Tema 6 de 35Trigonometría

Sector circular: área de un sector circular. Área de un trapecio circular

Aprenderás a calcular áreas de sectores y trapecios circulares, usando el ángulo central y el radio para resolver situaciones geométricas y problemas de admisión.

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En el tema anterior aprendiste que, si un ángulo central de una circunferencia mide θ\theta radianes y el radio es rr, entonces la longitud del arco que subtiende es

L=θr. L=\theta r.

Esa fórmula responde a preguntas de longitud. Ahora necesitamos responder preguntas de superficie: ¿cuánto terreno tiene un sector circular? ¿Cuántos metros cuadrados de pasto cubre una zona de un parque? ¿Cuánto cuesta un terreno si se paga por metro cuadrado? ¿Cuánta cartulina se elimina al cortar un sector circular más pequeño?

Para eso se define y se calcula el área de un sector circular. Además, en muchos problemas de la UNMSM no solo aparece un sector, sino una región comprendida entre dos sectores concéntricos: el trapecio circular. Su área se obtiene restando dos áreas de sectores o mediante una fórmula análoga a la del trapecio rectilíneo.

Este tema también se conecta con el siguiente: al estudiar cuántas vueltas da una rueda al desplazarse, necesitarás manejar longitudes de arco y longitudes de circunferencias completas. Las áreas de sectores y trapecios circulares son la base para interpretar muchas situaciones geométricas de la vida cotidiana y, sobre todo, para resolver los problemas de admisión.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Conviene recordar cuatro ideas del tema anterior y de aritmética/geometría básica.

  1. Sector circular.
    Es la región del círculo limitada por dos radios y el arco correspondiente al ángulo central que forman.

  2. Ángulo en radianes.
    Las fórmulas de este tema exigen que el ángulo central esté expresado en radianes. Si el dato viene en grados sexagesimales, se convierte con:

    θrad=π180∘θsexagesimal. \theta_{\text{rad}}=\frac{\pi}{180^\circ}\theta_{\text{sexagesimal}}.

    Por ejemplo, 60∘=π360^\circ=\frac{\pi}{3} rad.

  3. Longitud de arco.
    Para un sector circular de radio rr y ángulo central θ\theta rad, la longitud de arco es

    L=θr. L=\theta r.

  4. Área de un triángulo con dos lados y el ángulo comprendido.
    La usaremos para el segmento circular:

    A△=12absen⁡C. A_{\triangle}=\frac12 ab \operatorname{sen} C.

    En particular, si dos lados miden rr y el ángulo comprendido mide θ\theta, el área del triángulo es 12r2sen⁡θ\frac12 r^2 \operatorname{sen}\theta.


1

Sector circular: definición y elementos

Un sector circular es la porción de un círculo comprendida entre dos radios y el arco de circunferencia que determinan.

Sector circular AOB

Elementos que se usan en los problemas:

  • Centro: OO.
  • Radio: rr, distancia del centro a cualquier punto del arco.
  • Ángulo central: θ\theta, medido en radianes, con 0<θ<2π0<\theta<2\pi.
  • Longitud de arco: L=θrL=\theta r.
  • Área del sector: SS, que estudiaremos a continuación.

En el examen, muchas figuras muestran dos o más sectores circulares con el mismo centro, es decir, sectores concéntricos. Eso da lugar a los trapecios circulares.


2

Área de un sector circular

Deducción de la fórmula

El área de un sector circular se obtiene por una regla de tres simple a partir del área del círculo completo.

Sabemos que:

  • Un círculo completo de radio rr tiene área πr2\pi r^2.
  • Ese círculo completo corresponde a un ángulo central de 2π2\pi radianes.

Entonces, para un ángulo central θ\theta radianes, el área SS correspondiente cumple:

Sπr2=θ2π. \frac{S}{\pi r^2}=\frac{\theta}{2\pi}.

Despejando:

S=θ2ππr2 S=\frac{\theta}{2\pi}\pi r^2

y, por lo tanto,

S=12θr2. \boxed{S=\frac12 \theta r^2}.

