En un vértice del cubo se juntan tres cuadrados; en uno del tetraedro regular, tres triángulos. ¿Son iguales esos ángulos porque hay igual número de caras? Esta lección adicional distingue ángulos de cara y diedros y explica los cinco sólidos regulares convexos.

Requisitos: ángulos espaciales, secciones, coordenadas espaciales, cubos y prismas.

Varias caras forman un ángulo

El ángulo poliedro en un vértice convexo es la región espacial entre las caras incidentes, incluida su frontera. Del vértice parten las semirrectas de arista; dos consecutivas delimitan un ángulo plano de cara. Tres caras forman un triedro; sus tres semirrectas no son coplanarias.

En el cubo hay tres ángulos planos de 90°, suma 270°. En el tetraedro regular hay tres de 60°, suma 180°. No son el valor de un solo diedro. Un diedro mide la apertura entre dos caras transversalmente a su arista común, como en G026.

Cada ángulo plano de un triedro convexo no degenerado es menor que la suma de los otros dos; los tres suman menos de 360°. Un vértice convexo con más caras también necesita suma menor que 360°: una vuelta plana completa no crea un vértice espacial convexo.

Tres caras: ángulos planos distintos

3 × 90°3 × 60°

Tetraedro, cubo, octaedro: p y q

p=3q=3p=4q=3p=3q=4

Dos lugares geométricos espaciales

ABx=0x²+y²=1z
Proyecciones paralelas propias: pantalla u=x−y/2, v=0,3x+0,45y−0,85z, cada objeto con escala uniforme propia. No conservan ángulos espaciales: 90°/60° describen modelos originales, no triángulos de pantalla. Tetraedro: (1;1;1),(1;−1;−1),(−1;1;−1),(−1;−1;1); cubo: (±1;±1;±1); octaedro: extremos de vectores coordenados unitarios con ambos signos. Estructuras transparentes; todas las aristas discontinuas por igual, sin clasificar visibilidad. Abajo izquierda es una ventana del plano infinito x=0 entre A(−2;0;0), B(2;0;0); derecha un fragmento de superficie cilíndrica infinita de radio1. Circunferencias extremas delimitan lo mostrado, no tapas.

Por qué cinco sólidos regulares

Aquí un poliedro regular convexo tiene caras poligonales regulares congruentes e igual disposición en cada vértice. Si cada cara tiene p lados y concurren q caras, p,q≥3, cada ángulo de cara mide 180°(p−2)/p:

q(180(p − 2))/(p) < 360, (p − 2)(q − 2) < 4.

Solo quedan estas parejas enteras:

SólidopqSuma angular en el vértice
Tetraedro regular33180°
Cubo43270°
Octaedro regular34240°
Dodecaedro regular53324°
Icosaedro regular35300°

La desigualdad descarta otras posibilidades: es necesaria. Construcciones separadas confirman la existencia de los cinco; la desigualdad sola no los construye. La clasificación se limita a poliedros regulares convexos del espacio euclídeo tridimensional, no a estrellados ni mallas arbitrarias.

La simetría conserva todo el sólido

El cubo se conserva al girar 90° alrededor de los centros de caras opuestas y 120° alrededor de una diagonal espacial. Para vértices (±1;±1;±1), las transformaciones (x;y;z)→(−y;x;z) y (x;y;z)→(y;z;x) llevan vértices a vértices y conservan distancias y aristas.

Una silueta fotográfica parecida no basta. La simetría espacial conserva todos los puntos, incluido el lado oculto; una proyección puede esconder diferencias.

Lugares geométricos espaciales

Un lugar geométrico incluye todos y solo los puntos con una propiedad. En el espacio puede ser un plano o superficie:

  • Los equidistantes de dos puntos distintos A,B forman el plano perpendicular a AB por su punto medio. Para A(−2;0;0), B(2;0;0), igualar distancias cuadradas se reduce a x=0 y verifica ambos sentidos.
  • Los equidistantes de tres puntos no colineales forman la recta por su circuncentro perpendicular al plano del triángulo: intersección de dos planos mediadores.
  • Los situados a distancia a>0 de z=0 forman dos planos z=±a; para a=0 queda uno.
  • Los equidistantes de planos paralelos z=0 y z=4 forman z=2, pues |z|=|z−4|.
  • Los equidistantes de planos secantes x=0 e y=0 forman dos planos bisectores x=y y x=−y: |x|=|y|.
  • Los situados a distancia a>0 del eje z forman la superficie cilíndrica infinita x²+y²=a². z es libre; no es un cilindro relleno de altura finita. Para a=0 queda el eje.

Las reglas anteriores de distancias permiten reconocer figuras que no tienen por qué ser poliedros.

Rama · Más allá del cursoOpcional · solo una breve mirada futura

Perspectiva: un cubo de cuatro dimensiones

Un cuadrado usa dos coordenadas entre 0 y 1; un cubo, tres. Con cuatro tomamos 0≤xᵢ≤1, i=1,2,3,4. En cada vértice las coordenadas valen 0 o 1, dando 2⁴=16 vértices. Es el cubo cuatridimensional o teseracto. Su proyección tridimensional no es un sexto sólido regular tridimensional; pierde información, como un dibujo plano del cubo. La geometría completa de cuatro dimensiones queda fuera de esta lección.

Al comparar estructuras, identifique caras, ángulos planos y diedros y clase de sólidos. Para un lugar geométrico formule la propiedad y compruebe ambos sentidos: el dibujo muestra un caso; la condición define toda la figura.

Fuentes y límites

Merzliak y coautores, geometría avanzada de grado10, apartado17, PDF176–178: ángulos poliedros; Nelin, grado10, §17, PDF160: lugares espaciales. Euclides, Elementos XIII.18, nota y Cambridge NRICH: cinco sólidos y restricciones angulares. John Baez, UC Riverside, 26 agosto2019: dieciséis vértices del cubo4D; el conteo por coordenadas es propio. Comprobaciones de simetrías y ejemplos propios; no se afirman dimensiones físicas adicionales.