Треугольная пирамида и формулы для определения ее площади

Пирамида — геометрическая пространственная фигура, характеристики которой изучают в старших классах школы в курсе стереометрии. В данной статье рассмотрим треугольную пирамиду, ее виды, а также формулы для расчета площади ее поверхности.

О какой пирамиде пойдет речь?

Треугольная пирамида представляет собой фигуру, которую можно получить, если соединить все вершины произвольного треугольника с одной единственной точкой, не лежащей в плоскости этого треугольника. Согласно этому определению рассматриваемая пирамида должна состоять из исходного треугольника, который называется основанием фигуры, и трех боковых треугольников, которые имеют по одной общей стороне с основанием и соединены друг с другом в точке. Последняя называется вершиной пирамиды.

Рисунок выше демонстрирует произвольную треугольную пирамиду.

Рассматриваемая фигура может быть наклонной или прямой. В последнем случае перпендикуляр, опущенный из вершины пирамиды на ее основание, должен его пересекать в геометрическом центре. Геометрическим центром любого треугольника является точка пересечения его медиан. Геометрический центр совпадает с центром масс фигуры в физике.

Если в основании прямой пирамиды будет лежать правильный (равносторонний) треугольник, то она называется правильной треугольной. В правильной пирамиде все боковые стороны равны друг другу и представляют собой равносторонние треугольники.

Если высота правильной пирамиды такова, что ее боковые треугольники становятся равносторонними, то она называется тетраэдром. В тетраэдре все четыре грани равны друг другу, поэтому каждая из них может полагаться основанием.

Элементы пирамиды

К этим элементам относятся грани или стороны фигуры, ее ребра, вершины, высота и апофемы.

Как было показано, все стороны треугольной пирамиды являются треугольниками. Их число равно 4 (3 боковых и один в основании).

Вершины — это точки пересечения трех треугольных сторон. Не сложно догадаться, что для рассматриваемой пирамиды их 4 (3 принадлежат основанию и 1 — вершина пирамиды).

Ребра можно определить, как линии пересечения двух треугольных сторон, или как линии, которые соединяют каждые две вершины. Количество ребер соответствует удвоенному числу вершин основания, то есть для треугольной пирамиды оно равно 6 (3 ребра принадлежат основанию и 3 ребра образованы боковыми гранями).

Высота, как выше было отмечено, является длиной перпендикуляра, проведенного из вершины пирамиды к ее основанию. Если из этой вершины провести высоты к каждой из сторон треугольного основания, то они будут называться апотемами (или апофемами). Таким образом, пирамида треугольная имеет одну высоту и три апофемы. Последние равны друг другу для правильной пирамиды.

Основание пирамиды и его площадь

Поскольку основание для рассматриваемой фигуры в общем случае представляет собой треугольник, то для расчета его площади достаточно найти его высоту h_o и длину стороны основания a, на которую она опущена. Формула для площади S_o основания имеет вид:

S_o = 1/2*h_o*a

Если треугольник основания является равносторонним, тогда площадь основания треугольной пирамиды вычисляется по такой формуле:

S_o = √3/4*a²

То есть площадь S_o однозначно определяется длиной стороны a треугольного основания.

Боковая и общая площадь фигуры

Прежде чем рассматривать площадь треугольной пирамиды, полезно привести ее развертку. Она изображена на рисунке ниже.

Площадь этой развертки, образованной четырьмя треугольниками, является общей площадью пирамиды. Один из треугольников соответствует основанию, формула для рассматриваемой величины которого была записана выше. Три боковых треугольных грани в сумме образуют боковую площадь фигуры. Поэтому для определения этой величины достаточно к каждому из них применить записанную выше формулу для произвольного треугольника, а затем, сложить три полученных результата.

Если пирамида является правильной, то расчет площади боковой поверхности облегчается, поскольку все грани боковые представляют собой одинаковые равносторонние треугольники. Обозначим h_b длину апотемы, тогда площадь боковой поверхности S_b можно определить так:

S_b = 3/2*a*h_b

Эта формула следует из общего выражения для площади треугольника. Цифра 3 появилась в числители из-за того, что пирамида имеет три боковых грани.

Апотему h_b в правильной пирамиде можно вычислить, если известна высота фигуры h. Применяя теорему Пифагора, получаем:

h_b = √(h² + a²/12)

Очевидно, что общая площадь S поверхности фигуры равна сумме ее площадей боковой поверхности и основания:

S = S_o + S_b

Для правильной пирамиды, подставляя все известные величины, получаем формулу:

S = √3/4*a² + 3/2*a*√(h² + a²/12)

Площадь пирамиды треугольной зависит только от длины стороны ее основания и от высоты.

Пример задачи

Известно, что боковое ребро треугольной пирамиды равно 7 см, а сторона основания составляет 5 см. Необходимо найти площадь поверхности фигуры, если известно, что пирамида является правильной.

Воспользуемся равенством общего вида:

S = S_o + S_b

Площадь S_o равна:

S_o = √3/4*a² = √3/4*5² ≈ 10,825 см².

Для определения площади боковой поверхности, необходимо найти апотему. Не сложно показать, что через длину бокового ребра a_b она определяется по формуле:

h_b = √(a_b² — a²/4) = √(7 ² — 5²/4) ≈ 6,538 см.

Тогда площадь S_b равна:

S_b = 3/2*a*h_b = 3/2*5*6,538 = 49,035 см².

Общая площадь пирамиды составляет:

S = S_o + S_b = 10,825 + 49,035 = 59,86 см².

Заметим, что при решении задачи мы не использовали в расчетах значение высоты пирамиды.