Tema 12 de 35Trigonometría

Ángulos verticales: ángulo de observación, ángulo de depresión. Ángulos de observación

Aprenderás a interpretar ángulos de observación, elevación y depresión para calcular alturas y distancias inaccesibles, dibujando correctamente el plano vertical y aplicando razones trigonométricas.

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En el tema anterior aprendimos a resolver triángulos rectángulos: dados un lado y un ángulo agudo, o dos lados, podíamos hallar los demás elementos usando las razones trigonométricas. Ahora vamos a aplicar esa herramienta a situaciones reales en las que un observador mira un objeto que está por encima o por debajo de su línea horizontal.

El problema que resuelve este tema es: si conozco el ángulo con que una persona, un piloto, un topógrafo o una cámara observa un objeto, y conozco una distancia horizontal o una altura, ¿cómo calculo alturas, distancias o desniveles inaccesibles?

En el examen de admisión de la UNMSM, los ángulos verticales —en particular los de elevación y depresión— son muy frecuentes. Casi todos los años aparece una o dos preguntas. No son preguntas de simple memoria: piden interpretar el enunciado, dibujar correctamente el plano vertical, ubicar el ángulo en el lugar correcto y plantear triángulos rectángulos.

En este tema aprenderás:

  • qué son los ángulos verticales, de elevación, de depresión y de observación;
  • cómo graficar correctamente un problema, incluso cuando hay altura del observador;
  • cómo usar la tangente, el seno y el coseno en estos contextos;
  • cómo resolver los casos recurrentes del examen;
  • qué errores se cometen con más frecuencia al plantear estos problemas.

Este tema encadena directamente con el siguiente, «Razones trigonométricas de un ángulo en posición normal», porque aquí seguimos trabajando ángulos en planos referidos a una horizontal; allí generalizaremos la idea de ángulo al plano cartesiano.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Solo recordemos lo esencial del tema anterior.

En un triángulo rectángulo, si θ\theta es uno de los ángulos agudos:

sin⁡θ=cateto opuesto a θhipotenusa \sin\theta = \frac{\text{cateto opuesto a } \theta}{\text{hipotenusa}}

cos⁡θ=cateto adyacente a θhipotenusa \cos\theta = \frac{\text{cateto adyacente a } \theta}{\text{hipotenusa}}

tan⁡θ=cateto opuesto a θcateto adyacente a θ \tan\theta = \frac{\text{cateto opuesto a } \theta}{\text{cateto adyacente a } \theta}

Además, conviene recordar los triángulos rectángulos notables más usados en estos problemas:

Ángulo seno coseno tangente
30∘30^\circ 12 \frac{1}{2} 32 \frac{\sqrt{3}}{2} 13=33 \frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{3}
45∘45^\circ 22 \frac{\sqrt{2}}{2} 22 \frac{\sqrt{2}}{2} 11
60∘60^\circ 32 \frac{\sqrt{3}}{2} 12 \frac{1}{2} 3 \sqrt{3}
37∘37^\circ 35 \frac{3}{5} 45 \frac{4}{5} 34 \frac{3}{4}
53∘53^\circ 45 \frac{4}{5} 35 \frac{3}{5} 43 \frac{4}{3}

Los ángulos 37∘37^\circ y 53∘53^\circ se toman como los ángulos agudos del triángulo rectángulo de lados 33, 44 y 55. En los problemas de admisión peruanos se usan con mucha frecuencia.

La razón trigonométrica más utilizada en ángulos verticales es la tangente, porque normalmente se conoce una distancia horizontal y se pide una altura, o viceversa. Pero no es la única: si el dato es una distancia a lo largo de la visual, esa distancia es la hipotenusa del triángulo rectángulo y entonces se usan el seno o el coseno.


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1. Plano vertical, línea visual y línea horizontal

Un ángulo vertical no es un ángulo formado por una recta vertical. El nombre se debe a que el ángulo está contenido en un plano vertical.

Imagina una pared: es un plano vertical. Si en esa pared dibujas al observador, el objeto observado y la visual entre ellos, estás trabajando en un plano vertical. El piso, por contraste, se considera un plano horizontal.

En todo problema de ángulos verticales intervienen dos líneas:

  • Línea horizontal: recta imaginaria paralela al piso que pasa por el ojo del observador o por el punto de observación.
  • Línea visual: recta imaginaria que une el ojo del observador con el objeto observado.

El ángulo entre estas dos líneas es lo que llamamos ángulo vertical.

Dependiendo de si el objeto observado está por encima o por debajo de la línea horizontal, el ángulo será de elevación o de depresión.

Ángulo vertical θ entre la línea horizontal y la visual


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2. Ángulo de elevación

Idea intuitiva

Cuando estás en el suelo y levantas la mirada para ver la parte más alta de un poste, de una torre o de un edificio, el ángulo que tu visual forma con la horizontal se llama ángulo de elevación.

Definición

El ángulo de elevación es el ángulo vertical formado por la línea horizontal que pasa por el ojo del observador y la línea visual, cuando la visual está por encima de dicha horizontal.

Ejemplo numérico inmediato

Desde un punto del suelo situado a 2020 m de la base de un poste, una persona observa la cima con un ángulo de elevación de 45∘45^\circ. ¿Cuánto mide el poste?

Como el suelo es horizontal y el poste es vertical, se forma un triángulo rectángulo. El cateto adyacente al ángulo de 45∘45^\circ es 2020 m; el cateto opuesto es la altura hh del poste.

tan⁡45∘=h20 \tan 45^\circ = \frac{h}{20}

Como tan⁡45∘=1\tan 45^\circ = 1,

1=h20⇒h=20 m 1 = \frac{h}{20} \quad\Rightarrow\quad h = 20\text{ m}

La altura del poste es 2020 m.

