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El principio de Cavalieri

1635
  • Bonaventura Cavalieri
Mathematical derivation of Cavalieri's Principle with geometric shapes in a historical study setting.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Also known as the método of indivisibles, this principle states that if two solids lying between two parallel planes have the property that every plane parallel to the two given planes intersects them in cross-sections of equal area, then the two solids have equal volumes. It provides a powerful method for calculating volumes of complex shapes without calculus.

El principio de Cavalieri ofrece una forma elegante e intuitiva de determinar el volumen de objetos tridimensionales. Formaliza la idea de dividir un sólido en un número infinito de secciones transversales infinitesimalmente delgadas, o «indivisibles». La idea central es que si se tienen dos sólidos y, para cada altura posible, el área de la sección transversal del primer sólido es igual al área de la sección transversal del segundo sólido, entonces sus volúmenes totales deben ser iguales. Es como comparar dos pilas de monedas; si cada moneda en una pila tiene la misma área que la moneda correspondiente en la otra pila, el volumen total de metal es el mismo, independientemente de cómo estén sesgadas o dispuestas las pilas.

Una aplicación clásica de este principio es encontrar el volumen de una esfera. Consideremos un hemisferio de radio [latex]r[/latex]. Su área de sección transversal a una altura [latex]h[/latex] desde la base es un círculo con área [latex]A = pi(r’)^2[/latex]. Por el teorema de Pitágoras, [latex]h^2 + (r’)^2 = r^2[/latex], por lo que [latex](r’)^2 = r^2 – h^2[/latex]. Así, el área es [latex]A = pi(r^2 – h^2)[/latex]. Ahora, consideremos un cilindro de radio [latex]r[/latex] y altura [latex]r[/latex], con un cono invertido del mismo radio y altura extraído de su centro. El área de la sección transversal de esta figura a una altura [latex]h[/latex] es el área del círculo mayor (del cilindro) menos el área del círculo menor (del cono). Esto da como resultado [latex]A = pi r^2 – pi h^2 = pi(r^2 – h^2)[/latex].

Since the cross-sectional areas are identical at every height [latex]h[/latex], Cavalieri’s principle states that the volume of the hemisphere is equal to the volume of the cylinder-minus-cone shape. The volume of the cylinder is [latex]\pi r^2 \cdot r = \pi r^3[/latex], and the volume of the cone is [latex]\frac{1}{3}\pi r^2 \cdot r = \frac{1}{3}\pi r^3[/latex]. Therefore, the hemisphere’s volume is [latex]\pi r^3 – \frac{1}{3}\pi r^3 = \frac{2}{3}\pi r^3[/latex]. The volume of the full sphere is twice this, or [latex]\frac{4}{3}\pi r^3[/latex]. This method, developed by Bonaventura Cavalieri in the 17th century, was a significant step towards the development of integral calculus by Newton and Leibniz.

UNESCO Nomenclature: 1204
- Geometría

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Sustancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Método de agotamiento de Arquímedes
  • Trabajo de Zu Gengzhi en la China del siglo V sobre el cálculo del volumen de una esfera.
  • El concepto de infinitesimales en las primeras matemáticas

Aplicaciones

  • calcular el volumen de una esfera
  • Derivación de la fórmula de volumen para conos y pirámides
  • cálculo integral (como concepto precursor)
  • Análisis de tomografía computarizada (TC) para la medición de volumen
  • Ingeniería geotécnica para la estimación de volúmenes de movimiento de tierras

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

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Relacionado con: principio de Cavalieri, método de los indivisibles, cálculo de volumen, cálculo integral, sección transversal, volumen de esfera, geometría sólida, cilindro.

Contexto histórico

El principio de Cavalieri

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1650
1736
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-350
-500
150
1640
1650
1747
1758

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

Invención, innovación y principios técnicos relacionados.

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