حجم و مساحت (نهم)
این مبحث سه بخش دارد: کره، هرم و مخروط، و در پایان مسائلِ ترکیبیِ سطح و حجم (گسترده، دوران، مقطع). نکتهٔ خوبِ این فصل این است که همهچیز از چند فرمولِ کوتاه میآید و بقیهاش فهمِ شکل است.
کره: از دایره به فضا
دایره مجموعهٔ نقاطی در صفحه است که فاصلهشان از مرکز برابرِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد؛ کره دقیقاً همین تعریف است، فقط در فضا. یعنی کره تعمیمِ دایره از دو بعد به سه بعد است. همانطور که دایره فقط خطِ محیط است، کره هم در تعریفِ ریاضی فقط رویه (سطحِ بیرونی) است، نه فضایِ توپرِ داخلش؛ وقتی از «حجمِ کره» حرف میزنیم منظور فضایی است که این رویه محصور کرده.
استوانهٔ محیط بر کره: اگر کرهای به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را طوری در استوانه بگذاری که از هر طرف مماس باشد، شعاعِ قاعدهٔ استوانه ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاعش ادامهٔ فرمول را افقی ببین میشود (چون از بالا و پایین هم مماس است و قطرِ کره ادامهٔ فرمول را افقی ببین است). پس:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینآرشیمد ثابت کرد که حجمِ کره دقیقاً ادامهٔ فرمول را افقی ببین حجمِ همین استوانه است، و از همینجا فرمولِ اصلی میآید:
ادامهٔ فرمول را افقی ببیننکتهٔ شهودیِ قشنگ: ادامهٔ فرمول را افقی ببین، یعنی مساحتِ رویهٔ کره دقیقاً برابرِ مساحتِ چهار دایره به همان شعاع است.
نیمکره:
| کمیت | فرمول |
|---|---|
| حجم | ادامهٔ فرمول را افقی ببین (نصفِ حجمِ کره) |
| رویهٔ منحنی | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| مساحتِ کل (منحنی + قاعده) | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
اینکه کدامیک خواسته شده را با دقت بخوان؛ اگر جسم توپر باشد (مثلِ نیمتوپ یا کاسه)، دایرهٔ قاعده هم جزءِ سطحِ بیرونی است.
نسبتِ حجمها با نسبتِ شعاعها: اگر ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینپس اگر شعاع دو برابر شود، حجم ۸ برابر و مساحتِ رویه ۴ برابر میشود — نه دو برابر.
پوستهٔ کروی: اگر کرهای از داخل با یک حفرهٔ کرویِ هممرکز خالی شده باشد، حجمِ باقیمانده تفاضلِ دو حجم است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببیننمادِ علمی: در مسائلی مثلِ کرهٔ زمین که اعداد خیلی بزرگاند، با نمادِ علمی کار کن. مثلاً با شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کیلومتر:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینهرم و مخروط
هرم یک قاعدهٔ چندضلعی دارد و وجههایِ جانبیِ مثلثی که همه در یک نقطه (رأس) به هم میرسند. ارتفاع (ادامهٔ فرمول را افقی ببین) فاصلهٔ عمودیِ رأس تا صفحهٔ قاعده است.
هرمِ منتظم هرمی است که قاعدهاش چندضلعیِ منتظم باشد و وجههایِ جانبیاش همنهشت؛ در آن پایِ ارتفاع دقیقاً رویِ مرکزِ قاعده میافتد.
فرمولِ حجمِ هرم از کجا آمد؟ یک منشورِ مثلثی را میتوان به سه هرم با حجمهایِ مساوی تجزیه کرد. پس حجمِ هر هرم یکسومِ منشور است، و چون هر هرمی را میتوان به هرمهایِ مثلثی تجزیه کرد، این نتیجه برایِ همهٔ هرمها برقرار است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببیناصلِ مهم: دو هرم با مساحتِ قاعدهٔ برابر و ارتفاعِ برابر، حجمِ برابر دارند — حتی اگر شکلِ قاعدههایشان فرق کند.
