8.4 8.4.4 Superficies de revolución

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ci-8-4-4 8.4.4 Superficies de revolución

Cuando una curva suave gira alrededor de un eje en el espacio tridimensional genera una superficie bidimensional curva denominada superficie de revolución.

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Deducción Mediante Bandas Cónicas Infinitesimales

El área lateral de un tronco de cono circular recto de radios extremos \( r_1 \) y \( r_2 \) y generatriz inclinada \( L \) viene dada por la fórmula clásica:

$$ A_{\text{lateral}} = 2\pi r_{\text{medio}} L \quad \text{donde } r_{\text{medio}} = \frac{r_1 + r_2}{2} $$

Al considerar una porción infinitamente pequeña de la curva de longitud diferencial de arco \( ds = \sqrt{1 + [f'(x)]^2} \, dx \), al girar una vuelta completa alrededor de un eje a una distancia perpendicular \( r \), la banda barre un área lateral infinitesimal dada por:

$$ dA = 2\pi \cdot r \cdot ds $$
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Rotación alrededor del Eje de Abscisas (Eje OX)

Si la curva regular \( y = f(x) \ge 0 \) en el intervalo \( [a, b] \) gira alrededor del eje horizontal \( OX \), el radio de giro de cada punto \( (x, y) \) es exactamente su ordenada \( r = y = f(x) \). Por tanto:

$$ S = 2\pi \int_a^b f(x) \sqrt{1 + [f'(x)]^2} \, dx $$
📝 Ejemplo: de área de superficie: Área de una esfera de radio \( R \). Giramos la semicircunferencia superior \( y = \sqrt{R^2 - x^2} \) en \( [-R, R] \) alrededor del eje \( OX \)

La derivada es $$ y' = \frac{-x}{\sqrt{R^2 - x^2}} \implies 1 + (y')^2 = 1 + \frac{x^2}{R^2 - x^2} = \frac{R^2}{R^2 - x^2} $$

El producto del radio por el elemento de arco es:

$$ y \sqrt{1 + (y')^2} = \sqrt{R^2 - x^2} \cdot \frac{R}{\sqrt{R^2 - x^2}} = R $$

Integrando:

$$ S = 2\pi \int_{-R}^R R \, dx = 2\pi R [x]_{-R}^R = 2\pi R (R - (-R)) = 2\pi R (2R) = 4\pi R^2 $$

lo que prueba analíticamente la célebre fórmula de Arquímedes.

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Rotación alrededor del Eje de Ordenadas (Eje OY)

Si la curva \( y = f(x) \) para \( x \in [a, b] \) (\( a \ge 0 \)) gira alrededor del eje vertical \( OY \), el radio de giro de cada punto al eje de rotación es su coordenada horizontal \( r = x \):

$$ S = 2\pi \int_a^b x \sqrt{1 + [f'(x)]^2} \, dx $$
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Superficies de Revolución en Ecuaciones Paramétricas

Para una curva definida en paramétricas \( x = x(t), y = y(t) \) con \( t \in [t_1, t_2] \):

- Al girar alrededor del eje \( OX \) (\( y(t) \ge 0 \)):

$$ S = 2\pi \int_{t_1}^{t_2} y(t) \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} \, dt $$

- Al girar alrededor del eje \( OY \) (\( x(t) \ge 0 \)):

$$ S = 2\pi \int_{t_1}^{t_2} x(t) \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} \, dt $$

A continuación resolvemos cinco problemas prácticos avanzados con desglose minucioso:

📝 Ejemplo 1 Calcular el área de la superficie generada al girar el arco de parábola:
$$ y = \frac{x^2}{2} \quad \text{en el intervalo } [0, \sqrt{3}] $$

alrededor del eje vertical de ordenadas \( OY \)

👉 PASO 1

Identificamos el eje de rotación (eje \( OY \)), por lo que el radio de giro es \( r = x \). El intervalo es \( [0, \sqrt{3}] \)

👉 PASO 2

Calculamos la primera derivada y el elemento diferencial de arco:

$$ y' = \frac{d}{dx}\left[ \frac{x^2}{2} \right] = x \implies \sqrt{1 + (y')^2} = \sqrt{1 + x^2} $$
👉 PASO 3

Planteamos la integral del área superficial:

$$ S = 2\pi \int_0^{\sqrt{3}} x \sqrt{1 + x^2} \, dx $$
👉 PASO 4

Reconocemos que el integrando posee la derivada interna ajustada multiplicando y dividiendo por 2:

$$ S = \pi \int_0^{\sqrt{3}} (2x) (1 + x^2)^{1/2} \, dx = \pi \left[ \frac{(1 + x^2)^{3/2}}{3/2} \right]_0^{\sqrt{3}} = \frac{2\pi}{3} \left[ (1 + x^2)^{3/2} \right]_0^{\sqrt{3}} $$
👉 PASO 5

