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miércoles, 12 de agosto de 2015

Problema 149

Si el diámetro de cada uno de los tres círculos mide 10 cm y, sabiendo que son tangentes dos  a dos, encuentra la superficie de la región encerrada por ellos, que aparece coloreada de negro en la figura.



Solución:

Si unimos mediante segmentos los centros de los círculos, obtenemos la figura siguiente:


En ella observamos que el triángulo que aparece es equilátero y cada uno de sus lados mide 10 cm, al coincidir con el doble del radio de cada círculo.

Calculamos el área de dicho triángulo, utilizando previamente el teorema de Pitágoras para calcular su altura:


Así, el área del triángulo es:


Por otro lado, el triángulo, al ser equilátero, determina en cada círculo un sector circular de 60º de amplitud. El área de cada uno de estos sectores es:


El área de la región buscada coincide con la del triángulo menos la de los tres sectores circulares iguales. Por tanto:



martes, 26 de mayo de 2015

Problema 110

En un triángulo´equilátero, dividimos cada lado en tres partes iguales, de tal forma que en la parte central de cada lado construimos un triángulo equilátero cuyos lados tendrán la misma longitud que la parte sobre la que hemos construido el nuevo triángulo. Este proceso lo puedes ver en el dibujo siguiente. 


a)Si el triángulo equilátero del que partimos tenía de perímetro 81, ¿cuál es el perímetro de la figura que hemos obtenido, y qué relación guarda con el perímetro del triángulo original?

b)Si ahora repetimos en la figura que hemos obtenido el proceso seguido con el triángulo original, obtenemos la figura que se muestra en el dibujo siguiente.


¿Podrías decir cuál es el perímetro de la nueva figura y qué relación tiene con la figura de la que la hemos obtenido?, ¿qué relación tiene el perímetro de esta figura con el del triángulo inicial?

c)Repite el proceso seguido anteriormente en esta última y consigue la figura siguiente, ¿qué perímetro tendrá la figura que has conseguido?, ¿qué relación guarda con el perímetro del triángulo inicial?

d)Si el triángulo original del que partimos tiene de perímetro P, ¿cuál será el perímetro de la figura que conseguimos al repetir el proceso ocho veces?¿ y si repetimos el proceso n veces?

Solución:

a)El perímetro de la nueva figura es 108, ya que cada lado mide 9 centímetros. La relación que guarda con el perímetro del triángulo original es: 108 = (4/3) · 81

b)El perímetro de la segunda figura es 144, ya que tiene 48 lados de 3 centímetros de longitud. Este perímetro es 144 = (4/3)2 · 81

c)El perímetro de la figura construida, siguiendo este proceso, será de 192 centímetros, ya que tiene 192 lados de 1 centímetro de longitud.

La relación que existe entre este último perímetro y el del triángulo inicial es: 192 =  (4/3)3 · 81

d)Partiendo de un triángulo de perímetro P, si repetimos este proceso ocho veces, su perímetro verifica: P8 = (4/3)8 · P

Si repetimos el proceso n veces, a partir de un triángulo de perímetro P, tenemos que su perímetro es: Pn = (4/3)n · P

miércoles, 20 de mayo de 2015

Problema 107

La siguiente figura está formada por un triángulo equilátero, un rectángulo y un cuadrado, los tres con el mismo perímetro.


Si el área del cuadrado es 144 cm2, calcula el área de la figura completa.

Solución:

Como el área del cuadrado es 144 cm2, sabemos que su lado mide 12 cm y, por tanto, su perímetro es 48 cm.

Como el triángulo es equilátero y su perímetro es igual al del cuadrado, resulta que cada lado del triángulo mide 16 cm.

La base del rectángulo coincide con el lado del triángulo y, si llamamos x a su altura, como su perímetro también es 48 cm, podemos deducir que 32 + 2x = 48, de donde obtenemos que x = 8 cm.

El área de la figura es la suma de las áreas de los tres polígonos.