از هرم به مخروط: اگر تعدادِ اضلاعِ قاعدهٔ هرمِ منتظم را بیشتر و بیشتر کنی، قاعده به دایره میل میکند و هرم به مخروط تبدیل میشود. پس مخروط چیزی جز حدِ هرمِ منتظم نیست و همان فرمول را دارد، فقط با ادامهٔ فرمول را افقی ببین:
ادامهٔ فرمول را افقی ببین| شکل | حجم | نسبت |
|---|---|---|
| منشور | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ۱ |
| هرم | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| استوانه | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ۱ |
| مخروط | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
سه طولِ متفاوت که نباید قاطی شوند:
| طول | نماد | تعریف | کاربرد |
|---|---|---|---|
| ارتفاعِ اصلی | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | فاصلهٔ عمودیِ رأس تا قاعده | محاسبهٔ حجم |
| ارتفاعِ جانبی | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | فاصلهٔ رأس تا وسطِ ضلعِ قاعده | محاسبهٔ مساحتِ جانبی |
| یالِ جانبی | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | فاصلهٔ رأس تا رأسِ قاعده | مسائلِ هندسی |
در مخروط این سه به فیثاغورس وصل میشوند: ادامهٔ فرمول را افقی ببین. پس اگر دو تا را دادند، سومی را دربیاور: ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
در هرمِ منتظم با قاعدهٔ مربع به ضلعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، فاصلهٔ مرکزِ قاعده تا وسطِ هر ضلع برابرِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، پس:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینمساحتِ سطح و گسترده
گسترده شکلِ مسطحی است که با تا کردنش جسمِ سهبعدی ساخته میشود؛ بهترین ابزار برایِ فهمِ مساحتِ کل، چون همهٔ وجهها را کنارِ هم و مسطح میبینی.
ادامهٔ فرمول را افقی ببینهرمِ منتظم: هر وجهِ جانبی مثلثی است با مساحتِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. اگر قاعده ادامهٔ فرمول را افقی ببین ضلع داشته باشد:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینکه ادامهٔ فرمول را افقی ببین محیطِ قاعده است. برایِ قاعدهٔ مربع: ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
مخروط: مخروط از پیچیدنِ یک قطاعِ دایره ساخته میشود که شعاعش همان ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. رابطهٔ کلیدی این است که طولِ کمانِ آن قطاع برابرِ محیطِ قاعدهٔ مخروط میشود:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینادامهٔ فرمول را افقی ببیندوران و سطحِ مقطع
اگر شکلِ مسطحی را حولِ یک خط (محورِ دوران) بچرخانی، جسمِ سهبعدی میسازد. هر نقطه به فاصلهٔ ادامهٔ فرمول را افقی ببین از محور، دایرهای به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین میسازد.
| شکلِ مسطح | محورِ دوران | جسمِ حاصل |
|---|---|---|
| مستطیلِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ضلعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین | استوانه با شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| مثلثِ قائمالزاویه با پاهایِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین | پایِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین | مخروط با شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| نیمدایره به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین | قطر | کره به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| ربعدایره به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین | یکی از شعاعها | نیمکره به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| ذوزنقهٔ قائمالزاویه | ضلعِ عمودی | کلنگی (استوانه منهایِ مخروط) |
دقت: دورانِ یک مثلثِ قائمالزاویه حولِ دو پایِ مختلف، دو مخروطِ با حجمهایِ متفاوت میدهد، چون نقشِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین جابهجا میشود.
سطحِ مقطع: برشِ کره با هر صفحهای همیشه دایره است؛ بزرگترین دایره وقتی است که صفحه از مرکز بگذرد (شعاعش ادامهٔ فرمول را افقی ببین میشود) و هرچه صفحه از مرکز دورتر باشد، دایره کوچکتر است.
نسبتِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: این نسبت میگوید جسم چقدر «فشرده» است. از میانِ همهٔ اجسام با سطحِ ثابت، کره بیشترین حجم را دارد — به همین دلیل حبابهایِ صابون، قطرههایِ آب و سیارهها کرویاند: با کمترین سطح، بیشترین حجم را نگه میدارند.
نمایِ بالا و برش: نمایِ بالایِ هرمِ منتظم همان شکلِ قاعده است با خطهایی که به مرکز میروند — نه یک دایره. و برشِ موربِ مکعب میتواند شکلهایِ متفاوتی بدهد؛ مثلاً برش از وسطِ سه ضلعی که به یک رأس میرسند، یک مثلثِ متساویالاضلاع به ضلعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین میسازد.
کرهها در جعبه: وقتی کرههایی به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را در جعبه میچینی، فاصلهٔ مرکزِ هر کره تا دیوارِ مماس ادامهٔ فرمول را افقی ببین و فاصلهٔ مرکزِ دو کرهٔ مماس ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. نکتهٔ جالب اینکه حتی در فشردهترین چینشِ ممکن، کرهها فقط حدودِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین فضا را پر میکنند و حدودِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همیشه خالی میماند — این نسبت به اندازهٔ کرهها بستگی ندارد.