Observador O en el suelo con ángulo de elevación de 45°

Lo que debes notar

Cuando el observador está en el suelo y observa un objeto vertical, la altura del objeto es el cateto opuesto al ángulo de elevación y la distancia horizontal es el cateto adyacente. Por eso:

tan⁡(aˊngulo de elevacioˊn)=altura del objetodistancia horizontal \tan(\text{ángulo de elevación}) = \frac{\text{altura del objeto}}{\text{distancia horizontal}}

siempre que el ojo del observador esté al nivel de la base del objeto.


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3. Ángulo de depresión

Idea intuitiva

Cuando estás en lo alto de un edificio y bajas la mirada para ver un auto en la pista, un barco en el mar o la base de una torre, tu visual está por debajo de la horizontal. El ángulo entre la horizontal y tu visual se llama ángulo de depresión.

Definición

El ángulo de depresión es el ángulo vertical formado por la línea horizontal que pasa por el ojo del observador y la línea visual, cuando la visual está por debajo de dicha horizontal.

Ejemplo numérico inmediato

Desde un acantilado de 100100 m de altura, un observador ve una balsa con un ángulo de depresión de 30∘30^\circ. ¿A qué distancia horizontal de la base del acantilado está la balsa?

El desnivel de 100100 m es el cateto opuesto al ángulo de 30∘30^\circ, y la distancia horizontal dd es el cateto adyacente.

tan⁡30∘=100d \tan 30^\circ = \frac{100}{d}

33=100d \frac{\sqrt{3}}{3} = \frac{100}{d}

d=1003 m d = 100\sqrt{3}\text{ m}

Ángulo de depresión desde un acantilado de 100 m

Aspecto clave

El ángulo de depresión se mide desde la horizontal hacia abajo, no desde la vertical. Este es uno de los errores más comunes.

Cuando se da una distancia “a lo largo de la visual” y un ángulo de depresión, esa distancia es la hipotenusa del triángulo rectángulo. Entonces se usa seno para calcular el desnivel y coseno para la distancia horizontal.


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4. Una propiedad fundamental: la depresión y la elevación correspondientes

Imagina dos puntos AA y BB, con AA más alto que BB. Si un observador en AA observa BB con un ángulo de depresión β\beta, entonces un observador en BB observaría AA con un ángulo de elevación β\beta.

Ambos ángulos son iguales.

¿Por qué?

La horizontal que pasa por AA y la horizontal que pasa por BB son rectas paralelas. La visual que une AA con BB es una recta transversal a esas dos paralelas.

El ángulo de depresión en AA y el ángulo de elevación en BB son ángulos alternos internos. Por lo tanto, son congruentes.

Ángulos alternos internos: depresión y elevación son iguales

Esta propiedad permite “trasladar” un ángulo de depresión al triángulo rectángulo ubicado en la parte inferior, lo que facilita mucho el planteo.

Ejemplo breve

Si desde lo alto de un edificio se observa un auto con un ángulo de depresión de 37∘37^\circ, entonces el auto, si mirara hacia el punto de observación, vería ese punto con un ángulo de elevación de 37∘37^\circ. En el triángulo rectángulo, el ángulo agudo en la base del edificio es 37∘37^\circ.


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5. Ángulo de observación

¿Qué es?

El ángulo de observación es el ángulo formado por dos líneas visuales que permiten observar la totalidad de un objeto: una visual dirigida a su parte más baja y otra visual dirigida a su parte más alta.

Por ejemplo, para observar completamente un edificio, necesitas trazar una visual a la base y otra a la cima. El ángulo entre esas dos visuales es el ángulo de observación del edificio.

Cuidado con los casos

  • Si el observador está en el suelo y el objeto está completamente por encima de él, la visual a la base del objeto es prácticamente horizontal. Entonces el ángulo de observación coincide con el ángulo de elevación a la cima.

  • Si el observador está a media altura, de modo que una parte del objeto queda por encima de su horizontal y otra parte queda por debajo, el ángulo de observación es la suma del ángulo de elevación a la cima y el ángulo de depresión a la base.

Ángulo de observación (α+β) desde un punto intermedio

Ejemplo breve

Desde un punto intermedio, la cima de una torre se observa con elevación de 50∘50^\circ y su base con depresión de 20∘20^\circ. Entonces el ángulo de observación de la torre es:

50∘+20∘=70∘ 50^\circ + 20^\circ = 70^\circ

No siempre se pide explícitamente el ángulo de observación en el examen, pero entenderlo ayuda a interpretar correctamente los problemas en los que se observan simultáneamente la parte superior e inferior de un objeto.


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6. Cuando el observador no está en el suelo: altura del observador

Muchos problemas mencionan que el observador está de pie en el suelo y con una estatura de 1,51{,}5 m, o que usa un teodolito a 1,601{,}60 m del suelo, o que observa desde la ventana de un edificio.

En esos casos hay que ubicar correctamente el nivel del ojo.

La horizontal que pasa por el ojo del observador divide al objeto observado en dos partes:

  • una parte inferior, desde la base del objeto hasta el nivel del ojo;
  • una parte superior, desde el nivel del ojo hasta la cima.

La parte inferior suele ser precisamente la altura del observador. La parte superior se calcula con el ángulo de elevación y la distancia horizontal.

Ejemplo

Un topógrafo con un teodolito ubicado a 1,601{,}60 m del suelo observa la cima de un peñasco con un ángulo de elevación θ\theta, desde una distancia horizontal de 120120 m. Si tan⁡θ=34\tan\theta = \frac{3}{4}, ¿cuál es la altura del peñasco?

La parte que está por encima del nivel del teodolito es:

h1=120×tan⁡θ=120×34=90 m h_1 = 120 \times \tan\theta = 120 \times \frac{3}{4} = 90\text{ m}

La altura total del peñasco es:

H=h1+1,60=91,60 m H = h_1 + 1{,}60 = 91{,}60\text{ m}

Observación de un peñasco con teodolito


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7. Terrenos inclinados y ángulo de inclinación

No todos los problemas ocurren en un terreno perfectamente horizontal. A veces se menciona una colina, una cuesta, un camino inclinado o una ladera.