Esta es la fórmula fundamental del tema. Observa que el ángulo θ\theta debe estar en radianes.

Ejemplo breve

Si un sector circular tiene radio 66 m y ángulo central π3\dfrac{\pi}{3} rad, su área es

S=12⋅π3⋅62=12⋅π3⋅36=6π m2. S=\frac12\cdot \frac{\pi}{3}\cdot 6^2 =\frac12\cdot \frac{\pi}{3}\cdot 36 =6\pi \text{ m}^2.


3

Las tres formas de calcular el área de un sector circular

La fórmula anterior se puede combinar con la longitud de arco L=θrL=\theta r. Así se obtienen tres versiones equivalentes, muy útiles según los datos del problema.

1. Conocidos el ángulo y el radio

S=12θr2. S=\frac12 \theta r^2.

Es la forma más directa.

2. Conocidos el arco y el radio

Como L=θrL=\theta r, sustituimos θr=L\theta r=L en S=12θr⋅rS=\frac12 \theta r\cdot r:

S=12Lr. S=\frac12 L r.

Esta versión es muy práctica cuando el problema da la longitud del arco y el radio.

3. Conocidos el arco y el ángulo

De L=θrL=\theta r despejamos r=Lθr=\frac{L}{\theta}. Sustituyendo en S=12θr2S=\frac12 \theta r^2:

S=12θ(Lθ)2=L22θ. S=\frac12 \theta \left(\frac{L}{\theta}\right)^2 = \frac{L^2}{2\theta}.

Esta forma conviene cuando se conocen la longitud de arco y el ángulo central, pero no el radio.

Tabla de uso

Datos conocidos Fórmula recomendada
θ\theta y rr S=12θr2S=\frac12 \theta r^2
LL y rr S=12LrS=\frac12 L r
LL y θ\theta S=L22θS=\dfrac{L^2}{2\theta}
SS y θ\theta Despejar r2=2Sθr^2=\dfrac{2S}{\theta}
SS y rr Despejar θ=2Sr2\theta=\dfrac{2S}{r^2}

4

Perímetro de un sector circular

En muchos problemas de admisión no se pide el área, sino la longitud del borde de un sector circular: por ejemplo, cuántos metros lineales de cerca se necesitan para delimitar un terreno.

El perímetro de un sector circular se obtiene sumando sus dos radios y su arco:

P=r+r+L P=r+r+L

P=2r+L \boxed{P=2r+L}

y como L=θrL=\theta r, también:

P=r(2+θ). \boxed{P=r(2+\theta)}.

Observa un detalle importante: el arco es curvilíneo, pero para efectos de cerca o borde se mide en metros lineales igual que los radios.

Ejemplo breve

Un sector circular de radio 44 m y ángulo central π2\frac{\pi}{2} rad tiene:

L=π2⋅4=2π m. L=\frac{\pi}{2}\cdot 4=2\pi \text{ m}.

Entonces su perímetro es

P=2(4)+2π=8+2π m. P=2(4)+2\pi=8+2\pi \text{ m}.

No se puede decir simplemente 2π2\pi; los dos radios son parte del contorno del sector.


5

Comparación de áreas de sectores circulares

Muchos problemas no piden un área absoluta, sino una proporción entre áreas. Para resolverlos rápidamente conviene recordar lo siguiente.

Si dos sectores circulares tienen el mismo ángulo central, sus áreas son proporcionales al cuadrado de sus radios:

S1S2=r12r22. \frac{S_1}{S_2}=\frac{r_1^2}{r_2^2}.

Esto se deduce directamente de S=12θr2S=\frac12\theta r^2, porque 12θ\frac12\theta se simplifica.

Si dos sectores tienen el mismo radio, sus áreas son proporcionales a sus ángulos centrales:

S1S2=θ1θ2. \frac{S_1}{S_2}=\frac{\theta_1}{\theta_2}.