Área del cuadrado = 144 cm2
Área del rectángulo = 16 · 8 = 128 cm2

Para calcular el área del triángulo debemos hallar su altura, para lo que utilizamos el teorema de Pitágoras:



Ya podemos calcular el área del triángulo:


Así, el área de la figura completa es:



jueves, 14 de mayo de 2015

Problema 94

La partición de un triángulo equilátero da lugar a situaciones y planteamientos interesantes. Vamos a partir de un triángulo equilátero y estudiar algunas relaciones que se pueden establecer al partir sus lados en porciones de igual longitud.


Si en un triángulo equilátero dividimos los lados en tres partes iguales y dividimos el triángulo en tantos triángulos equiláteros como sea posible, tenemos una figura como la que sigue.


Como puedes observar hemos obtenido 9 triángulos equiláteros cuyos lados tienen de longitud la tercera parte de la longitud de los lados originales.

Si dividimos los lados en 4, 5, 6 o más partes obtendremos figuras con un mayor número de triángulos.

-Si dividimos los lados de un triángulo equilátero en n partes iguales, ¿cuántos triángulos equiláteros obtendríamos si sus lados tienen de longitud (1/n) ·a, siendo a la longitud de los lados originales?

-Numerando las diferentes filas de triángulos que se forman, al dividir los lados en n partes iguales, como se muestra en la figura siguiente, ¿cuántos triángulos compondrán la fila n-ésima?


-Si al efectuar la división de los lados en partes iguales quitamos después los triángulos de las esquinas, como se muestra en la figura, obtenemos un hexágono cuya área variará dependiendo de las partes iguales en que hayamos dividido los lados, ¿podrías decir que porción del área del triángulo original se elimina al quitar los triángulos de las esquinas cuando hemos dividido los lados en n partes iguales?


Solución:

En primer lugar dibujamos el triángulo en el que hemos  dividido los lados en seis partes iguales.


Elaborando las tablas de cada caso, obtendremos la ley de generalización.


Luego, si dividimos los lados del triángulo en n partes, obtenemos n2 triángulos. 


Así, si dividimos los lados del triángulo en n partes, obtenemos (2n-1) triángulos en la fila n.


Por tanto, si dividimos los lados del triángulo en n partes, obtenemos que la porción de área que perdemos al quitar las esquinas es 3/n2.

domingo, 10 de mayo de 2015

Problema 92

Se tiene un círculo de cartulina cuyo radio mide diez centímetros. Se le recortan seis segmentos circulares iguales, de forma que el círculo se convierte en un hexágono regular.


¿Cuánto mide el perímetro de dicho hexágono?

¿Qué superficie de cartulina se ha recortado?

Solución:

Se observa que el hexágono obtenido está formado por seis triángulos equiláteros, cuyo lado coincide con el radio del círculo inicial. 


Por tanto, el perímetro del hexágono mide 60 centímetros.

Utilizando el teorema de Pitágoras es fácil calcular el área de un triángulo equilátero de lado 10 centímetros:


De esta forma, la superficie del hexágono es:


El área del círculo inicial es:



Así,la cartulina recortada tiene:



miércoles, 22 de abril de 2015

Aplicación de Geometría: mosaicos

Como aplicación de la geometría plana es posible resolver un problema que se nos puede plantear en nuestra vida cotidiana: ¿cómo conseguir embaldosar un comedor, un paseo,... utilizando un número finito de figuras iguales sin dejar huecos?


Si queremos que estas figuras usadas sean polígonos regulares, sólo es posible hacerlo con cuadrados, triángulos equiláteros y hexágonos regulares, de la siguiente forma:
Aunque también podríamos hacer el embaldosado combinando varias de estas figuras. Por ejemplo, con triángulos equiláteros y hexágonos regulares podemos obtener el siguiente enlosado:


Con estos cubrimientos del plano obtenemos lo que se denomina un mosaico.