En esos casos se introduce el ángulo de inclinación: el ángulo que forma la superficie inclinada con la horizontal.

Sea θ\theta el ángulo de inclinación de una colina. Desde un punto de esa colina se puede observar, por ejemplo, la cima de una torre que crece verticalmente desde la ladera. El ángulo de elevación puede estar referido a la horizontal o a la línea de la colina.

Ángulos θ y β en una colina; el ángulo con la horizontal es θ+β o β−θ

Idea clave

Cuando hay una colina inclinada, lo primero es decidir respecto a qué línea está medido cada ángulo.

  • Si el ángulo es de inclinación, se mide respecto a la horizontal.
  • Si es un ángulo de elevación sobre una colina, puede estar medido respecto a la superficie inclinada.

En el nivel de la UNMSM, las preguntas con colinas son menos frecuentes, pero conviene conocer el concepto porque algunos problemas de compendios y prácticas lo incluyen.


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8. Método general para resolver problemas de ángulos verticales

A continuación, un procedimiento ordenado que funciona para la gran mayoría de ejercicios.

Paso 1: Ubica al observador

Determina dónde está el observador. Puede ser una persona, un piloto, una cámara, un topógrafo, etc.

Paso 2: Traza la horizontal que pasa por el ojo del observador

Esta horizontal es la referencia. Si el enunciado no menciona altura del observador, se le suele considerar un punto sobre el plano de referencia; es decir, su horizontal es el propio suelo.

Si hay altura del observador, dibújala y traza la horizontal desde su ojo.

Paso 3: Dibuja las visuales

Cada vez que el enunciado diga “observa”, “visualiza” o similar, traza una línea visual desde el ojo hasta el punto observado.

  • Si el punto observado está arriba de la horizontal: ángulo de elevación.
  • Si el punto observado está abajo de la horizontal: ángulo de depresión.
  • Si se observan dos puntos extremos de un objeto, entre ambas visuales se forma el ángulo de observación.

Paso 4: Marca los triángulos rectángulos

Los objetos verticales y el suelo horizontal forman triángulos rectángulos. Identifica en cada uno:

  • cateto vertical: altura o desnivel;
  • cateto horizontal: distancia horizontal;
  • hipotenusa: visual, si corresponde.

Paso 5: Plantea razones trigonométricas

La razón más usada es la tangente:

tan⁡θ=desnivel verticaldistancia horizontal \tan\theta = \frac{\text{desnivel vertical}}{\text{distancia horizontal}}

Si la visual es la hipotenusa, usa:

sin⁡θ=desnivelvisual,cos⁡θ=distancia horizontalvisual \sin\theta = \frac{\text{desnivel}}{\text{visual}}, \qquad \cos\theta = \frac{\text{distancia horizontal}}{\text{visual}}

Paso 6: Usa distancias comunes

En problemas con dos ángulos o dos observadores, suele haber una misma distancia horizontal o una misma altura. Esa cantidad es la que conviene igualar o relacionar.

Paso 7: Resuelve el sistema

Muchas veces se obtiene un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas.


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9. Situaciones recurrentes en el examen

9.1 Un observador que se acerca o se aleja de un objeto

Se observa un mismo punto alto desde dos posiciones distintas, con dos ángulos de elevación o de depresión diferentes. La distancia entre las dos posiciones del observador permite plantear una ecuación.

Sea hh la altura del objeto y xx la distancia horizontal desde la posición más cercana. Si el observador avanza una distancia dd hacia el objeto:

posicioˊn lejana: h=(x+d)tan⁡θ1 \text{posición lejana: } h = (x+d)\tan \theta_1

posicioˊn cercana: h=xtan⁡θ2 \text{posición cercana: } h = x \tan \theta_2

Igualando hh, se halla xx y luego hh.

9.2 Dos observadores a lados opuestos de un objeto

Dos cámaras, dos personas o dos puntos en el suelo observan la cima de un poste desde lados opuestos.

Si la distancia entre los dos observadores es DD, y uno de ellos está a distancia xx del objeto, el otro está a D−xD-x. Entonces:

h=xtan⁡α h = x \tan \alpha

h=(D−x)tan⁡β h = (D-x)\tan \beta

Este tipo de problema apareció en la pregunta de la UNMSM 2020-I con ángulos de 30∘30^\circ y 60∘60^\circ.

9.3 Observación de base y cima desde un punto intermedio

Desde una ventana, un globo o cualquier punto situado a media altura, se observa la base de un edificio con depresión β\beta y su cima con elevación α\alpha. Si la distancia horizontal es dd, la altura del objeto observado es:

H=dtan⁡α+dtan⁡β=d(tan⁡α+tan⁡β) H = d\tan\alpha + d\tan\beta = d\left(\tan\alpha + \tan\beta\right)

La parte correspondiente a la depresión es dtan⁡βd\tan\beta, y es también la altura a la que se encuentra el observador respecto a la base del objeto observado.

Altura de un objeto observado desde un punto intermedio

9.4 Móviles: avión, auto o bote en movimiento

Son preguntas de mayor dificultad. Un avión vuela a altura constante y observa un auto en una pista; después de unos segundos, el ángulo de depresión cambia porque el avión, el auto o ambos se han movido.

Lo más importante aquí es dibujar dos instantes y analizar cómo cambia la distancia horizontal entre la proyección del avión sobre el suelo y el auto.

  • Si el avión y el auto se mueven en la misma dirección, la distancia horizontal varía según la diferencia de sus recorridos.
  • Si el avión avanza más rápido que el auto y lo observa desde atrás, la distancia horizontal entre ambos se reduce.
  • Si se mueven en direcciones opuestas, la distancia horizontal cambia según la suma de sus recorridos.

