(Q) Un bicchiere da riempire ***
Abbiamo a disposizione un bicchiere cilindrico che ha come base interna una circonferenza di raggio R. La sua altezza interna è uguale a 2R. Inseriamo 4 sfere di diametro R all'interno del bicchiere in modo che 2 di esse tocchino il fondo e le altre due si appoggino su di loro ortogonalmente, come mostra la figura che segue (in modo da occupare il minimo spazio).
A questo punto, versiamo dell'acqua nel bicchiere fino a che tutte le sfere non siano perfettamente immerse (il livello dell'acqua deve essere tangente alle due sfere superiori).
Si chiede:
Qual è il volume di acqua necessario allo scopo, in funzione di R.
N.B.: invito i nostri "super eroi" ad aspettare un paio di giorni. Per loro è un esercizio sicuramente banale.
QUI la soluzione
15 commenti
Domanda: le sfere hanno diametro o raggio R/2? Perché la posizione disegnata è per un raggio R/2,ma nel testo c'è scritto diametro
Il solito errore di stompa del proto. Le sfere ovviamente hanno diametro R e raggio R/2. Ci provo:
Sì, avete ragione ho fatto un bel pasticcio...![:oops:](http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/wp-includes/images/smilies/icon_redface.gif)
N.B.: Dovrei aver messo le cose a posto e resa più chiara la figura. Invito Francesco a riprovare in queste condizioni...
Scusate ancora...
Allora, per ragioni di simmetria i centri delle 4 sfere sono vertici di un tetraedro di spigolo =R.
.
è l'altezza dell'acqua.
I 2 segmenti che congiungono i centri delle sfere inferiori e quello delle sfere superiori
sono spigoli opposti di un tetraedro.
Ora i centri di 4 spigoli di un tetraedro sono i vertici di un quadrato,
quindi le sue diagonali sono la distanza di due spigoli opposti.
Essendo i lati del quadrato la metà degli spigoli (talete applicato a un triangolo equilatero), la distanza tra due spigoli opposti sarà R/2
Tale distanza deve essere sommata a due raggi delle sfere , cioè R.
Quindi 3/4 R
Il calcolo del volume è banale.
Mi correggo: l'altezza è 3/2 R![\sqrt{2}](http://latex.codecogs.com/gif.latex?\sqrt{2})
E' una serata non favorevole al ragionamento h= R+ R/
= R(1+1/
)
Leandro, ti dispiacerebbe scrivere la formula finale? Sarà banale, ma è sempre meglio arrivare fino in fondo...
beh si, bisogna sottrarre dal volume del cilindro=![\pi R^{2} R (1-\frac{1}{\sqrt{2}})](http://latex.codecogs.com/gif.latex?\pi&space;R^{2}&space;R&space;(1-\frac{1}{\sqrt{2}}))
il volume delle 4 sfere=![\pi \frac{2}{3}R^{3}](http://latex.codecogs.com/gif.latex?\pi&space;\frac{2}{3}R^{3})
viene![\pi R^{3} (1+\frac{1}{\sqrt{2}}-\frac{2}{3})](http://latex.codecogs.com/gif.latex?\pi&space;R^{3}&space;(1+\frac{1}{\sqrt{2}}-\frac{2}{3}))
grazie Leandro...
Occhio, Leandro, alla prima formula che hai scritto...
Il mio ragionamento è questo:
unendo i centri delle 2 sfere color sabbia in basso, il segmento congiungente sarà pari a due volte il raggio della sfera, cioè R;
successivamente, unendo i rispettivi centri delle 2 sfere sabbia in basso con il centro di una delle sfere verdi in alto, si otterranno due distanze entrambe pari ad R;
morale della favola, si disegna un triangolo equilatero di lato R, ma che giace su un piano non ortogonale al piano sul quale giace la base del bicchiere, bensì inclinato con un certo grado.
Una figura, guardando il bicchiere dall’alto, visualizza meglio:
Se invece si guarda il bicchiere da una visione laterale, il segmento inclinato è il triangolo equilatero di prima visto di “taglio”, secondo la sua dimensione di misura maggiore (il segmento tratteggiato blu), ovvero l’altezza, che in un triangolo equilatero e pari a lato × √3 / 2
allora si riesce a vedere un triangolo rettangolo di ipotenusa pari all’altezza del triangolo equilatero e di cateto minore pari al raggio della sfera che è R/2:
applicando il teorema di Pitagora, si determina la misura del segmento blu tratteggiato incluso tra i due raggi verticali delle sfere, che è anche il cateto maggiore del triangolo rettangolo di cui prima:
allora l'altezza h sarà uguale a:
= ![R (\frac{\sqrt2}{2} + 1)](http://latex.codecogs.com/gif.latex?R&space;(\frac{\sqrt2}{2}&space;+&space;1))
Non resta che calcolare il volume del cilindro di altezza h e sottrarre 4 volte il volume della sfera di raggio R/2, per ottenere il volume dell'acqua necessaria a ricoprire le sfere sino a quando il pelo dell'acqua è tangente alle sfere poste in alto:
che semplificata diventa:
P.S.
Per curiosità, il piano su cui giace il triangolo equilatero è inclinato rispetto al piano della base del bicchiere di:
≈ 54°,73561
Sperando che il tutto sia corretto...
Chiedo scusa, errata corrige:
secondo la descrizione che ho fatto, nella prima immagine ho invertito i colori delle sfere:
quelle sabbia si trovano di sotto, andamento nord-sud, le verdi sopra andamento est-ovest.
La prima formula che esprime il volume del cilindro a pelo d'acqua.
Il volume delle sfere è![\frac{4}{3}\pi \frac{R^{3}}{8}4](http://latex.codecogs.com/gif.latex?\frac{4}{3}\pi&space;\frac{R^{3}}{8}4)
=![\frac{2}{3}\pi R^{3}](http://latex.codecogs.com/gif.latex?\frac{2}{3}\pi&space;R^{3})
da cui il volume d'acqua =![\pi R^{3} (1+\frac{\sqrt{2}}{2}-\frac{2}{3})](http://latex.codecogs.com/gif.latex?\pi&space;R^{3}&space;(1+\frac{\sqrt{2}}{2}-\frac{2}{3}))
Sembra che i valori concordino con quelli di Andy.
Qualcuno si chiederà perché esiste un quadrato inscritto nel tetraedro.
Beh ogni faccia è un trangolo equilatero. se congiungiamo i punti medi di questo triangolo otteniamo un segmento pari a metà spigolo e ad esso parallelo, quindi due triangoli adiacenti hanno segmenti mediani paralleli. Stesso ragionamento per gli altri 2 triangoli equilateri. Per ragioni di simmetria anche gli angoli del quadrilatero sono uguali , quindi si tratta di un quadrato inscritto nel tetraedro. Qui la simmetria gioca un ruolo essenziale.