گاما رو نصب کن!

{{ number }}
اعلان ها
اعلان جدیدی وجود ندارد!
کاربر جدید

جستجو

پربازدیدها: #{{ tag.title }}

میتونی لایو بذاری!

کرهٔ محاط در استوانه: حالتی که کره به دیوارهٔ جانبی و کف و سقف استوانه مماس باشد.

بروزرسانی شده در: 11:24 1404/09/15 مشاهده: 3     دسته بندی: کپسول آموزشی

کره‌ای در یک استوانه: یک جفت هندسی کامل

وقتی یک توپ کاملاً درون یک قوطی استوانه‌ای جای می‌گیرد، چه رابطه‌ای بین اندازه‌های آنها برقرار است؟
خلاصه: یک کره1 می‌تواند به گونه‌ای داخل یک استوانه2 قرار بگیرد که به تمام سطح داخلی آن (دیواره‌های جانبی، کف و سقف) مماس3 باشد. در این حالت ویژه که به آن «کره محاط در استوانه» می‌گویند، روابط جالبی بین شعاع و ارتفاع شکل می‌گیرد. این مقاله به زبان ساده به بررسی این مفهوم هندسی، فرمول‌های اصلی و مثال‌های ملموس از اطراف ما می‌پردازد تا برای دانش‌آموزان پایه نهم قابل درک و جذاب باشد.

شرط مماس بودن: چه زمانی یک توپ کاملاً در قوطی جا می‌شود؟

برای اینکه یک کره به طور کامل و بدون فاصله با تمام سطح داخلی یک استوانه مماس باشد، باید سه شرط اصلی برقرار شود:

بخش استوانه شرط مماس با کره تصویر ذهنی
دیواره‌های جانبی شعاع کره (r) با شعاع استوانه برابر است. توپ دقیقاً از پهلو به دیواره قوطی چسبیده است.
کف و سقف (دو پایه دایره‌ای) ارتفاع استوانه (h) با قطر کره برابر است. یعنی $h = 2r$. توپ از بالا و پایین به در قوطی فشار آورده است.
نتیجه کلی ارتفاع استوانه دو برابر شعاع آن است $(h = 2r)$. استوانه شکلی کشیده و دقیقاً به اندازه قطر توپ ارتفاع دارد.

پس رابطه اصلی این است: اگر شعاع کره $r$ باشد، آنگاه استوانه‌ای که این کره به طور کامل در آن مماس است، باید شعاع پایه‌ای برابر $r$ و ارتفاعی برابر $2r$ داشته باشد. به این حالت، محاط4 بودن کره در استوانه می‌گویند.

فرمول طلایی: در حالت کره محاط در استوانه (مماس به همه سطوح)، این رابطه‌ها همیشه برقرار است:
$R_{cylinder} = r_{sphere}$ و $h_{cylinder} = 2 \times r_{sphere}$

نسبت‌های حجم و مساحت: چه مقدار از فضای قوطی پر می‌شود؟

حالا می‌خواهیم بدانیم این کره چه بخشی از فضای داخل استوانه را اشغال می‌کند. برای این کار، حجم کره و حجم استوانه را با هم مقایسه می‌کنیم. فرمول حجم کره $V_s = \frac{4}{3} \pi r^3$ و حجم استوانه $V_c = \pi r^2 h$ است. اما یادت هست که در این حالت خاص $h = 2r$؟ پس حجم استوانه می‌شود: $V_c = \pi r^2 \times (2r) = 2 \pi r^3$.

حالا نسبت حجم کره به حجم استوانه را حساب می‌کنیم:

$\frac{V_s}{V_c} = \frac{\frac{4}{3} \pi r^3}{2 \pi r^3} = \frac{\frac{4}{3}}{2} = \frac{4}{3} \times \frac{1}{2} = \frac{2}{3}$

این یک نتیجه شگفت‌انگیز است! بدون در نظر گرفتن اندازه کره، همیشه حجم کره‌ای که به این شکل در استوانه محاط شده، دقیقاً دو سوم (۲/۳) حجم استوانه را پر می‌کند. یعنی یک سوم از فضای استوانه خالی می‌ماند.

