\ &{P_L} = 4{R^2}\pi \\ &100\pi = 4{R^2}\pi \\ &{R^2} = 25 \\ &R = 5cm \\ &\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&{P_V} = 2B + M \\ &{P_V} = 2{r^2}\pi + 2r\pi H\end{aligned} &\begin{aligned}&{V_V} = BH \\ &{V_V} = {r^2}\pi H\end{aligned} \end{array} \\ & \\ &2rH = 48 \\ &rH = 24 \\ &H = \frac{{24}}{r}\end{aligned}

У правоуглом троуглу:

(2R)2=(2r)2+H2100=4r2+H2100=4r2+(24r)2100=4r2+576r2100r2=4r4+576\begin{aligned}&{\left( {2R} \right)^2} = {\left( {2r} \right)^2} + {H^2} \\ &100 = 4{r^2} + {H^2} \\ &100 = 4{r^2} + {\left( {\frac{{24}}{r}} \right)^2} \\ &100 = 4{r^2} + \frac{{576}}{{{r^2}}} \\ &100{r^2} = 4{r^4} + 576\end{aligned}

Смена: r2=t{r^2} = t

4t2−100t+576=0t2−25t+144=0t1,2=25±625−5762=25±72t1=16r2=16r=4dmH=6dmt2=9r2=9r=3dmH=8dm\begin{aligned}&4{t^2} - 100t + 576 = 0 \\ &{t^2} - 25t + 144 = 0 \\ &{t_{1,2}} = \frac{{25 \pm \sqrt {625 - 576} }}{2} = \frac{{25 \pm 7}}{2} \\ &\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&{t_1} = 16 \\ &{r^2} = 16 \\ &r = 4dm \\ &H = 6dm\end{aligned} &\begin{aligned}&{t_2} = 9 \\ &{r^2} = 9 \\ &r = 3dm \\ &H = 8dm\end{aligned} \end{array}\end{aligned}

Имамо два случаја:

1)

r=4dm;H=6dmPV=2B+MPV=2r2π+2rπHPV=2⋅16π+2⋅4π⋅6PV=32π+48πPV=80πdm2VV=BHVV=16π⋅6VV=96πdm3\begin{aligned}&r = 4dm;H = 6dm \\ &{P_V} = 2B + M \\ &{P_V} = 2{r^2}\pi + 2r\pi H \\ &{P_V} = 2 \cdot 16\pi + 2 \cdot 4\pi \cdot 6 \\ &{P_V} = 32\pi + 48\pi \\ &{P_V} = 80\pi d{m^2} \\ & \\ &{V_V} = BH \\ &{V_V} = 16\pi \cdot 6 \\ &{V_V} = 96\pi d{m^3}\end{aligned}

2)

r=3dm;H=8dmPV=2B+MPV=2r2π+2rπHPV=2⋅9π+2⋅3π⋅8PV=8π+48πPV=66πdm2VV=BHVV=9π⋅8VV=72πdm3\begin{aligned}&r = 3dm;H = 8dm \\ &{P_V} = 2B + M \\ &{P_V} = 2{r^2}\pi + 2r\pi H \\ &{P_V} = 2 \cdot 9\pi + 2 \cdot 3\pi \cdot 8 \\ &{P_V} = 8\pi + 48\pi \\ &{P_V} = 66\pi d{m^2} \\ & \\ &{V_V} = BH \\ &{V_V} = 9\pi \cdot 8 \\ &{V_V} = 72\pi d{m^3}\end{aligned}

Лопта се може уписати у ваљак само ако је ваљак једнакостранични, H=2rH = 2r; тада је полупречник лопте R=rR = r. Ваљак тада има P=6R2πP = 6R^2\pi и V=2R3πV = 2R^3\pi, а лопта 4R2π4R^2\pi и 43R3π\frac{4}{3}R^3\pi, па се и површине и запремине ваљка и лопте односе као 3:23 : 2. То је познати Архимедов резултат.

Око сваког ваљка може се описати лопта: њен центар је средиште осе, а пречник је дијагонала осног пресека, (2R)2=(2r)2+H2(2R)^2 = (2r)^2 + H^2. Кад су дати RR и површина осног пресека 2rH2rH, изразите HH преко rr, уврстите у Питагорину теорему и решите биквадратну једначину сменом r2=tr^2 = t. Оба позитивна решења могу да важе.

HrD
3 cm
6 cm
Полупречник описане лопте
4,24 cm
Највећа лопта у ваљку : ваљак
0,667
Запремина ваљка
169,6 cm³
За H=2rH = 2r у ваљак тачно стаје лопта полупречника rr и заузима 23\frac{2}{3} његове запремине; за друге мере највећа лопта у ваљку заузима мањи део. Око сваког ваљка може се описати лопта: њен пречник је дијагонала осног пресека DD.

Лоптице спаковане у ваљкасту тулу у коју тачно стају заузимају две трећине њеног простора; исти рачун користе произвођачи амбалаже и инжењери кад у куглу уклапају ваљкасти део.

Тениске лоптице у тули

Три тениске лоптице пречника 6,5 cm пакују се у ваљкасту тулу у коју тачно стају, једна изнад друге. Који део туле заузимају лоптице и колико је ваздуха у тули?

Решење

  1. Тула има r=3,25r = 3{,}25 cm и H=3⋅6,5=19,5H = 3 \cdot 6{,}5 = 19{,}5 cm, тј. H=6rH = 6r. Свака лоптица уписана је у трећину туле, једнакостранични ваљак.
  2. Тула: Vv=r2π⋅6r=6r3π≈647,1V_v = r^2\pi \cdot 6r = 6r^3\pi \approx 647{,}1 cm³.
  3. Лоптице: 3⋅43r3π=4r3π≈431,43 \cdot \frac{4}{3}r^3\pi = 4r^3\pi \approx 431{,}4 cm³.
  4. Однос: 4r3π6r3π=23\frac{4r^3\pi}{6r^3\pi} = \frac{2}{3}, па ваздух чини трећину туле: 647,1−431,4≈215,7647{,}1 - 431{,}4 \approx 215{,}7 cm³.

Одговор: Лоптице заузимају 23\frac{2}{3} туле, а у њој има око 216 cm³ ваздуха.

Задатак за вежбу

У лопту полупречника 13 cm уписан је ваљак висине 10 cm. Израчунајте површину и запремину ваљка.

Прикажи решење

Из (2⋅13)2=(2r)2+102(2 \cdot 13)^2 = (2r)^2 + 10^2 је 4r2=5764r^2 = 576 и r=12r = 12 cm. P=2⋅144π+2⋅12π⋅10=528π≈1658,8P = 2 \cdot 144\pi + 2 \cdot 12\pi \cdot 10 = 528\pi \approx 1658{,}8 cm², V=144π⋅10=1440π≈4523,9V = 144\pi \cdot 10 = 1440\pi \approx 4523{,}9 cm³.