Evaluamos mediante Barrow en \( \sqrt{3} \) y en 0:

- En \( x = \sqrt{3} \):

$$ (1 + (\sqrt{3})^2)^{3/2} = (1 + 3)^{3/2} = 4^{3/2} = (\sqrt{4})^3 = 2^3 = 8 $$

- En \( x = 0 \):

$$ (1 + 0)^{3/2} = 1^{3/2} = 1 $$

Restando ambos términos:

$$ S = \frac{2\pi}{3} (8 - 1) = \frac{2\pi}{3}(7) = \frac{14\pi}{3} $$
✅ Conclusión

El área de la superficie del paraboloide es exactamente \( \frac{14\pi}{3} \approx 14.6608 \)

📝 Ejemplo 2 Calcular el área de la superficie generada por la rotación del arco de catenaria alrededor del eje de abscisas \( OX \) (superficie denominada catenoide):
$$ y = a \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \quad \text{en el intervalo } [0, a] $$
👉 PASO 1

Calculamos la derivada de la función y el diferencial de arco:

$$ y' = \sinh\left(\frac{x}{a}\right) \implies \sqrt{1 + (y')^2} = \sqrt{1 + \sinh^2\left(\frac{x}{a}\right)} = \cosh\left(\frac{x}{a}\right) $$
👉 PASO 2

Planteamos la integral del área superficial alrededor del eje \( OX \) (\( r = y \)):

$$ S = 2\pi \int_0^a y \sqrt{1 + (y')^2} \, dx = 2\pi \int_0^a \left( a \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \right) \left( \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \right) dx = 2\pi a \int_0^a \cosh^2\left(\frac{x}{a}\right) dx $$
👉 PASO 3

Empleamos la identidad del argumento doble para el coseno hiperbólico \( \cosh^2 u = \frac{1 + \cosh(2u)}{2} \):

$$ S = 2\pi a \int_0^a \frac{1 + \cosh\left(\frac{2x}{a}\right)}{2} \, dx = \pi a \int_0^a \left( 1 + \cosh\left(\frac{2x}{a}\right) \right) dx $$
👉 PASO 4

Integramos término a término:

$$ S = \pi a \left[ x + \frac{a}{2}\sinh\left(\frac{2x}{a}\right) \right]_0^a $$
👉 PASO 5

Evaluamos mediante Barrow en \( a \) y en 0:

$$ S = \pi a \left[ \left( a + \frac{a}{2}\sinh(2) \right) - (0 + 0) \right] = \pi a^2 \left( 1 + \frac{\sinh(2)}{2} \right) $$
✅ Conclusión

El área del catenoide es $$ \pi a^2 \left( 1 + \frac{1}{2}\sinh(2) \right) $$

📝 Ejemplo 3 Calcular el área de la superficie generada al girar un arco completo de cicloide alrededor de su base horizontal (eje \( OX \)):
$$ x(t) = a(t - \sin t), \quad y(t) = a(1 - \cos t) \quad (t \in [0, 2\pi]) $$
👉 PASO 1

Recordamos los elementos diferenciales de la cicloide calculados previamente:

$$ \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} = 2a \sin\left(\frac{t}{2}\right) $$

y la ordenada es $$ y(t) = a(1 - \cos t) = 2a \sin^2\left(\frac{t}{2}\right) $$

👉 PASO 2

Planteamos la integral paramétrica de superficie de revolución alrededor de \( OX \):

$$ S = 2\pi \int_0^{2\pi} y(t) \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} \, dt $$

Sustituyendo las expresiones en el ángulo mitad:

$$ S = 2\pi \int_0^{2\pi} \left( 2a \sin^2\left(\frac{t}{2}\right) \right) \left( 2a \sin\left(\frac{t}{2}\right) \right) dt = 8\pi a^2 \int_0^{2\pi} \sin^3\left(\frac{t}{2}\right) dt $$
👉 PASO 3

Realizamos el cambio de variable \( u = \frac{t}{2} \implies dt = 2 \, du \)

Límites:

Si \( t = 0 \implies u = 0 \);

si \( t = 2\pi \implies u = \pi \)

$$ S = 8\pi a^2 \int_0^\pi \sin^3(u) \cdot (2 \, du) = 16\pi a^2 \int_0^\pi \sin^3 u \, du $$
👉 PASO 4

Integramos la potencia impar del seno:

$$ \int_0^\pi \sin^3 u \, du = \int_0^\pi (1 - \cos^2 u) \sin u \, du = \left[ -\cos u + \frac{\cos^3 u}{3} \right]_0^\pi $$

Evaluando en \( \pi \) y en 0:

$$ = \left( -(-1) + \frac{(-1)^3}{3} \right) - \left( -1 + \frac{1}{3} \right) = \left( 1 - \frac{1}{3} \right) - \left( -\frac{2}{3} \right) = \frac{2}{3} + \frac{2}{3} = \frac{4}{3} $$
👉 PASO 5