شکل ایده‌آل برای بسته‌بندی: از توپ تنیس تا قوطی رنگ

شاید فکر کنید این یک مفهوم صرفاً ریاضی است، اما مثال‌های ملموس زیادی در اطراف ما وجود دارد. به یک قوطی استوانه‌ای توپ تنیس فکر کنید. توپ تنیس یک کره است. قوطی آن معمولاً طوری طراحی می‌شود که توپ کاملاً در آن جای گیرد و به دیواره‌ها بچسبد. اگر قوطی فقط برای یک توپ باشد، ارتفاع آن تقریباً برابر قطر توپ و عرض آن هم برابر قطر توپ است. این همان رابطه $h=2r$ است.

یا مثلاً بعضی از بسته‌بندی‌های شکلات‌های کروی شکل را در نظر بگیرید. برای اینکه شکلات در حین حمل آسیب نبیند و تکان نخورد، آن را در استوانه‌ای می‌گذارند که شکلات دقیقاً به دیواره و درپوش آن مماس باشد.

در صنعت نیز این مفهوم کاربرد دارد. مثلاً در طراحی بعضی از مخازن تحت فشار کروی که داخل محفظه‌های استوانه‌ای نگهداری می‌شوند، این روابط برای محاسبه فضای لازم و ابعاد محفظه استفاده می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

سؤال ۱: آیا هر کره‌ای را می‌توان در یک استوانه قرار داد؟ چرا؟
پاسخ: بله، اما برای اینکه کره به همه سطوح داخلی استوانه (جانب، کف و سقف) مماس باشد، استوانه باید ابعاد بسیار خاصی داشته باشد: ارتفاع آن باید دقیقاً دو برابر شعاعش باشد. در غیر این صورت، کره یا به دیواره‌ها می‌چسبد و به کف و سقف فاصله دارد، یا بالعکس.
سؤال ۲: اگر یک توپ بیلیارد به شعاع ۵ سانتی‌متر داشته باشیم، ابعاد استوانه‌ای که این توپ کاملاً و با مماس در آن قرار می‌گیرد چقدر است؟
پاسخ: با استفاده از رابطه‌ها: شعاع استوانه = شعاع توپ = ۵ سانتی‌متر. ارتفاع استوانه = ۲ × ۵ = ۱۰ سانتی‌متر. پس استوانه باید قطر پایه ۱۰ سانتی‌متر و ارتفاع ۱۰ سانتی‌متر داشته باشد.
سؤال ۳: اشتباه رایج در محاسبه حجم چیست؟
پاسخ: یک اشتباه رایج این است که فراموش کنیم ارتفاع استوانه در این حالت خاص، ۲r است. اگر ارتفاع را به اشتباه r در نظر بگیریم، نسبت حجم‌ها به اشتباه محاسبه می‌شود. همیشه به یاد داشته باشید که استوانه باید به اندازه قطر کره ارتفاع داشته باشد، نه شعاع آن.
جمع‌بندی: رابطه بین یک کره و استوانه‌ای که کره به طور کامل و مماس در آن جای گرفته، یک رابطه زیبا و ثابت در هندسه است. در این حالت، ارتفاع استوانه همیشه دو برابر شعاع آن (و شعاع کره) است و حجم کره دقیقاً دو سوم حجم استوانه را پر می‌کند. درک این مفهوم نه تنها در ریاضیات، بلکه در مشاهده طراحی بعضی از بسته‌بندی‌ها در زندگی روزمره نیز به ما کمک می‌کند.

پاورقی

1کره (Sphere): یک جسم هندسی کاملاً گرد سه‌بعدی که همه نقاط روی سطح آن از یک نقطه ثابت (مرکز) به یک فاصله (شعاع) هستند. مانند یک توپ کامل.
2استوانه (Cylinder): یک جسم هندسی با دو پایه دایره‌ای مساوی و یک سطح جانبی خمیده.
3مماس (Tangent): در هندسه، وقتی دو شکل در یک نقطه یا یک خط با هم تماس داشته باشند، بدون آن که یکدیگر را قطع کنند، به هم مماس هستند.
4محاط (Inscribed): به حالتی گفته می‌شود که یک شکل کاملاً درون شکل دیگری قرار گرفته و با آن در تماس (مماس) باشد.

هندسه فضایی کره و استوانه مماس در هندسه نسبت حجم مثال‌های کاربردی