En general, para dos sectores cualesquiera:

S1S2=θ1r12θ2r22. \frac{S_1}{S_2} = \frac{\theta_1 r_1^2}{\theta_2 r_2^2}.

Ejemplo breve

Dos sectores circulares tienen el mismo ángulo central y radios de 22 u y 55 u. La razón de sus áreas es

S1S2=2252=425. \frac{S_1}{S_2}=\frac{2^2}{5^2}=\frac{4}{25}.


6

Trapecio circular: definición

Un trapecio circular es la región limitada por dos arcos de circunferencias concéntricas y dos radios que cortan a ambos arcos.

Trapecio circular ABDC

En la figura descrita, si los radios son rr y RR, con R>rR>r, la distancia entre los dos arcos es:

h=R−r. h=R-r.

Las longitudes de los arcos son:

l=θr,L=θR, l=\theta r,\qquad L=\theta R,

donde θ\theta es el ángulo central común.


7

Área de un trapecio circular

Como diferencia de dos sectores circulares

El trapecio circular es exactamente la parte del sector mayor que queda al quitarle el sector menor. Por lo tanto, su área se calcula como:

Atrapecio=Ssector mayor−Ssector menor. A_{\text{trapecio}}=S_{\text{sector mayor}}-S_{\text{sector menor}}.

Usando S=12θr2S=\frac12\theta r^2 para cada sector:

Atrapecio=12θR2−12θr2. A_{\text{trapecio}} = \frac12 \theta R^2-\frac12 \theta r^2.

Factorizando:

Atrapecio=12θ(R2−r2). \boxed{A_{\text{trapecio}}=\frac12 \theta\left(R^2-r^2\right)}.

Esta es la fórmula más importante para el trapecio circular.

Como fórmula con los arcos y la altura

También se puede expresar el área en términos de los arcos LL y ll, y de la altura h=R−rh=R-r.

Recuerda que:

L=θR,l=θr. L=\theta R,\qquad l=\theta r.

Entonces:

L+l=θ(R+r). L+l=\theta(R+r).

Además:

R2−r2=(R+r)(R−r)=(R+r)h. R^2-r^2=(R+r)(R-r)=(R+r)h.

Sustituyendo en la fórmula del área:

Atrapecio=12θ(R+r)h=12(L+l)h. A_{\text{trapecio}} = \frac12 \theta (R+r)h = \frac12 (L+l)h.

Por lo tanto,

Atrapecio=(L+l2)h. \boxed{A_{\text{trapecio}}=\left(\frac{L+l}{2}\right)h}.

Esta fórmula es análoga a la del trapecio rectilíneo: semisuma de las bases por la altura. Aquí las "bases" son los arcos LL y ll, y la "altura" es la diferencia de radios R−rR-r.

Ejemplo breve

Un trapecio circular tiene ángulo central π3\frac{\pi}{3} rad, radio menor 22 cm y radio mayor 55 cm. Su área es

A=12⋅π3(52−22)=π6(25−4)=21π6=7π2 cm2. A=\frac12\cdot \frac{\pi}{3}(5^2-2^2) =\frac{\pi}{6}(25-4) =\frac{21\pi}{6} =\frac{7\pi}{2}\text{ cm}^2.

Con la fórmula de arcos: l=π3⋅2=2π3l=\frac{\pi}{3}\cdot 2=\frac{2\pi}{3}, L=π3⋅5=5π3L=\frac{\pi}{3}\cdot 5=\frac{5\pi}{3}, h=3h=3. Entonces

A=(5π3+2π32)⋅3=(7π32)⋅3=7π2 cm2. A=\left(\frac{\frac{5\pi}{3}+\frac{2\pi}{3}}{2}\right)\cdot 3 =\left(\frac{\frac{7\pi}{3}}{2}\right)\cdot 3 =\frac{7\pi}{2}\text{ cm}^2.

Coinciden.


8

Relación entre el sector interno y el trapecio circular

Un caso muy frecuente en los exámenes es el siguiente: un sector circular de radio RR se divide en dos regiones mediante otro sector concéntrico de radio rr, como se muestra en la siguiente descripción.