9.5 Objetos alineados en una misma visual

En algunos problemas se dice que dos objetos de alturas diferentes se observan “en una misma dirección” o “alineados”. Esto significa que sus cimas están sobre la misma línea visual desde el ojo del observador.

Si el observador ve la cima de un poste pequeño y la cima de un poste más alto en la misma visual, los triángulos rectángulos formados son semejantes, porque comparten el mismo ángulo de elevación.

9.6 Visual como hipotenusa

No siempre la distancia es horizontal. A veces dicen “el piloto observa un objeto a 55 km de distancia” o “un topógrafo está a 2020 m de la cima”. Esa distancia está a lo largo de la visual, por lo tanto es la hipotenusa.

En esos casos, para calcular la altura o el desnivel conviene usar el seno o el coseno.


Cuidado

Errores frecuentes

1. Medir el ángulo de depresión desde la vertical

El ángulo de depresión se mide desde la horizontal hacia abajo. Si se mide desde la vertical, se obtiene el complemento, y todo el triángulo queda mal planteado.

2. No trazar la horizontal que pasa por el ojo

Muchos estudiantes dibujan el ángulo de elevación desde el suelo, aunque el observador esté en una ventana, en un techo o sobre una plataforma. La horizontal de referencia siempre pasa por el ojo del observador, no por la base del objeto.

3. Olvidar la altura del observador

Si el enunciado dice que una persona de 1,61{,}6 m observa un árbol, la altura del árbol no es solamente dtan⁡θd\tan\theta; hay que sumar la altura de la persona:

H=hobservador+dtan⁡θ H = h_{\text{observador}} + d\tan\theta

4. Confundir distancia horizontal con visual

“Está a 2020 m de la base” es distancia horizontal. “Está a 2020 m de la cima” o “lo observa a 2020 m” puede ser visual. Antes de elegir la razón trigonométrica, hay que identificar si el número corresponde a cateto o hipotenusa.

5. Igualar mal los ángulos de elevación y depresión

Un ángulo de depresión y uno de elevación son iguales solo cuando corresponden a la misma visual entre dos puntos situados a distinta altura. No hay que suponer que todos los ángulos de depresión son iguales a todos los de elevación del problema.

6. Sumar o restar mal los desplazamientos de móviles

En problemas de avión y auto, si el avión avanza 260260 m y el auto 1515 m, la distancia horizontal entre sus proyecciones depende de la geometría y del sentido. No se debe sumar todo automáticamente.

7. Asignar mal los catetos en triángulos notables

En un triángulo de 30∘30^\circ y 60∘60^\circ:

  • el cateto opuesto a 30∘30^\circ es el menor: kk;
  • el cateto opuesto a 60∘60^\circ es el mayor: k3k\sqrt{3};
  • la hipotenusa es 2k2k.

Confundir estos lados produce resultados incorrectos.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

Un topógrafo se encuentra en un punto AA a cierta distancia de una antena. Desde allí observa la cima de la antena con un ángulo de elevación de 30∘30^\circ. Luego camina 1010 m directamente hacia la antena, hasta el punto BB, y ahora observa la cima con un ángulo de elevación de 45∘45^\circ. Halle la altura de la antena.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ángulos de elevación a la cima de la antena desde A y B

Respuesta: la altura de la antena es 5(3+1)5(\sqrt{3}+1) m.


Ejemplo 2

Un globo aerostático se mantiene a 120120 m de altura. Desde el globo se observa la base de una torre con un ángulo de depresión de 45∘45^\circ y la cima de la torre con un ángulo de elevación de 30∘30^\circ. Calcule la distancia horizontal del globo a la torre y la altura de la torre.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Globo aerostático a 120 m observando una torre con ángulos de depresión 45° y elevación 30°

Respuesta: la distancia horizontal es 120120 m y la altura de la torre es 120+403120 + 40\sqrt{3} m.


Ejemplo 3

Dos cámaras AA y BB están en el suelo, a lados opuestos de un poste y alineadas con su base. La distancia entre ambas cámaras es 2525 m. Desde AA, la cima del poste se observa con un ángulo de elevación de 37∘37^\circ; desde BB, con un ángulo de elevación de 53∘53^\circ. Halle la altura del poste.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Poste vertical entre dos cámaras A y B

Respuesta: la altura del poste es 1212 m.


Ejemplo 4

Una avioneta vuela a altura constante hh. En un primer instante, el piloto observa un auto que se desplaza por una autopista recta en la misma dirección de la avioneta, con un ángulo de depresión α\alpha, donde tan⁡α=12\tan\alpha = \frac{1}{2}. Después de unos segundos, la avioneta ha avanzado 100100 m y el auto ha avanzado 2020 m. El piloto observa nuevamente el auto, esta vez con un ángulo de depresión de 45∘45^\circ. Halle la altura a la que vuela la avioneta.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Dos instantes superpuestos del movimiento de la avioneta y el auto

Respuesta: la avioneta vuela a 8080 m de altura.


Lo que viene

Hacia el siguiente tema

En todos estos problemas hemos trabajado ángulos agudos contenidos en un plano vertical, siempre referidos a una línea horizontal y relacionados con triángulos rectángulos. El siguiente tema, «Razones trigonométricas de un ángulo en posición normal», generalizará esta idea: ubicaremos ángulos en un plano cartesiano, medidos desde el semieje positivo de abscisas, y extenderemos las razones trigonométricas a ángulos mayores de 90∘90^\circ, positivos y negativos. Ese paso es necesario para estudiar luego las funciones trigonométricas, sus gráficas y las identidades de reducción al primer cuadrante.