مسائلِ ترکیبی
برایِ اجسامِ ترکیبی (مثلِ استوانک = استوانه + نیمکره، یا کپسول):
۱) جسم را به بخشهایِ ساده تجزیه کن؛
۲) حجمها را جمع کن (یا در حالتِ حفره، کم کن)؛
۳) برایِ مساحت، فقط سطوحِ بیرونی را بشمار و سطحِ مشترکِ چسبیده بینِ دو بخش را حذف کن.
مثلاً برایِ استوانک:
ادامهٔ فرمول را افقی ببین(قاعدهٔ بالاییِ استوانه که زیرِ نیمکره پنهان شده، سطحِ بیرونی نیست.)
مسئلههایِ ریختنِ آب: حجم ثابت میماند، پس دو فرمول را مساوی بگذار. مثلاً آبِ یک نیمکره را در استوانهای با همان شعاع بریزی:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینجالب اینکه این ارتفاع همیشه ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، مستقل از اندازهٔ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
هرم و مخروطِ ناقص (فراتر از کتاب، ولی پرتکرار در تیزهوشان): اگر مخروطی را با صفحهای موازیِ قاعده ببری، بخشِ بالایی با مخروطِ اصلی متشابه است. پس اگر نسبتِ طولی ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، نسبتِ حجمها ادامهٔ فرمول را افقی ببین است — همان قاعدهای که در کره هم دیدیم.
چند سوءتفاهمِ رایج
خیلیها فکر میکنند کره یعنی «توپ» و شاملِ فضایِ داخلش هم میشود؛ ولی در واقع در تعریفِ ریاضی کره فقط رویه است و حجمِ کره یعنی فضایی که این رویه محصور کرده.
خیلیها فکر میکنند چون فرمولِ حجمِ هرم شبیهِ منشور است، حجمشان هم نزدیک است؛ ولی در واقع هرم دقیقاً یکسومِ منشورِ همقاعده و همارتفاع است و ضریبِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هرگز حذف نمیشود.
خیلیها فکر میکنند مخروط فرمولهایِ کاملاً جدایی از هرم دارد چون یکی گرد است و دیگری چندضلعی؛ ولی در واقع مخروط فقط هرمی منتظم با بینهایت ضلع است و از همان ادامهٔ فرمول را افقی ببین پیروی میکند.
خیلیها فکر میکنند طولِ کمانِ قطاعِ بریدهشده برابرِ محیطِ دایرهٔ بزرگِ اولیه است؛ ولی در واقع برابرِ محیطِ قاعدهٔ مخروطِ نهایی است، که دایرهٔ کوچکتری است.
خیلیها فکر میکنند در اجسامِ ترکیبی، مساحتِ کل جمعِ مساحتِ کلِ تکتکِ بخشهاست؛ ولی در واقع باید سطوحِ مشترکِ چسبیده را که دیگر بیرونی نیستند کم کرد.
اشتباههایِ رایج
- گذاشتنِ قطر به جایِ شعاع در فرمولها. اگر «دهانه» یا «قطر» گفتند، اول نصف کن.
- فراموش کردنِ ضریبِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در حجمِ کره یا ضریبِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در هرم و مخروط.
- جابهجا کردنِ توانها: ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین، نه برعکس.
- اشتباه گرفتنِ ارتفاعِ جانبی (ادامهٔ فرمول را افقی ببین) با ارتفاعِ اصلی (ادامهٔ فرمول را افقی ببین)؛ حجم با ادامهٔ فرمول را افقی ببین حساب میشود و مساحتِ جانبی با ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
- استفاده از ادامهٔ فرمول را افقی ببین به جایِ فیثاغورس؛ درستش ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
- گرفتنِ ارتفاعِ استوانهٔ محیط بر کره برابرِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ درستش ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
- شمردنِ قاعدهٔ مشترک در اجسامِ ترکیبی؛ آن سطح بیرونی نیست.
- فراموش کردنِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در مساحتِ مثلثِ جانبی.
- در مخروطِ ساختهشده از قطاع، شعاعِ دایرهٔ اولیه را شعاعِ قاعده فرض کردن؛ آن شعاع در واقع ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
- گمان کردن که دو برابر شدنِ شعاع یعنی دو برابر شدنِ حجم.
نمونه سؤال
سؤال ۱: کرهای به شعاعِ ۶ سانتیمتر داریم. حجم و مساحتِ رویهٔ آن را بر حسبِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حساب کنید.