Multiplicamos por la constante exterior:

$$ S = 16\pi a^2 \left( \frac{4}{3} \right) = \frac{64\pi a^2}{3} $$
✅ Conclusión

El área de la superficie engendrada es exactamente \( \frac{64\pi a^2}{3} \)

📝 Ejemplo 4 Deducir el área superficial del toro de revolución engendrado al girar la circunferencia de radio \( r \) centrada en \( (R, 0) \) (\( R > r \)) alrededor del eje vertical \( OY \)
👉 PASO 1

Parametrizamos la circunferencia de radio menor \( r \) con centro desplazado a distancia \( R \) del eje de giro:

$$ x(t) = R + r\cos t, \quad y(t) = r\sin t \quad (t \in [0, 2\pi]) $$
👉 PASO 2

Calculamos el elemento diferencial de arco:

$$ x'(t) = -r\sin t, \quad y'(t) = r\cos t \implies \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} = \sqrt{r^2(\sin^2 t + \cos^2 t)} = r $$
👉 PASO 3

Planteamos la integral de superficie de revolución alrededor del eje vertical \( OY \), donde la distancia al eje es \( x(t) = R + r\cos t \):

$$ S = 2\pi \int_0^{2\pi} x(t) \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} \, dt = 2\pi \int_0^{2\pi} (R + r\cos t) \cdot r \, dt $$
👉 PASO 4

Distribuimos e integramos en el periodo completo:

$$ S = 2\pi r \int_0^{2\pi} (R + r\cos t) \, dt = 2\pi r \left[ Rt + r\sin t \right]_0^{2\pi} $$

Evaluando en \( 2\pi \) y en 0:

$$ S = 2\pi r \left[ (R(2\pi) + r\sin(2\pi)) - (0 + 0) \right] = 2\pi r (2\pi R + 0) = 4\pi^2 R r $$
✅ Conclusión

El área superficial del toro es exactamente \( 4\pi^2 R r = (2\pi R)(2\pi r) \), que equivale al perímetro de la circunferencia generatriz multiplicado por la distancia recorrida por su centroide (Primer Teorema de Pappus-Guldin).

📝 Ejemplo 5 Analizar la Paradoja de la Trompeta de Torricelli (o Cuerno de Gabriel): demostrar que el sólido generado al girar la curva hiperbólica \( y = \frac{1}{x} \) en el intervalo no acotado \( [1, +\infty) \) alrededor del eje \( OX \) encierra un volumen finito pero posee un área superficial infinita
👉 PASO 1

Calculamos el volumen del sólido mediante el método de discos aplicando una integral impropia:

$$ V = \pi \int_1^\infty \left( \frac{1}{x} \right)^2 dx = \pi \lim_{b \to \infty} \int_1^b x^{-2} \, dx $$

Integramos:

$$ V = \pi \lim_{b \to \infty} \left[ -\frac{1}{x} \right]_1^b = \pi \lim_{b \to \infty} \left( -\frac{1}{b} - (-1) \right) = \pi (0 + 1) = \pi $$

El volumen es finito e igual exactamente a \( \pi \)

👉 PASO 2

Planteamos la integral del área de la superficie lateral de revolución:

$$ S = 2\pi \int_1^\infty y \sqrt{1 + (y')^2} \, dx $$

Calculamos la derivada y el radical:

$$ y' = -\frac{1}{x^2} \implies \sqrt{1 + (y')^2} = \sqrt{1 + \frac{1}{x^4}} > 1 \quad \forall x \ge 1 $$
👉 PASO 3

Acotamos inferiormente el integrando:

$$ y \sqrt{1 + (y')^2} = \frac{1}{x} \sqrt{1 + \frac{1}{x^4}} > \frac{1}{x} \cdot 1 = \frac{1}{x} $$
👉 PASO 4

Aplicamos el criterio de comparación para integrales impropias:

$$ S = 2\pi \int_1^\infty \frac{1}{x} \sqrt{1 + \frac{1}{x^4}} \, dx > 2\pi \int_1^\infty \frac{1}{x} \, dx $$

Calculamos la integral minorante:

$$ \int_1^\infty \frac{1}{x} \, dx = \lim_{b \to \infty} [\ln x]_1^b = \lim_{b \to \infty} \ln b = +\infty $$

Como la integral minorante diverge hacia el infinito, la integral del área superficial diverge estrictamente:

$$ S = +\infty $$
✅ Conclusión

La Trompeta de Torricelli tiene un volumen estrictamente finito (\( V = \pi \)) pero una superficie infinitamente extensa (\( S = \infty \)), lo que implica conceptualmente que se podría llenar de pintura completamente pero nunca se podría pintar toda su superficie interior.