Algunos estudiosos de la Historia afirman que los mosaicos más antiguos que se conocen eran elaborados por artesanos griegos (también persas y egipcios) a base de guijarros en el siglo VIII a.C. y cubrían calles y plazas (aunque, algunos historiadores fijan su origen en Mesopotamia hacia el 3000 a.C.). Los romanos perfeccionaron la técnica de su elaboración. En la Alhambra de Granada se puede disfrutar de mosaicos de increíble colorido y belleza en sus patios, paredes y columnas.

Hay muchas formas de elaborar mosaicos, algunos de una complejidad importante, como los de M.C. Escher.

Vemos a continuación una de las formas de construir mosaicos triangulares, a partir de un triángulo equilátero.

1. Partiendo de un triángulo equilátero, marcamos en cada lado la mitad, recortamos un trozo con la forma que queramos de una de las mitades. 

Como se observa fácilmente en la figura anterior, el trozo recortado no tiene porqué ser el mismo en los tres lados.


2. En cada uno de los lados, mediante un giro de 180º,  añadimos el trozo recortado a la otra mitad del lado. Y de esta forma, se obtiene una figura con la que es posible embaldosar cualquier habitación o cubrir cualquier plano.



Una vez efectuados los tres pasos anteriores, si se construyen varias losetas iguales a la obtenida, se pueden encajar sin quedar huecos entre ellas, y creando el mosaico triangular para ir cubriendo el plano.


Como curiosidad, al utilizar la técnica anterior recortando en la mitad de cada lado del triángulo equilátero un semicírculo, se obtienen los mosaicos que adornan la sala de los baños reales de la Alhambra.

Vemos ahora otra forma de construir mosaicos, en este caso mosaicos cuadrados.

1. Partiendo de un cuadrado, recortamos la figura que queramos de uno de sus  lados.

2. Mediante un giro de 90º sobre uno de los vértices, lo colocamos sobre el lado adyacente.

3. Repitiendo el proceso en los otros dos lados, se obtiene la figura siguiente.


 Del mismo modo que en la técnica anterior, encajando varias losetas como la obtenida en este proceso se puede cubrir el plano mediante un mosaico.

El mosaico que se obtiene con esta loseta es el que se muestra en la siguiente figura.

Optimización

En un triángulo isósceles de 18 cm de perímetro, ¿cuál debe ser la altura para que su superficie sea máxima?

En ese caso, ¿cuánto medirían los lados del triángulo?

Solución:


Consideramos el triángulo con la notación indicada en la figura.
Como el perímetro es 18 cm, sabemos que 2x + 2y = 18, lo que equivale a que x+y = 9. Luego y = 9 – x.

La función que queremos optimizar es su superficie, es decir, la función S = 2x·h/2 = x·h

Para dejar S en función de una sola variable, intentamos expresar x en función de la altura, para lo que utilizamos el teorema de Pitágoras:
x2 + h2 = y2; x2 + h2 = (9-x)2; x2 + h2 = 81 + x2 – 18x;
h2 – 81 = -18x; x= (81 – h2)/18

Así, ya podemos escribir la función de la forma siguiente:



Calculamos su derivada e igualamos a cero:



Así, la superficie del triángulo es máxima cuando su altura es:

En este caso, los lados del triángulo miden:



Luego, se observa que se trata de un triángulo equilátero, cuyos lados miden 6 cm.



domingo, 12 de abril de 2015

Problema 68

Sabiendo que el perímetro del hexágono es 60 cm, calcula el área de la región coloreada de negro.


Solución:

Como el hexágono es regular, cada uno de sus lados mide 10 cm y, además, se descompone en seis triángulos equiláteros de lado 10cm, como se ve en la figura siguiente.
Cada uno de los semicírculos de la figura mide 10 cm de diámetro, por lo que el área de los seis equivale a la de tres círculos de radio 5 cm.

Hallando la longitud de la apotema del hexágono tendremos la longitud del radio del círculo exterior, coloreado de negro, pues será dicha apotema más el radio de un semicírculo. Y dicha apotema coincide con la altura de cada uno de los triángulos.

Aplicando el teorema de Pitágoras, se deduce que dicha altura es:

Ahora podemos calcular todas las superficies que nos interesan:


El área de la región coloreada de negro será: