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Diferenciado M2 · Matemáticas
Integrales · Integral definida

Volúmenes de revolución

Te conviene dominar: Identidades notables (8.° básico)
Te conviene dominar: Volumen de un cuerpo geométrico (I medio)

Un tornero de un taller de Valparaíso hace una pieza de metal: pone una barra a girar y la va desgastando hasta darle forma. Cada punto del perfil describe una circunferencia y el resultado es un sólido. Un rectángulo que gira da un cilindro, un triángulo rectángulo da un cono, un semicírculo da una esfera. ¿Se puede calcular el volumen de cualquier pieza así, aunque no tenga fórmula conocida? Con la integral definida, sí.

El método del disco

Igual que aproximabas un área con rectángulos, ahora aproximas un volumen con discos (cilindros muy finos) apilados. Cada disco, a la altura $x$, tiene radio $f(x)$ y espesor $dx$: su volumen es $\pi [f(x)]^2\,dx$. Sumando (integrando) todos los discos entre $a$ y $b$ se obtiene el volumen total.

Aproximación del volumen de un sólido de revolución alrededor del eje OX mediante discos apilados de radio f(x) y espesor dx cada disco: radio f(x), espesor dx eje OX
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La región bajo la curva $y = \sqrt{x}$ entre $x = 0$ y $x = 4$ gira alrededor del eje $OX$, como se muestra en la figura. Plantea la integral…

La región bajo la curva $y = \sqrt{x}$ entre $x = 0$ y $x = 4$ gira alrededor del eje $OX$, como se muestra en la figura.

y x 0 1 2 3 4 1 2 (4, 2) y = √x gira en torno al eje OX

Plantea la integral $V = \pi \int_{a}^{b} [f(x)]^2 \, dx$ correspondiente y calcula el volumen del sólido de revolución generado, expresando el resultado en función de $\pi$.

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Comprobar con las fórmulas que ya conoces

Antes de aplicarlo a curvas nuevas, conviene comprobarlo con los cuerpos de siempre: una recta horizontal da un cilindro, una recta oblicua por el origen da un cono, una semicircunferencia da una esfera. La integral tiene que coincidir con la fórmula geométrica.

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La función constante $f(x) = 2$ entre $x = 0$ y $x = 5$ gira alrededor del eje $OX$. a) Calcula el volumen del sólido generado mediante la integral…

La función constante $f(x) = 2$ entre $x = 0$ y $x = 5$ gira alrededor del eje $OX$.

  1. a) Calcula el volumen del sólido generado mediante la integral $V = \pi \int_{0}^{5} [f(x)]^2 \, dx$.
  2. b) ¿Qué cuerpo geométrico se ha generado? Comprueba el resultado con la fórmula del volumen de ese cuerpo.
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La semicircunferencia $y = \sqrt{9 - x^2}$ gira alrededor del eje $OX$. a) ¿Qué cuerpo geométrico se genera y entre qué límites hay que integrar? b) Calcula su volumen…

La semicircunferencia $y = \sqrt{9 - x^2}$ gira alrededor del eje $OX$.

  1. a) ¿Qué cuerpo geométrico se genera y entre qué límites hay que integrar?
  2. b) Calcula su volumen con la integral correspondiente.
  3. c) Comprueba el resultado con la fórmula $V = \frac{4}{3} \pi r^3$.
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El segmento de la recta $y = x$ comprendido entre $x = 0$ y $x = 3$ gira alrededor del eje $OX$ generando un cono. a) Calcula su volumen mediante la integral…

El segmento de la recta $y = x$ comprendido entre $x = 0$ y $x = 3$ gira alrededor del eje $OX$ generando un cono.

  1. a) Calcula su volumen mediante la integral $V = \pi \int_{0}^{3} x^2 \, dx$.
  2. b) Identifica el radio y la altura del cono y comprueba el resultado con la fórmula $V = \frac{1}{3} \pi r^2 h$.
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El error más frecuente: olvidar el cuadrado

El fallo típico en un escrito es poner $V=\pi\int f(x)\,dx$ en lugar de $V=\pi\int [f(x)]^2\,dx$. Parece un detalle, pero sin el cuadrado lo que calculas es $\pi$ veces un área, no un volumen.

Comparación entre la fórmula incorrecta sin cuadrado y la correcta con el cuadrado del radio π ∫ f(x) dx ✗ π ∫ [f(x)]² dx ✓ el radio del disco es f(x); su área es π·radio² = π[f(x)]²
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Marcos ha calculado así el volumen del sólido que genera la región bajo la curva $y = x^2 + 1$ entre $x = -1$ y $x = 1$ al girar en torno al eje $OX$: «…

Marcos ha calculado así el volumen del sólido que genera la región bajo la curva $y = x^2 + 1$ entre $x = -1$ y $x = 1$ al girar en torno al eje $OX$:

«$V = \pi \int_{-1}^{1} (x^2 + 1) \, dx = \pi \left[ \frac{x^3}{3} + x \right]_{-1}^{1} = \pi \left( \frac{1}{3} + 1 + \frac{1}{3} + 1 \right) = \frac{8\pi}{3}\ \text{u}^3$»

  1. a) Localiza el error en su planteamiento y explica en qué consiste.
  2. b) Calcula el volumen correctamente.
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El método de la arandela: volumen entre dos curvas

Si la región que gira está entre dos curvas $f(x)\ge g(x)$ y no entre una curva y el eje, cada sección ya no es un disco macizo sino un anillo (una «arandela»): un círculo de radio $f(x)$ con un agujero de radio $g(x)$.

Sección transversal con un orificio concéntrico: arandela de radio exterior f(x) y radio interior g(x) arandela: radio grande f(x), radio pequeño g(x) hueco
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El perfil de una copa de cerámica se modela con la curva $y = \sqrt{x}$, con $x$ e $y$ medidos en centímetros, que gira en torno al eje $OX$ entre $x = 0$ y $x = 9$. a)…

El perfil de una copa de cerámica se modela con la curva $y = \sqrt{x}$, con $x$ e $y$ medidos en centímetros, que gira en torno al eje $OX$ entre $x = 0$ y $x = 9$.

  1. a) Calcula el volumen interior de la copa en $\text{cm}^3$, redondeando a las unidades.
  2. b) Sabiendo que $1\ \text{cm}^3 = 1\ \text{ml}$, ¿cuál es la capacidad de la copa en mililitros? ¿Te parece una capacidad razonable para una copa? Comenta el resultado.
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La región encerrada entre la parábola $y = x^2$ y la recta $y = x$, sombreada en la figura, gira alrededor del eje $OX$ generando un sólido hueco. a) Halla los puntos de…

La región encerrada entre la parábola $y = x^2$ y la recta $y = x$, sombreada en la figura, gira alrededor del eje $OX$ generando un sólido hueco.

x y 0,5 1 0,5 1 (0, 0) (1, 1) y = x y = x²
  1. a) Halla los puntos de corte de ambas curvas.
  2. b) Plantea el volumen como una diferencia de dos integrales (método de la arandela) y calcúlalo.
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Girar en torno al eje OY

Si el giro es alrededor del eje $OY$, la lógica es la misma pero con los papeles de $x$ e $y$ intercambiados: despeja $x$ en función de $y$ y los discos se apilan en vertical.

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Un embudo cónico de laboratorio se obtiene al hacer girar la recta $y = 2x$, con $0 \le x \le 2$, en torno al eje $OY$, como se muestra en la figura (medidas en…

Un embudo cónico de laboratorio se obtiene al hacer girar la recta $y = 2x$, con $0 \le x \le 2$, en torno al eje $OY$, como se muestra en la figura (medidas en decímetros).

X Y gira en torno al eje OY 1 2 2 4 0 (2, 4) y = 2x x = 2
  1. a) Expresa $x$ en función de $y$ y plantea la integral $V = \pi \int_{c}^{d} [g(y)]^2 \, dy$ que da el volumen, indicando los límites de integración.
  2. b) Calcula el volumen del embudo.
  3. c) Comprueba el resultado aplicando la fórmula del volumen del cono, $V = \frac{1}{3} \pi r^2 h$, identificando el radio y la altura del embudo.
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La tobera de un motor de aeromodelismo es una pieza cuya pared exterior sigue el perfil de la hipérbola $y = \frac{2}{x}$ entre $x = 1$ y $x = 4$ (medidas en…

La tobera de un motor de aeromodelismo es una pieza cuya pared exterior sigue el perfil de la hipérbola $y = \frac{2}{x}$ entre $x = 1$ y $x = 4$ (medidas en centímetros), al girar en torno al eje $OX$.

  1. a) Calcula el volumen de material necesario para fabricar la pieza, suponiendo que es maciza entre el eje y el perfil.
  2. b) Si el material tiene una densidad de $2,5\ \text{g/cm}^3$, ¿cuál es la masa de la pieza? Redondea a las décimas de gramo.
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Regiones infinitas y el mismo recipiente girado de dos maneras

Dos situaciones más exigentes. Primera: si la región se extiende hasta $+\infty$, se calcula el volumen hasta $x=b$ y se hace $b\to+\infty$. Segunda: la misma región, girada en torno a ejes distintos, da sólidos distintos.

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La región infinita limitada por la hipérbola $y = \frac{1}{x}$, el eje $OX$ y la recta $x = 1$ gira alrededor del eje $OX$, generando un sólido infinito conocido como…

La región infinita limitada por la hipérbola $y = \frac{1}{x}$, el eje $OX$ y la recta $x = 1$ gira alrededor del eje $OX$, generando un sólido infinito conocido como trompeta de Torricelli, como se muestra en la figura.

y x 1 0 1 2 3 4 (1, 1) y = 1/x hasta +∞ gira en torno al eje OX
  1. a) Calcula el volumen $V(b)$ del tramo de trompeta comprendido entre $x = 1$ y $x = b$.
  2. b) Halla $\lim_{b \to +\infty} V(b)$ e interpreta el resultado: ¿es finito el volumen de la trompeta completa?
  3. c) Calcula el área de la región que ha girado, es decir, $\lim_{b \to +\infty} \int_{1}^{b} \frac{1}{x} dx$. Compara con el apartado anterior y comenta la paradoja del pintor: se puede llenar la trompeta de pintura, pero no se puede pintar su superficie.
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Considera la región del plano limitada por la parábola $y = x^2$, el eje $OX$ y la recta $x = 2$. a) Calcula el volumen del sólido que genera al girar en torno al eje…

Considera la región del plano limitada por la parábola $y = x^2$, el eje $OX$ y la recta $x = 2$.

  1. a) Calcula el volumen del sólido que genera al girar en torno al eje $OX$.
  2. b) Calcula el volumen del sólido que genera al girar en torno al eje $OY$. (Sugerencia: resta al cilindro de radio $2$ y altura $4$ el sólido que genera la región comprendida entre la curva y el eje $OY$.)
  3. c) Aunque la región que gira es la misma, los dos volúmenes no coinciden. Explica razonadamente por qué.
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Un elipsoide: el balón de rugby

Un balón de rugby es una elipse que gira en torno a su eje mayor. De $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$ se despeja $y^2=b^2\left(1-\dfrac{x^2}{a^2}\right)$, que es justo lo que pide el método del disco.

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Un balón de rugby tiene forma de elipsoide de revolución: su sección transversal es la elipse $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$, que gira en torno al eje $OX$,…

Un balón de rugby tiene forma de elipsoide de revolución: su sección transversal es la elipse $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$, que gira en torno al eje $OX$, como se muestra en la figura.

Y X a −a b −b O giro en torno al eje OX y = f(x) ≥ 0
  1. a) Despeja $y^2$ de la ecuación de la elipse y plantea la integral que da el volumen del elipsoide.
  2. b) Demuestra que el volumen de un elipsoide de revolución es $V = \frac{4}{3} \pi a b^2$.
  3. c) Un balón reglamentario tiene una longitud de $30\ \text{cm}$ ($a = 15\ \text{cm}$) y un diámetro máximo de $18\ \text{cm}$ ($b = 9\ \text{cm}$). Calcula su volumen y exprésalo en litros, redondeando a las décimas.
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Resumen

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