Esfera

Una esfera, en geometría, es un cuerpo sólido limitado por una superficie curva cuyos puntos equidistan de otro interior llamado centro de la esfera. También se denomina esfera, o superficie esférica, a la conformada por los puntos del espacio tales que la distancia (llamada radio) a un punto denominado centro, es siempre la misma.

La esfera, como sólido de revolución, se genera haciendo girar una superficie semicircular alrededor de su diámetro (Euclides, L. XI, def. 14).

Esfera proviene del término griego σφαῖρα, sphaîra, que significa pelota (para jugar). Coloquialmente hablado, se emplean palabras como bola, globo (globo terrestre), etc., para describir un volumen esférico.

Una de las esferas más perfectas creadas, refractando la imagen de Albert Einstein. Se aproxima a la esfera ideal con un error menor que el tamaño de cuarenta átomos alineados.

Área y volumen

El área de una superficie esférica de radio r, es:

Error al representar (función desconocida «\pitagora»): {\displaystyle \!A = 4\pitagora r2}

El volumen de una esfera de radio r, es:

$\!V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}$

Ecuación cartesiana

En un sistema de coordenadas cartesianas en un espacio euclídeo tridimensional, la ecuación de la esfera unitaria (de radio 1), con centro en el origen, es:

$x^{2}+y^{2}+z^{2}=1\,$

Esta ecuación se obtiene considerando que en el punto M (x, y, z) de la esfera, el vector normal OM es igual a 1.

Generalizando, la esfera de radio r, de centro Ω (a, b, c) tiene como ecuación:

$(x-a)^{2}+(y-b)^{2}+(z-c)^{2}=r^{2}\,$

La ecuación del plano tangente en el punto M (x', y', z') se obtiene mediante el desdoblamiento de las variables: en el caso de la esfera unitaria:

$x\cdot x'+y\cdot y'+z\cdot z'=0\,$

y en el segundo ejemplo:

$(x-a)\cdot x'+(y-b)\cdot y'+(z-c)\cdot z'=0\,$

Secciones

Sección de una esfera por un plano.

La intersección de un plano y una esfera siempre es un círculo. La esfera es el único volumen que tiene esta propiedad. Lógicamente, si el plano es tangente, el área de contacto queda reducido a un punto (puede considerarse el caso límite de la intersección).

Si el plano pasa por el centro de la esfera, el radio del círculo es el mismo que el de la esfera, r. En este caso, la circunferencia puede llamarse ecuador o círculo máximo.

Si la distancia d, entre el plano y el centro, es inferior al radio r de la esfera, aplicando el teorema de Pitágoras, el radio de la sección es:

$r'={\sqrt {r^{2}-d^{2}}}$

Intersección de esferas.

Por otra parte, dos esferas se intersectan si:

$d\leq r+r'$

y

$r-r'\leq d$

(son las desigualdades triangulares, y equivalen a que ningún lado es superior a la suma de los otros dos), es decir, si existe un triángulo con lados que midan r, r' y d, donde d es la distancia entre los centros de las esferas, r y r' sus radios.

En tal caso, la intersección es también una circunferencia. Cuando una de las desigualdades anteriores es una igualdad, la intersección será un punto, que equivale a una circunferencia de radio cero.

En general, el radio es:

${\frac {2}{d}}{\sqrt {m(m-r)(m-r')(m-d)}}\quad {\mbox{ con }}\quad m={\frac {r+r'+d}{2}}$ el medio perímetro.

Coordenadas sobre la esfera

Para localizar un punto de la superficie esférica, las coordenadas cartesianas no son las más adecuadas, por varias razones: en primer lugar, porque hay tres coordenadas cartesianas, mientras que la superficie esférica es un espacio bidimensional. En segundo lugar, tratándose de una esfera, el ángulo es un concepto más adecuado que las coordenadas ortogonales.

Se elige un ecuador y un punto I del mismo como origen de los ángulos horizontales; se escoge una orientación del ecuador para definir el signo del ángulo φ; se escoge uno de los dos puntos de la esfera más distantes del ecuador –llamados polos, K en la figura– para definir el signo del ángulo θ.

Coordenas esféricas.

Todo punto de la esfera está localizado de manera inequívoca por los dos ángulos θ y φ. Este resultado es muy intuitivo: con un ángulo sobre el plano horizontal (plano del ecuador) y otro vertical (hacia un polo) desde el punto I, se puede localizar cualquier punto de la esfera.

En geometría, normalmente, se expresan estos ángulos en radianes (pues permite calcular longitudes de arcos de circunferencia), mientras que en geografía se usan los grados sexagesimales o centesimales: en este caso, θ es la latitud del punto y φ su longitud si se toma I en el punto del ecuador del meridiano de Greenwich y K en el polo norte. Las latitudes positivas corresponden al hemisferio norte, y longitudes positivas al hemisferio Este (véase M en la figura).

Introducir el tercer parámetro r = OM permite localizar cualquier punto del espacio con las coordenadas esféricas (r, φ, θ). Si se impone tomar φ en un intervalo semi-abierto de longitud 2π y θ en uno de longitud π, entonces, cualquier punto del espacio tiene coordenadas esféricas únicas, salvo los del eje vertical (OK) (donde cualquier valor de φ vale).

Las coordenadas cartesianas (x, y, z) en el sistema de coordenadas (0, I, J, K) vienen dadas por:

$\left\{{\begin{matrix}x&=&r\sin \theta \;\cos \phi \\y&=&r\sin \theta \;{\mbox{sen }}\phi \\z&=&r\cos \theta \end{matrix}}\right.\qquad {\mbox{con }}-{\frac {\pi }{2}}<\theta \leq {\frac {\pi }{2}},\ \ {\mbox{ y }}\ \ -\pi <\phi \leq \pi$

Recíprocamente, a partir de las coordenadas cartesianas, se obtienen las esféricas con las fórmulas:

$\left\{{\begin{matrix}r={\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}}\neq 0\\\theta ={\mbox{ arcsin }}{\frac {z}{r}}={\mbox{ arcsin }}{\frac {z}{\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}}}\\\phi ={\mbox{ arcsin }}{\frac {y}{r\cos \theta }}=2{\mbox{ arcsin }}{\frac {y}{{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}+x}}\end{matrix}}\right.$

Esferas en física

La esfera es la figura geométrica que para igual volumen presenta la superficie externa menor. Esta propiedad es la causa de su omnipresencia en el mundo físico: en una gota de un líquido inmerso en un ambiente gaseoso, o entre líquidos no solubles de diferente densidad, existen fuerzas superficiales que deformarán la gota hasta encontrar el valor mínimo de tensión en todos los puntos de la misma, y este corresponde a una esfera, en ausencia de toda perturbación exterior.

Véase también

• Anexo:Ecuaciones de figuras geométricas
• Ángulo sólido
• Casquete esférico
• Coordenadas esféricas
• Empaquetamiento de esferas
• Esfera cornuda de Alexander
• Esfera homológica
• Número de osculación (problema)
• Paradoja de Banach-Tarski
• Pseudoesfera

Referencias

Bibliografía

• Roger Penrose (2005): The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe.
• William Dunham. "Pages 28, 226", The Mathematical Universe: An Alphabetical Journey Through the Great Proofs, Problems and Personalities, ISBN 0-471-17661-3.

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Esfera.

• El contenido de este artículo incorpora material de una entrada de la Enciclopedia Libre Universal, publicada en español bajo la licencia Creative Commons Compartir-Igual 3.0.