Sector circular interno S₁ y trapecio circular exterior S₂ con radios r y R

Sean:

S1=12θr2,S2=12θ(R2−r2). S_1=\frac12 \theta r^2, \qquad S_2=\frac12 \theta\left(R^2-r^2\right).

Entonces la proporción entre el sector interno y el trapecio circular es:

S1S2=12θr212θ(R2−r2)=r2R2−r2. \frac{S_1}{S_2} = \frac{\frac12\theta r^2}{\frac12\theta(R^2-r^2)} = \frac{r^2}{R^2-r^2}.

Esta relación es fundamental. Observa que el trapecio no depende de R2R^2 solamente, sino de R2−r2R^2-r^2.

Ejemplo breve

Si r=3r=3 y R=5R=5, entonces

S1S2=3252−32=925−9=916. \frac{S_1}{S_2}=\frac{3^2}{5^2-3^2} =\frac{9}{25-9} =\frac{9}{16}.

Es un error común escribir 925\frac{9}{25}, que es la razón entre el sector menor y el sector mayor completo.


9

Propiedades de áreas en sectores concéntricos

Hay dos propiedades que aparecen con mucha frecuencia en los problemas de concurso y en los exámenes de admisión.

Radios en progresión aritmética

Supón que tienes varios sectores circulares concéntricos con el mismo ángulo central θ\theta, y cuyos radios están en progresión aritmética:

a, 2a, 3a, 4a,… a,\ 2a,\ 3a,\ 4a,\dots

Las áreas de las regiones sucesivas (el sector central y los trapecios circulares que lo rodean) son proporcionales a las diferencias de cuadrados de los radios consecutivos:

a2,4a2−a2=3a2,9a2−4a2=5a2,16a2−9a2=7a2,… a^2,\quad 4a^2-a^2=3a^2,\quad 9a^2-4a^2=5a^2,\quad 16a^2-9a^2=7a^2,\dots

Es decir, las áreas son proporcionales a:

1, 3, 5, 7, 9,… 1,\ 3,\ 5,\ 7,\ 9,\dots

Esta propiedad permite resolver rápidamente problemas donde se dan áreas de varias franjas o se pide la relación entre ellas.

Regiones de áreas iguales

Si al contrario: un sector circular se divide en varias regiones de áreas iguales mediante sectores concéntricos, entonces los radios correspondientes no están en progresión aritmética, sino que sus cuadrados sí lo están.

Por ejemplo, si el sector central y los trapecios circulares tienen la misma área, entonces:

r12, r22, r32, r42,… r_1^2,\ r_2^2,\ r_3^2,\ r_4^2,\dots

están en progresión aritmética. Por lo tanto, los radios son proporcionales a:

1, 2, 3, 4,… \sqrt{1},\ \sqrt{2},\ \sqrt{3},\ \sqrt{4},\dots

Este tipo de razonamiento aparece en ejercicios de la semana del centro preuniversitario y en problemas tipo examen.


10

Segmento circular: cuando hay que restar el triángulo

Un caso especial que también se preguntó en la UNMSM es el del segmento circular.

Un segmento circular es la región comprendida entre una cuerda y el arco que subtiende.

Segmento circular: región sombreada entre la cuerda AB y el arco AB

El segmento circular no es un sector circular. Para calcular su área, se toma el área del sector circular AOBAOB y se le resta el área del triángulo AOBAOB.

El área del sector es:

Ssector=12θr2. S_{\text{sector}}=\frac12 \theta r^2.

El área del triángulo AOBAOB, que tiene dos lados de longitud rr y ángulo comprendido θ\theta, es:

S△AOB=12r2sen⁡θ. S_{\triangle AOB}=\frac12 r^2 \operatorname{sen}\theta.

Por lo tanto, el área del segmento circular es:

Asegmento=12r2(θ−sen⁡θ). \boxed{A_{\text{segmento}}=\frac12 r^2\left(\theta-\operatorname{sen}\theta\right)}.

