Лопта и полиедри – примери 4

Лопта уписана у четворострану пирамиду. Сложенији пример.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији.

Пр.6)   Одреди површину лопте која је уписана у правилну четворострану једнакостраничну пирамиду чија је ивица 2cm\sqrt 2 cm.


Пр.6)

389 png

a=2s=2‾PL=?h=a32=232=62h2=H2+(a2)2H2=64−24H=1cm(H−R):R=h:ru(H−R):R=h:a2(1−R):R=62:2262R=22(1−R)6R=2(1−R)6R=2−2R6R+2R=2R(6+2)=2R=26+2⋅6−26−2=22−46−2=2−22PL=4R2πPL=4(2−22)2πPL=(6−42)πcm2PL=2(3−22)πcm2\begin{aligned}&a = \sqrt 2 \\ &\underline {s = \sqrt 2 } \\ &{P_L} = ? \\ & \\ &h = \frac{{a\sqrt 3 }}{2} = \frac{{\sqrt 2 \sqrt 3 }}{2} = \frac{{\sqrt 6 }}{2} \\ &{h^2} = {H^2} + {\left( {\frac{a}{2}} \right)^2} \\ &{H^2} = \frac{6}{4} - \frac{2}{4} \\ &H = 1cm \\ & \\ &\left( {H - R} \right):R = h:{r_u} \\ &\left( {H - R} \right):R = h:\frac{a}{2} \\ &\left( {1 - R} \right):R = \frac{{\sqrt 6 }}{2}:\frac{{\sqrt 2 }}{2} \\ &\frac{{\sqrt 6 }}{2}R = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left( {1 - R} \right) \\ &\sqrt 6 R = \sqrt 2 \left( {1 - R} \right) \\ &\sqrt 6 R = \sqrt 2 - \sqrt 2 R \\ &\sqrt 6 R + \sqrt 2 R = \sqrt 2 \\ &R\left( {\sqrt 6 + \sqrt 2 } \right) = \sqrt 2 \\ &R = \frac{{\sqrt 2 }}{{\sqrt 6 + \sqrt 2 }} \cdot \frac{{\sqrt 6 - \sqrt 2 }}{{\sqrt 6 - \sqrt 2 }} = \frac{{2\sqrt 2 - 4}}{{6 - 2}} = \frac{{\sqrt 2 - 2}}{2} \\ & \\ &{P_L} = 4{R^2}\pi \\ &{P_L} = 4{\left( {\frac{{\sqrt 2 - 2}}{2}} \right)^2}\pi \\ &{P_L} = \left( {6 - 4\sqrt 2 } \right)\pi c{m^2} \\ &{P_L} = 2\left( {3 - 2\sqrt 2 } \right)\pi c{m^2}\end{aligned}

Центар лопте уписане у правилну пирамиду лежи на висини пирамиде. Код правилне четворостране пирамиде посматрајте пресек кроз врх, нормалан на две наспрамне основне ивице: то је једнакокраки троугао са основицом aa, крацима једнаким апотеми hh и висином HH. Велики круг лопте уписан је у тај троугао, а лопта додирује основу у њеном центру и бочне стране у тачкама на апотемама.

Одатле r=PΔs=aHa+2hr = \frac{P_\Delta}{s} = \frac{aH}{a + 2h}, или из сличних троуглова (H−r):r=h:a2(H - r) : r = h : \frac{a}{2}. Општи образац за сваки полиедар са уписаном лоптом је r=3VPr = \frac{3V}{P}. Апотему рачунате из h2=H2+(a2)2h^2 = H^2 + \left(\frac{a}{2}\right)^2; код пирамиде са свим ивицама једнаким је h=a32h = \frac{a\sqrt3}{2}. Пазите при рационалисању: 2⋅6=23\sqrt2 \cdot \sqrt6 = 2\sqrt3.

Hha/2
12 cm
8 cm
Апотема h
10 cm
Полупречник уписане лопте
3 cm
Површина лопте
113,1 cm²
За мере кутије апотема је 10 cm, а уписана лопта има r=3VP=3r = \frac{3V}{P} = 3 cm. Иста вредност излази из круга уписаног у пресек кроз врх, троугао са страницама aa, hh и hh.

Дизајнери амбалаже рачунају највећу куглу која стаје у пирамидалну кутију, а исти образац r=3VPr = \frac{3V}{P} важи за сваки полиедар у који може да се упише лопта.

Кугла у пирамидалној кутији

Поклон-кутија има облик правилне четворостране пирамиде основне ивице 12 cm и висине 8 cm. Колика је највећа кугла за купање која стане у кутију, тако да додирује дно и све четири стране?

Решење

  1. Апотема: h2=82+62=100h^2 = 8^2 + 6^2 = 100, па је h=10h = 10 cm.
  2. Пресек кроз врх је једнакокраки троугао са основицом 12 cm и крацима 10 cm: површина му је 12⋅82=48\frac{12 \cdot 8}{2} = 48 cm², а полуобим 12+10+102=16\frac{12 + 10 + 10}{2} = 16 cm.
  3. Полупречник кугле је полупречник круга уписаног у тај троугао: r=4816=3r = \frac{48}{16} = 3 cm.
  4. Провера: V=13⋅144⋅8=384V = \frac{1}{3} \cdot 144 \cdot 8 = 384 cm³ и P=144+2⋅12⋅10=384P = 144 + 2 \cdot 12 \cdot 10 = 384 cm², па је r=3VP=3r = \frac{3V}{P} = 3 cm.

Одговор: Највећа кугла има полупречник 3 cm, односно пречник 6 cm.

Задатак за вежбу

Правилна четворострана пирамида има основну ивицу 10 cm и висину 12 cm. Израчунајте полупречник и површину лопте уписане у пирамиду.

Прикажи решење

h=144+25=13h = \sqrt{144 + 25} = 13 cm. V=13⋅100⋅12=400V = \frac{1}{3} \cdot 100 \cdot 12 = 400 cm³ и P=100+2⋅10⋅13=360P = 100 + 2 \cdot 10 \cdot 13 = 360 cm², па је r=3VP=103r = \frac{3V}{P} = \frac{10}{3} cm и PL=4r2π=400π9≈139,6P_L = 4r^2\pi = \frac{400\pi}{9} \approx 139{,}6 cm².