La sección circular de una bola depende de lo cerca que pase el plano del centro. ¿Podemos hallar su radio sin medir la sección? En nuestro modelo de radio 13 cm y plano a 5 cm del centro, responde un triángulo 5–12–13. Primero distinguimos superficie y sólido.

Superficie esférica y bola rellena

Requisitos: circunferencia y círculo, Pitágoras, normal a un plano, coordenadas espaciales.

La superficie esférica de centro C y radio R>0 contiene los puntos a distancia exactamente R de C. La bola cerrada incluye los puntos a distancia no mayor que R, junto con la frontera. El centro pertenece a la bola, no a la superficie. Es la extensión espacial de la diferencia entre circunferencia y círculo relleno.

Girar un semicírculo relleno alrededor de su diámetro crea la bola; girar el arco semicircular crea la superficie esférica. Una carcasa hueca real tiene grosor y material entre dos superficies; la superficie matemática no tiene grosor. Un diámetro pasa por el centro, une dos puntos de la superficie y mide 2R.

De dónde sale la circunferencia de sección

Sea α un plano a distancia d de C, y H el pie perpendicular de C sobre α. Para cualquier X del plano, CH⊥HX y (CX)²=d²+(HX)². X pertenece a la superficie precisamente cuando CX=R; por tanto:

(HX)^(2) = (R)^(2) − (d)^(2).

Si d<R, los puntos forman una circunferencia de centro H y radio ρ=√(R²−d²). Demostramos ambos sentidos: todo punto común está en ella y todo punto de ella está a distancia R de C. Para la bola, CX≤R da el círculo relleno con esa frontera.

Circunferencia en esfera: R=13, d=5, ρ=12

CHXdρRα

Sección CHX: dos catetos y radio

CHX5 cm12 cm13 cm

Intersección, tangencia y sin corte

d=5d=13d=16
El primer panel es una vista ortográfica espacial de la esfera ideal y una zona de α. H proyecta C sobre el plano y es el centro de la circunferencia; X pertenece al plano y a la superficie. La esfera es transparente; los trazos de acento discontinuos muestran la parte lejana de la circunferencia según la dirección de vista, calculada con el mismo modelo 3D. No se miden longitudes ni ángulos del triángulo en esta vista. La marca en H proyecta un ángulo recto espacial real. El segundo es el propio plano CHX a escala uniforme 18 px/cm: CH=5, HX=12, CX=13 cm. El tercero muestra secciones centrales de esferas iguales de radio 13 cm a 4 px/cm: las trazas de planos a distancias 5,13,16 cm corresponden a circunferencia, punto tangente o intersección vacía.

En nuestro ejemplo R=13 cm y d=5 cm; así ρ=√(169−25)=12 cm. La longitud de la circunferencia es 2πρ=24π cm; el área del círculo relleno, πρ²=144π≈452,39 cm². Es el área de la sección plana, no la de toda la superficie esférica ni la de una zona curva.

Si d=0, H=C y ρ=R: un plano por el centro produce una circunferencia máxima de la superficie y un círculo máximo de la bola. Tiene el mayor radio posible entre las secciones circulares planas. Al aumentar d disminuye ρ; una foto en perspectiva no basta para medir esta relación.

Plano tangente: un único punto común

La fórmula da enseguida los otros casos. Si d>R, el segundo miembro es negativo y no hay intersección. Si d=R, HX=0 deja solo H. Es un plano tangente a la superficie esférica, y H es el punto de tangencia.

El plano tangente es perpendicular al radio en ese punto. Recíprocamente, un plano por T de la superficie perpendicular a CT solo la encuentra en T. Para otro punto X del plano, (CX)²=(CT)²+(TX)²>R². Así, por cada punto de la superficie pasa un plano tangente, determinado por T y la normal CT.

La tangencia no consiste solo en tocar el contorno dibujado en pantalla. El criterio espacial es estar a distancia R del centro o ser perpendicular al radio correspondiente.

Las coordenadas comprueban la construcción

Para nuestro centro C(1;−2;3), R=13, la ecuación es:

(x − 1)^(2) + (y + 2)^(2) + (z − 3)^(2) = 169.

El plano z=8 está a |8−3|=5 del centro. Sustituir da (x−1)²+(y+2)²=144, junto con z=8: circunferencia de centro H(1;−2;8). Sin la restricción sobre z, la ecuación en x e y describiría una superficie cilíndrica infinita.

El plano z=16 está a distancia 13 de C y es tangente en T(1;−2;16). El plano z=19 está a distancia 16 y no corta la esfera. Sustituir = por ≤ da la bola, no otra superficie esférica. Un sistema de coordenadas comprueba así definiciones y los tres casos.

Las áreas curvas y los volúmenes necesitan otras fórmulas, que veremos en G034. Aquí basta identificar circunferencia, círculo relleno, superficie o sólido antes de calcular.

Fuentes y límites

Superficie esférica y bola, tres casos y perpendicularidad tangente: Merzliak y coautores, 2019, apartado 21, pp.133–135. Además, OpenStax, Calculus Volume3, §2.2 define la superficie por equidistancia, deduce su ecuación y explica por qué omitir la restricción de z produce un cilindro. El modelo 13/5/12, coordenadas y demostración pitagórica son propios.