Ir al siguiente tema: Razones trigonométricas de un ángulo en posición normal

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En el tema anterior aprendimos a resolver triángulos rectángulos: dados un lado y un ángulo agudo, o dos lados, podíamos hallar los demás elementos usando las razones trigonométricas. Ahora vamos a aplicar esa herramienta a situaciones reales en las que un observador mira un objeto que está por encima o por debajo de su línea horizontal.

El problema que resuelve este tema es: si conozco el ángulo con que una persona, un piloto, un topógrafo o una cámara observa un objeto, y conozco una distancia horizontal o una altura, ¿cómo calculo alturas, distancias o desniveles inaccesibles?

En el examen de admisión de la UNMSM, los ángulos verticales —en particular los de elevación y depresión— son muy frecuentes. Casi todos los años aparece una o dos preguntas. No son preguntas de simple memoria: piden interpretar el enunciado, dibujar correctamente el plano vertical, ubicar el ángulo en el lugar correcto y plantear triángulos rectángulos.

En este tema aprenderás:

  • qué son los ángulos verticales, de elevación, de depresión y de observación;
  • cómo graficar correctamente un problema, incluso cuando hay altura del observador;
  • cómo usar la tangente, el seno y el coseno en estos contextos;
  • cómo resolver los casos recurrentes del examen;
  • qué errores se cometen con más frecuencia al plantear estos problemas.

Este tema encadena directamente con el siguiente, «Razones trigonométricas de un ángulo en posición normal», porque aquí seguimos trabajando ángulos en planos referidos a una horizontal; allí generalizaremos la idea de ángulo al plano cartesiano.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Solo recordemos lo esencial del tema anterior.

En un triángulo rectángulo, si θ\theta es uno de los ángulos agudos:

sin⁡θ=cateto opuesto a θhipotenusa \sin\theta = \frac{\text{cateto opuesto a } \theta}{\text{hipotenusa}}

cos⁡θ=cateto adyacente a θhipotenusa \cos\theta = \frac{\text{cateto adyacente a } \theta}{\text{hipotenusa}}

tan⁡θ=cateto opuesto a θcateto adyacente a θ \tan\theta = \frac{\text{cateto opuesto a } \theta}{\text{cateto adyacente a } \theta}

Además, conviene recordar los triángulos rectángulos notables más usados en estos problemas:

Ángulo seno coseno tangente
30∘30^\circ 12 \frac{1}{2} 32 \frac{\sqrt{3}}{2} 13=33 \frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{3}
45∘45^\circ 22 \frac{\sqrt{2}}{2} 22 \frac{\sqrt{2}}{2} 11
60∘60^\circ 32 \frac{\sqrt{3}}{2} 12 \frac{1}{2} 3 \sqrt{3}
37∘37^\circ 35 \frac{3}{5} 45 \frac{4}{5} 34 \frac{3}{4}
53∘53^\circ 45 \frac{4}{5} 35 \frac{3}{5} 43 \frac{4}{3}

Los ángulos 37∘37^\circ y 53∘53^\circ se toman como los ángulos agudos del triángulo rectángulo de lados 33, 44 y 55. En los problemas de admisión peruanos se usan con mucha frecuencia.

La razón trigonométrica más utilizada en ángulos verticales es la tangente, porque normalmente se conoce una distancia horizontal y se pide una altura, o viceversa. Pero no es la única: si el dato es una distancia a lo largo de la visual, esa distancia es la hipotenusa del triángulo rectángulo y entonces se usan el seno o el coseno.


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1. Plano vertical, línea visual y línea horizontal

Un ángulo vertical no es un ángulo formado por una recta vertical. El nombre se debe a que el ángulo está contenido en un plano vertical.

Imagina una pared: es un plano vertical. Si en esa pared dibujas al observador, el objeto observado y la visual entre ellos, estás trabajando en un plano vertical. El piso, por contraste, se considera un plano horizontal.

En todo problema de ángulos verticales intervienen dos líneas:

  • Línea horizontal: recta imaginaria paralela al piso que pasa por el ojo del observador o por el punto de observación.
  • Línea visual: recta imaginaria que une el ojo del observador con el objeto observado.

El ángulo entre estas dos líneas es lo que llamamos ángulo vertical.

Dependiendo de si el objeto observado está por encima o por debajo de la línea horizontal, el ángulo será de elevación o de depresión.

Ángulo vertical θ entre la línea horizontal y la visual


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2. Ángulo de elevación

Idea intuitiva

Cuando estás en el suelo y levantas la mirada para ver la parte más alta de un poste, de una torre o de un edificio, el ángulo que tu visual forma con la horizontal se llama ángulo de elevación.

Definición

El ángulo de elevación es el ángulo vertical formado por la línea horizontal que pasa por el ojo del observador y la línea visual, cuando la visual está por encima de dicha horizontal.

Ejemplo numérico inmediato

Desde un punto del suelo situado a 2020 m de la base de un poste, una persona observa la cima con un ángulo de elevación de 45∘45^\circ. ¿Cuánto mide el poste?

Como el suelo es horizontal y el poste es vertical, se forma un triángulo rectángulo. El cateto adyacente al ángulo de 45∘45^\circ es 2020 m; el cateto opuesto es la altura hh del poste.

tan⁡45∘=h20 \tan 45^\circ = \frac{h}{20}

Como tan⁡45∘=1\tan 45^\circ = 1,

1=h20⇒h=20 m 1 = \frac{h}{20} \quad\Rightarrow\quad h = 20\text{ m}

La altura del poste es 2020 m.

Observador O en el suelo con ángulo de elevación de 45°

Lo que debes notar

Cuando el observador está en el suelo y observa un objeto vertical, la altura del objeto es el cateto opuesto al ángulo de elevación y la distancia horizontal es el cateto adyacente. Por eso:

tan⁡(aˊngulo de elevacioˊn)=altura del objetodistancia horizontal \tan(\text{ángulo de elevación}) = \frac{\text{altura del objeto}}{\text{distancia horizontal}}

siempre que el ojo del observador esté al nivel de la base del objeto.