Aquí θ\theta debe estar en radianes.

Ejemplo breve

Si r=1r=1 u y θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} rad, el área del segmento circular es

Asegmento=12(1)2(π2−sen⁡π2)=12(π2−1)=π4−12 u2. A_{\text{segmento}} =\frac12(1)^2\left(\frac{\pi}{2}-\operatorname{sen}\frac{\pi}{2}\right) =\frac12\left(\frac{\pi}{2}-1\right) =\frac{\pi}{4}-\frac12 \text{ u}^2.


11

Método de resolución para problemas de áreas de sectores y trapecios

Cuando enfrentes un problema de este tema, sigue estos pasos.

  1. Identifica los sectores y trapecios.
    Pregúntate: ¿la región pedida es un sector circular, un trapecio circular o un segmento circular?

  2. Escribe los datos en variables.
    Asigna letras a los radios (rr, RR), al ángulo central θ\theta, a los arcos (ll, LL) y a las áreas (S1S_1, S2S_2, etc.).

  3. Convierte los ángulos a radianes si es necesario.
    Si el dato está en grados, usa θrad=π180∘θsexagesimal\theta_{\text{rad}}=\frac{\pi}{180^\circ}\theta_{\text{sexagesimal}}.

  4. Elige la fórmula adecuada.

    • Para un sector: S=12θr2=12Lr=L22θS=\frac12\theta r^2=\frac12 L r=\frac{L^2}{2\theta}.
    • Para un trapecio: A=12θ(R2−r2)=L+l2hA=\frac12\theta(R^2-r^2)=\frac{L+l}{2}h.
    • Para un perímetro: P=2r+L=r(2+θ)P=2r+L=r(2+\theta).
    • Para un segmento: A=12r2(θ−sen⁡θ)A=\frac12 r^2(\theta-\operatorname{sen}\theta).
  5. Plantea proporciones si solo te piden relaciones.
    Si no hay valores absolutos, usa S1S2=r12r22\frac{S_1}{S_2}=\frac{r_1^2}{r_2^2} para ángulos iguales, o r2R2−r2\frac{r^2}{R^2-r^2} para sector interno y trapecio.

  6. Verifica las unidades.
    Las áreas se expresan en unidades cuadradas; los perímetros y cercas, en unidades lineales.


Cuidado

Errores frecuentes

  • Usar el ángulo en grados sexagesimales dentro de S=12θr2S=\frac12\theta r^2.
    Esta fórmula solo es válida si θ\theta está en radianes.

  • Confundir radio y diámetro.
    Si el problema dice "diámetro 2r", el radio es la mitad.

  • Olvidar sumar los dos radios en el perímetro del sector.
    El perímetro es 2r+L2r+L, no solo LL.

  • Calcular mal la altura del trapecio circular.
    La altura hh es R−rR-r, no la diferencia de arcos L−lL-l.

  • Confundir la razón entre el sector menor y el sector mayor con la razón entre el sector menor y el trapecio.
    La primera es r2R2\frac{r^2}{R^2}; la segunda es r2R2−r2\frac{r^2}{R^2-r^2}.

  • En el segmento circular, olvidar restar el triángulo.
    La región entre la cuerda y el arco no es igual al sector.

  • Usar cos⁡θ\cos\theta en lugar de sen⁡θ\operatorname{sen}\theta en el área del triángulo.
    El triángulo formado por dos radios y la cuerda tiene área 12r2sen⁡θ\frac12 r^2 \operatorname{sen}\theta.

  • Aplicar S=12LrS=\frac12 L r cuando LL no es el arco del mismo sector.
    En trapecios, hay que distinguir muy bien el arco del sector mayor y el del sector menor.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

Un sector circular tiene radio 66 cm y su ángulo central mide 60∘60^\circ. Calcula su área y su perímetro.

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

Ejemplo 2

Un sector circular de radio RR se divide en dos regiones mediante un sector concéntrico de radio rr. Si r:R=2:5r:R=2:5, halla la razón entre el área del sector menor y el área del trapecio circular.

