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No Boletín - Cálculo de la altura de un paralelepípedo (Ex.Jun/13)

De Laplace

1 Enunciado

Sea el paralelepípedo que tiene como aristas a los tres vectores siguientes: 
\overrightarrow{OA}=(2\vec{\imath}-3\vec{\jmath}+\vec{k})\,\mathrm{m}\,;\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,
\overrightarrow{OB}=(\vec{\imath}-\vec{k})\,\mathrm{m}\,;\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,
\overrightarrow{OC}=(\vec{\imath}+\vec{\jmath}+4\,\vec{k})\,\mathrm{m}

¿Cuánto mide la altura de este paralelepípedo si se considera que su base es la cara que tiene como lados a \overrightarrow{OA}\, y \overrightarrow{OB}\,?

2 Solución

El volumen V\, de un paralelepípedo se calcula como el valor absoluto del producto mixto de los tres vectores que definen sus aristas:

V = \left|\overrightarrow{OA}\cdot\left(\overrightarrow{OB}\times\overrightarrow{OC}\right)\right| = |18| \,\mathrm{m}^3 = 18\,\mathrm{m}^3

Por otra parte, si la base del paralelepípedo es la cara que tiene como lados a \overrightarrow{OA}\, y \overrightarrow{OB}\,, se sabe que el área S\, de dicho paralelogramo viene dada por el módulo del producto vectorial de esos dos vectores:

S = \left|\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}\right|=|3\vec{\imath}+3\vec{\jmath}+3\vec{k}|\,\mathrm{m}^2=3\sqrt{3}\,\mathrm{m}^2

Finalmente, calculamos la altura h\, del paralelepípedo como el cociente entre su volumen V\, y el área S\, de su base:

h = \frac{V}{S}=\frac{18\,\mathrm{m}^3}{3\sqrt{3}\,\mathrm{m}^2}=2\sqrt{3}\,\mathrm{m}

Veamos ahora un procedimiento alternativo para hallar la altura. Se calcula un vector \vec{N}\, normal a la base del paralelepípedo, y dividiéndolo por su módulo (normalización) se obtiene un vector unitario \vec{u}_N\, en su misma dirección:

\vec{N}=\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}\,\,\,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, \vec{u}_N=\frac{\vec{N}}{|\vec{N}|}=\frac{\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}}{|\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}|}\,

A continuación, se observa por inspección geométrica que la altura del paralelepípedo coincide con el valor absoluto de la proyección del vector-arista \overrightarrow{OC}\, sobre la dirección normal a la base. Así que dicha altura h\, se puede calcular como el valor absoluto del producto escalar del vector \overrightarrow{OC}\, por el vector unitario \vec{u}_N\,:

h=\left|\mathrm{proy}_{\parallel\vec{N}}\left[\overrightarrow{OC}\right]\right|=\left|\overrightarrow{OC}\cdot\vec{u}_N\right|=\left|\overrightarrow{OC}\cdot\frac{\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}}{|\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}|}\right|=\frac{|\overrightarrow{OC}\cdot(\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB})|}{|\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}|}=\frac{|\overrightarrow{OA}\cdot(\overrightarrow{OB}\times\overrightarrow{OC})|}{|\overrightarrow{OA}\times\overrightarrow{OB}|}=\frac{V}{S}

expresión que, como puede comprobarse, es equivalente (por permutabilidad cíclica del producto mixto) a la del procedimiento anterior.

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