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3. Ángulo de depresión

Idea intuitiva

Cuando estás en lo alto de un edificio y bajas la mirada para ver un auto en la pista, un barco en el mar o la base de una torre, tu visual está por debajo de la horizontal. El ángulo entre la horizontal y tu visual se llama ángulo de depresión.

Definición

El ángulo de depresión es el ángulo vertical formado por la línea horizontal que pasa por el ojo del observador y la línea visual, cuando la visual está por debajo de dicha horizontal.

Ejemplo numérico inmediato

Desde un acantilado de 100100 m de altura, un observador ve una balsa con un ángulo de depresión de 30∘30^\circ. ¿A qué distancia horizontal de la base del acantilado está la balsa?

El desnivel de 100100 m es el cateto opuesto al ángulo de 30∘30^\circ, y la distancia horizontal dd es el cateto adyacente.

tan⁡30∘=100d \tan 30^\circ = \frac{100}{d}

33=100d \frac{\sqrt{3}}{3} = \frac{100}{d}

d=1003 m d = 100\sqrt{3}\text{ m}

Ángulo de depresión desde un acantilado de 100 m

Aspecto clave

El ángulo de depresión se mide desde la horizontal hacia abajo, no desde la vertical. Este es uno de los errores más comunes.

Cuando se da una distancia “a lo largo de la visual” y un ángulo de depresión, esa distancia es la hipotenusa del triángulo rectángulo. Entonces se usa seno para calcular el desnivel y coseno para la distancia horizontal.


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4. Una propiedad fundamental: la depresión y la elevación correspondientes

Imagina dos puntos AA y BB, con AA más alto que BB. Si un observador en AA observa BB con un ángulo de depresión β\beta, entonces un observador en BB observaría AA con un ángulo de elevación β\beta.

Ambos ángulos son iguales.

¿Por qué?

La horizontal que pasa por AA y la horizontal que pasa por BB son rectas paralelas. La visual que une AA con BB es una recta transversal a esas dos paralelas.

El ángulo de depresión en AA y el ángulo de elevación en BB son ángulos alternos internos. Por lo tanto, son congruentes.

Ángulos alternos internos: depresión y elevación son iguales

Esta propiedad permite “trasladar” un ángulo de depresión al triángulo rectángulo ubicado en la parte inferior, lo que facilita mucho el planteo.

Ejemplo breve

Si desde lo alto de un edificio se observa un auto con un ángulo de depresión de 37∘37^\circ, entonces el auto, si mirara hacia el punto de observación, vería ese punto con un ángulo de elevación de 37∘37^\circ. En el triángulo rectángulo, el ángulo agudo en la base del edificio es 37∘37^\circ.


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5. Ángulo de observación

¿Qué es?

El ángulo de observación es el ángulo formado por dos líneas visuales que permiten observar la totalidad de un objeto: una visual dirigida a su parte más baja y otra visual dirigida a su parte más alta.

Por ejemplo, para observar completamente un edificio, necesitas trazar una visual a la base y otra a la cima. El ángulo entre esas dos visuales es el ángulo de observación del edificio.

Cuidado con los casos

  • Si el observador está en el suelo y el objeto está completamente por encima de él, la visual a la base del objeto es prácticamente horizontal. Entonces el ángulo de observación coincide con el ángulo de elevación a la cima.

  • Si el observador está a media altura, de modo que una parte del objeto queda por encima de su horizontal y otra parte queda por debajo, el ángulo de observación es la suma del ángulo de elevación a la cima y el ángulo de depresión a la base.

Ángulo de observación (α+β) desde un punto intermedio

Ejemplo breve

Desde un punto intermedio, la cima de una torre se observa con elevación de 50∘50^\circ y su base con depresión de 20∘20^\circ. Entonces el ángulo de observación de la torre es:

50∘+20∘=70∘ 50^\circ + 20^\circ = 70^\circ

No siempre se pide explícitamente el ángulo de observación en el examen, pero entenderlo ayuda a interpretar correctamente los problemas en los que se observan simultáneamente la parte superior e inferior de un objeto.


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6. Cuando el observador no está en el suelo: altura del observador

Muchos problemas mencionan que el observador está de pie en el suelo y con una estatura de 1,51{,}5 m, o que usa un teodolito a 1,601{,}60 m del suelo, o que observa desde la ventana de un edificio.

En esos casos hay que ubicar correctamente el nivel del ojo.

La horizontal que pasa por el ojo del observador divide al objeto observado en dos partes:

  • una parte inferior, desde la base del objeto hasta el nivel del ojo;
  • una parte superior, desde el nivel del ojo hasta la cima.

La parte inferior suele ser precisamente la altura del observador. La parte superior se calcula con el ángulo de elevación y la distancia horizontal.

Ejemplo

Un topógrafo con un teodolito ubicado a 1,601{,}60 m del suelo observa la cima de un peñasco con un ángulo de elevación θ\theta, desde una distancia horizontal de 120120 m. Si tan⁡θ=34\tan\theta = \frac{3}{4}, ¿cuál es la altura del peñasco?

La parte que está por encima del nivel del teodolito es:

h1=120×tan⁡θ=120×34=90 m h_1 = 120 \times \tan\theta = 120 \times \frac{3}{4} = 90\text{ m}

La altura total del peñasco es:

H=h1+1,60=91,60 m H = h_1 + 1{,}60 = 91{,}60\text{ m}

Observación de un peñasco con teodolito


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7. Terrenos inclinados y ángulo de inclinación

No todos los problemas ocurren en un terreno perfectamente horizontal. A veces se menciona una colina, una cuesta, un camino inclinado o una ladera.

En esos casos se introduce el ángulo de inclinación: el ángulo que forma la superficie inclinada con la horizontal.

