Volumen de un Cilindro

Geometría y Medición

El volumen de un cilindro es igual a $\pi$ por el radio al cuadrado por la altura.

Formula

V = \pi r^2 h
Visualization

Definition

Para hallar el volumen de un cilindro, halla el área de la base circular ($\pi r^2$) y multiplícala por la altura: $V = \pi r^2 h$, igual al área de la base por la altura, consistente con la fórmula general del prisma $V = Bh$ ya que un cilindro es un prisma con base circular. Duplicar el radio cuadruplica el volumen (ya que $r$ está al cuadrado), mientras que duplicar la altura solo la duplica. Se deriva integrando secciones transversales circulares, $$V = \int_0^h \pi r^2 \, dz = \pi r^2 h,$$ o de manera equivalente mediante el método de capas cilíndricas, $$V = \int_0^r 2\pi t h \, dt = \pi r^2 h,$$ concordando ambos métodos, ilustrando que el volumen es independiente del enfoque de integración.

Example

Una lata con radio $3$ cm y altura $10$ cm tiene $V = \pi \times 9 \times 10 = 90\pi = 282.7$ cm$^3$. Una piscina cilíndrica de $6$ m de diámetro ($r=3$ m) y $1.5$ m de profundidad tiene $V = \pi(9)(1.5) = 13.5\pi = 42.4$ m$^3 = 42{,}412$ litros. Optimizar un cilindro de área de superficie fija $SA = 2\pi r^2 + 2\pi r h$ para volumen máximo muestra que el máximo ocurre en $h = 2r$ (altura igual al diámetro), el problema de "la lata ideal" en optimización de cálculo.

Key Insight

El volumen del cilindro es exactamente $3$ veces el volumen del cono con la misma base y altura (ya que $V_{cone} = (1/3)\pi r^2 h$), razón por la cual tres bolas de helado de un servidor con forma de cono llenan una taza cilíndrica. El problema de la lata óptima muestra que minimizar el material para un volumen fijo y maximizar el volumen para un material fijo dan ambos $h = 2r$, aunque muchas latas reales se desvían de esto debido a costos de manufactura, eficiencia de apilamiento y razones de material entre la tapa y el cuerpo.