پاسخ: با ادامهٔ فرمول را افقی ببین:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینادامهٔ فرمول را افقی ببینسؤال ۲: هرمِ منتظمی با قاعدهٔ مربع به ضلعِ ۶ سانتیمتر داریم که ارتفاعِ جانبیاش ۵ سانتیمتر است. حجمش چقدر است؟
پاسخ: فاصلهٔ مرکزِ قاعده تا وسطِ ضلع برابرِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و ادامهٔ فرمول را افقی ببین. با فیثاغورس در مثلثِ قائمالزاویهای که ادامهٔ فرمول را افقی ببین، ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین میسازند:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینمساحتِ قاعده ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، پس:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینسؤال ۳: مخروطی از پیچیدنِ قطاعی از دایره به شعاعِ ۱۲ سانتیمتر و زاویهٔ مرکزیِ ۱۲۰ درجه ساخته شده. شعاعِ قاعده و ارتفاعِ این مخروط را حساب کنید.
پاسخ: شعاعِ قطاع همان ارتفاعِ جانبیِ مخروط است، پس ادامهٔ فرمول را افقی ببین. حالا:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینادامهٔ فرمول را افقی ببینسؤال ۴: حجمِ یک کره ۶۴ برابرِ حجمِ کرهٔ دیگر است. مساحتِ رویهٔ کرهٔ بزرگتر چند برابرِ کرهٔ کوچکتر است؟
پاسخ: اگر نسبتِ شعاعها ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، ادامهٔ فرمول را افقی ببین پس ادامهٔ فرمول را افقی ببین. و چون نسبتِ مساحتها ادامهٔ فرمول را افقی ببین است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینیعنی ۱۶ برابر.
سؤال ۵ (ترکیبی): مثلثِ قائمالزاویهای با پاهایِ ۶ و ۸ سانتیمتر را یکبار حولِ پایِ ۶ و بارِ دیگر حولِ پایِ ۸ میچرخانیم. حجمِ کدام مخروط بزرگتر است و چند برابر؟
پاسخ: وقتی حولِ پایِ ۶ میچرخد، همان پا ارتفاع میشود و پایِ دیگر شعاع:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینوقتی حولِ پایِ ۸ میچرخد:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینپس ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ دوران حولِ پایِ کوچکتر مخروطِ بزرگتری با حجمِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر میسازد.
سؤال ۶ (ترکیبی): استوانهای به شعاعِ ۶ و ارتفاعِ ۱۰ سانتیمتر داریم که یک مخروطِ همقاعده و همارتفاع از داخلش کنده شده. حجمِ باقیمانده چقدر است؟
پاسخ: حجمِ استوانه ادامهٔ فرمول را افقی ببین و حجمِ مخروط ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، پس باقیمانده ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتیمترمکعب. (همانطور که انتظار داریم، دقیقاً دوسومِ استوانه باقی میماند.)
سؤال ۷: ظرفی داریم به شکلِ استوانه که کفش یک نیمکرهٔ توپر است (مثلِ یک ظرفِ آزمایشگاهیِ تهگرد). شعاعِ ظرف ۴ و ارتفاعِ بخشِ استوانهایِ آن ۹ سانتیمتر است. (الف) اگر تا لبه از آب پر شود چقدر آب میگیرد؟ (ب) مساحتِ سطحِ داخلی که با آب در تماس است چقدر است؟
پاسخ: (الف) حجم مجموعِ استوانه و نیمکره است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببین(ب) سطحِ در تماس با آب = سطحِ جانبیِ استوانه + رویهٔ منحنیِ نیمکره (قاعدهٔ نیمکره داخلی است و سطحِ تماس نیست):
ادامهٔ فرمول را افقی ببینسؤال ۸: نیمدایرهای به شعاعِ ۷ سانتیمتر را حولِ قطرش میچرخانیم تا کرهای بسازیم، سپس این کره را در کوچکترین مکعبِ ممکن جا میدهیم. کره چند درصدِ حجمِ مکعب را اشغال میکند؟ (ادامهٔ فرمول را افقی ببین)
پاسخ: دورانِ نیمدایره حولِ قطر، کرهای به شعاعِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین میسازد. چون کره در مکعب محاط است، ضلعِ مکعب برابرِ قطرِ کره یعنی ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
ادامهٔ فرمول را افقی ببینادامهٔ فرمول را افقی ببیننکتهٔ جالب: این درصد همیشه ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و به اندازهٔ کره بستگی ندارد.
جمعبندی
| جسم | حجم | مساحتِ جانبی | مساحتِ کل |
|---|---|---|---|
| کره | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | — | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| نیمکره | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| هرمِ منتظم | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| مخروط | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
| استوانه | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین | ادامهٔ فرمول را افقی ببین |
سه چیز را همیشه چک کن: شعاع دادند یا قطر؛ ارتفاعِ عمودی خواسته شده یا ارتفاعِ جانبی؛ و در اجسامِ ترکیبی کدام سطح واقعاً بیرونی است. اگر این سه را درست بگیری، بقیهٔ کار فقط جایگذاری در همین جدول است.