Sea θ\theta el ángulo de inclinación de una colina. Desde un punto de esa colina se puede observar, por ejemplo, la cima de una torre que crece verticalmente desde la ladera. El ángulo de elevación puede estar referido a la horizontal o a la línea de la colina.

Ángulos θ y β en una colina; el ángulo con la horizontal es θ+β o β−θ

Idea clave

Cuando hay una colina inclinada, lo primero es decidir respecto a qué línea está medido cada ángulo.

  • Si el ángulo es de inclinación, se mide respecto a la horizontal.
  • Si es un ángulo de elevación sobre una colina, puede estar medido respecto a la superficie inclinada.

En el nivel de la UNMSM, las preguntas con colinas son menos frecuentes, pero conviene conocer el concepto porque algunos problemas de compendios y prácticas lo incluyen.


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8. Método general para resolver problemas de ángulos verticales

A continuación, un procedimiento ordenado que funciona para la gran mayoría de ejercicios.

Paso 1: Ubica al observador

Determina dónde está el observador. Puede ser una persona, un piloto, una cámara, un topógrafo, etc.

Paso 2: Traza la horizontal que pasa por el ojo del observador

Esta horizontal es la referencia. Si el enunciado no menciona altura del observador, se le suele considerar un punto sobre el plano de referencia; es decir, su horizontal es el propio suelo.

Si hay altura del observador, dibújala y traza la horizontal desde su ojo.

Paso 3: Dibuja las visuales

Cada vez que el enunciado diga “observa”, “visualiza” o similar, traza una línea visual desde el ojo hasta el punto observado.

  • Si el punto observado está arriba de la horizontal: ángulo de elevación.
  • Si el punto observado está abajo de la horizontal: ángulo de depresión.
  • Si se observan dos puntos extremos de un objeto, entre ambas visuales se forma el ángulo de observación.

Paso 4: Marca los triángulos rectángulos

Los objetos verticales y el suelo horizontal forman triángulos rectángulos. Identifica en cada uno:

  • cateto vertical: altura o desnivel;
  • cateto horizontal: distancia horizontal;
  • hipotenusa: visual, si corresponde.

Paso 5: Plantea razones trigonométricas

La razón más usada es la tangente:

tan⁡θ=desnivel verticaldistancia horizontal \tan\theta = \frac{\text{desnivel vertical}}{\text{distancia horizontal}}

Si la visual es la hipotenusa, usa:

sin⁡θ=desnivelvisual,cos⁡θ=distancia horizontalvisual \sin\theta = \frac{\text{desnivel}}{\text{visual}}, \qquad \cos\theta = \frac{\text{distancia horizontal}}{\text{visual}}

Paso 6: Usa distancias comunes

En problemas con dos ángulos o dos observadores, suele haber una misma distancia horizontal o una misma altura. Esa cantidad es la que conviene igualar o relacionar.

Paso 7: Resuelve el sistema

Muchas veces se obtiene un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas.


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9. Situaciones recurrentes en el examen

9.1 Un observador que se acerca o se aleja de un objeto

Se observa un mismo punto alto desde dos posiciones distintas, con dos ángulos de elevación o de depresión diferentes. La distancia entre las dos posiciones del observador permite plantear una ecuación.

Sea hh la altura del objeto y xx la distancia horizontal desde la posición más cercana. Si el observador avanza una distancia dd hacia el objeto:

posicioˊn lejana: h=(x+d)tan⁡θ1 \text{posición lejana: } h = (x+d)\tan \theta_1

posicioˊn cercana: h=xtan⁡θ2 \text{posición cercana: } h = x \tan \theta_2

Igualando hh, se halla xx y luego hh.

9.2 Dos observadores a lados opuestos de un objeto

Dos cámaras, dos personas o dos puntos en el suelo observan la cima de un poste desde lados opuestos.

Si la distancia entre los dos observadores es DD, y uno de ellos está a distancia xx del objeto, el otro está a D−xD-x. Entonces:

h=xtan⁡α h = x \tan \alpha

h=(D−x)tan⁡β h = (D-x)\tan \beta

Este tipo de problema apareció en la pregunta de la UNMSM 2020-I con ángulos de 30∘30^\circ y 60∘60^\circ.

9.3 Observación de base y cima desde un punto intermedio

Desde una ventana, un globo o cualquier punto situado a media altura, se observa la base de un edificio con depresión β\beta y su cima con elevación α\alpha. Si la distancia horizontal es dd, la altura del objeto observado es:

H=dtan⁡α+dtan⁡β=d(tan⁡α+tan⁡β) H = d\tan\alpha + d\tan\beta = d\left(\tan\alpha + \tan\beta\right)

La parte correspondiente a la depresión es dtan⁡βd\tan\beta, y es también la altura a la que se encuentra el observador respecto a la base del objeto observado.

Altura de un objeto observado desde un punto intermedio

9.4 Móviles: avión, auto o bote en movimiento

Son preguntas de mayor dificultad. Un avión vuela a altura constante y observa un auto en una pista; después de unos segundos, el ángulo de depresión cambia porque el avión, el auto o ambos se han movido.

Lo más importante aquí es dibujar dos instantes y analizar cómo cambia la distancia horizontal entre la proyección del avión sobre el suelo y el auto.

  • Si el avión y el auto se mueven en la misma dirección, la distancia horizontal varía según la diferencia de sus recorridos.
  • Si el avión avanza más rápido que el auto y lo observa desde atrás, la distancia horizontal entre ambos se reduce.
  • Si se mueven en direcciones opuestas, la distancia horizontal cambia según la suma de sus recorridos.

9.5 Objetos alineados en una misma visual

En algunos problemas se dice que dos objetos de alturas diferentes se observan “en una misma dirección” o “alineados”. Esto significa que sus cimas están sobre la misma línea visual desde el ojo del observador.

Si el observador ve la cima de un poste pequeño y la cima de un poste más alto en la misma visual, los triángulos rectángulos formados son semejantes, porque comparten el mismo ángulo de elevación.

9.6 Visual como hipotenusa

No siempre la distancia es horizontal. A veces dicen “el piloto observa un objeto a 55 km de distancia” o “un topógrafo está a 2020 m de la cima”. Esa distancia está a lo largo de la visual, por lo tanto es la hipotenusa.

En esos casos, para calcular la altura o el desnivel conviene usar el seno o el coseno.


Cuidado

Errores frecuentes

1. Medir el ángulo de depresión desde la vertical

El ángulo de depresión se mide desde la horizontal hacia abajo. Si se mide desde la vertical, se obtiene el complemento, y todo el triángulo queda mal planteado.

2. No trazar la horizontal que pasa por el ojo

Muchos estudiantes dibujan el ángulo de elevación desde el suelo, aunque el observador esté en una ventana, en un techo o sobre una plataforma. La horizontal de referencia siempre pasa por el ojo del observador, no por la base del objeto.

3. Olvidar la altura del observador

Si el enunciado dice que una persona de 1,61{,}6 m observa un árbol, la altura del árbol no es solamente dtan⁡θd\tan\theta; hay que sumar la altura de la persona:

H=hobservador+dtan⁡θ H = h_{\text{observador}} + d\tan\theta

4. Confundir distancia horizontal con visual

“Está a 2020 m de la base” es distancia horizontal. “Está a 2020 m de la cima” o “lo observa a 2020 m” puede ser visual. Antes de elegir la razón trigonométrica, hay que identificar si el número corresponde a cateto o hipotenusa.

5. Igualar mal los ángulos de elevación y depresión

Un ángulo de depresión y uno de elevación son iguales solo cuando corresponden a la misma visual entre dos puntos situados a distinta altura. No hay que suponer que todos los ángulos de depresión son iguales a todos los de elevación del problema.

6. Sumar o restar mal los desplazamientos de móviles

En problemas de avión y auto, si el avión avanza 260260 m y el auto 1515 m, la distancia horizontal entre sus proyecciones depende de la geometría y del sentido. No se debe sumar todo automáticamente.

7. Asignar mal los catetos en triángulos notables

En un triángulo de 30∘30^\circ y 60∘60^\circ:

  • el cateto opuesto a 30∘30^\circ es el menor: kk;
  • el cateto opuesto a 60∘60^\circ es el mayor: k3k\sqrt{3};
  • la hipotenusa es 2k2k.

Confundir estos lados produce resultados incorrectos.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

Un topógrafo se encuentra en un punto AA a cierta distancia de una antena. Desde allí observa la cima de la antena con un ángulo de elevación de 30∘30^\circ. Luego camina 1010 m directamente hacia la antena, hasta el punto BB, y ahora observa la cima con un ángulo de elevación de 45∘45^\circ. Halle la altura de la antena.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ángulos de elevación a la cima de la antena desde A y B

Respuesta: la altura de la antena es 5(3+1)5(\sqrt{3}+1) m.


Ejemplo 2

Un globo aerostático se mantiene a 120120 m de altura. Desde el globo se observa la base de una torre con un ángulo de depresión de 45∘45^\circ y la cima de la torre con un ángulo de elevación de 30∘30^\circ. Calcule la distancia horizontal del globo a la torre y la altura de la torre.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Globo aerostático a 120 m observando una torre con ángulos de depresión 45° y elevación 30°

Respuesta: la distancia horizontal es 120120 m y la altura de la torre es 120+403120 + 40\sqrt{3} m.


Ejemplo 3

Dos cámaras AA y BB están en el suelo, a lados opuestos de un poste y alineadas con su base. La distancia entre ambas cámaras es 2525 m. Desde AA, la cima del poste se observa con un ángulo de elevación de 37∘37^\circ; desde BB, con un ángulo de elevación de 53∘53^\circ. Halle la altura del poste.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Poste vertical entre dos cámaras A y B

Respuesta: la altura del poste es 1212 m.


Ejemplo 4

Una avioneta vuela a altura constante hh. En un primer instante, el piloto observa un auto que se desplaza por una autopista recta en la misma dirección de la avioneta, con un ángulo de depresión α\alpha, donde tan⁡α=12\tan\alpha = \frac{1}{2}. Después de unos segundos, la avioneta ha avanzado 100100 m y el auto ha avanzado 2020 m. El piloto observa nuevamente el auto, esta vez con un ángulo de depresión de 45∘45^\circ. Halle la altura a la que vuela la avioneta.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Dos instantes superpuestos del movimiento de la avioneta y el auto

Respuesta: la avioneta vuela a 8080 m de altura.


Lo que viene

Hacia el siguiente tema

En todos estos problemas hemos trabajado ángulos agudos contenidos en un plano vertical, siempre referidos a una línea horizontal y relacionados con triángulos rectángulos. El siguiente tema, «Razones trigonométricas de un ángulo en posición normal», generalizará esta idea: ubicaremos ángulos en un plano cartesiano, medidos desde el semieje positivo de abscisas, y extenderemos las razones trigonométricas a ángulos mayores de 90∘90^\circ, positivos y negativos. Ese paso es necesario para estudiar luego las funciones trigonométricas, sus gráficas y las identidades de reducción al primer cuadrante.

Ir al siguiente tema: Razones trigonométricas de un ángulo en posición normal

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Hasta 6 básicas, 8 intermedias y 6 avanzadas; si un nivel no alcanza, se completa con el nivel más cercano. El diagnóstico recomienda una ruta; la evaluación final actualiza el porcentaje y puede marcar el tema como aprendido.

Básico 5/6Intermedio 20/8Avanzado 5/6Total 30/20

Aprender desde las preguntas

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