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

Ejemplo 3

En un trapecio circular, el arco mayor mide 1818 cm, el arco menor mide 1212 cm y la diferencia entre los radios es 44 cm. Halla el área del trapecio circular.

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

Ejemplo 4

En un círculo de radio 11 u, un ángulo central α\alpha determina un segmento circular. Halla su área en términos de α\alpha.

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

Lo que viene

Hacia el siguiente tema

Ahora que sabes calcular longitudes de arco, áreas de sectores y áreas de trapecios circulares, estás listo para la siguiente aplicación: determinar cuántas vueltas da una rueda al girar sin resbalar sobre una superficie.

En ese tema se usará la longitud de arco de una vuelta completa, 2πr2\pi r, y la longitud recorrida por el centro de la rueda. La fórmula clave será nv=lc2πrn_v=\dfrac{l_c}{2\pi r}. Todo lo que has trabajado con arcos y radios te permitirá entender y resolver esos problemas de movimiento circular.

Ir al siguiente tema: Aplicaciones de la longitud de arco: número de vueltas que da una rueda al girar sin resbalar en una superficie

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En el tema anterior aprendiste que, si un ángulo central de una circunferencia mide θ\theta radianes y el radio es rr, entonces la longitud del arco que subtiende es

L=θr. L=\theta r.

Esa fórmula responde a preguntas de longitud. Ahora necesitamos responder preguntas de superficie: ¿cuánto terreno tiene un sector circular? ¿Cuántos metros cuadrados de pasto cubre una zona de un parque? ¿Cuánto cuesta un terreno si se paga por metro cuadrado? ¿Cuánta cartulina se elimina al cortar un sector circular más pequeño?

Para eso se define y se calcula el área de un sector circular. Además, en muchos problemas de la UNMSM no solo aparece un sector, sino una región comprendida entre dos sectores concéntricos: el trapecio circular. Su área se obtiene restando dos áreas de sectores o mediante una fórmula análoga a la del trapecio rectilíneo.

Este tema también se conecta con el siguiente: al estudiar cuántas vueltas da una rueda al desplazarse, necesitarás manejar longitudes de arco y longitudes de circunferencias completas. Las áreas de sectores y trapecios circulares son la base para interpretar muchas situaciones geométricas de la vida cotidiana y, sobre todo, para resolver los problemas de admisión.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Conviene recordar cuatro ideas del tema anterior y de aritmética/geometría básica.

  1. Sector circular.
    Es la región del círculo limitada por dos radios y el arco correspondiente al ángulo central que forman.

  2. Ángulo en radianes.
    Las fórmulas de este tema exigen que el ángulo central esté expresado en radianes. Si el dato viene en grados sexagesimales, se convierte con:

    θrad=π180∘θsexagesimal. \theta_{\text{rad}}=\frac{\pi}{180^\circ}\theta_{\text{sexagesimal}}.

    Por ejemplo, 60∘=π360^\circ=\frac{\pi}{3} rad.

  3. Longitud de arco.
    Para un sector circular de radio rr y ángulo central θ\theta rad, la longitud de arco es

    L=θr. L=\theta r.

  4. Área de un triángulo con dos lados y el ángulo comprendido.
    La usaremos para el segmento circular:

    A△=12absen⁡C. A_{\triangle}=\frac12 ab \operatorname{sen} C.

    En particular, si dos lados miden rr y el ángulo comprendido mide θ\theta, el área del triángulo es 12r2sen⁡θ\frac12 r^2 \operatorname{sen}\theta.


1

Sector circular: definición y elementos

Un sector circular es la porción de un círculo comprendida entre dos radios y el arco de circunferencia que determinan.

Sector circular AOB

Elementos que se usan en los problemas:

  • Centro: OO.
  • Radio: rr, distancia del centro a cualquier punto del arco.
  • Ángulo central: θ\theta, medido en radianes, con 0<θ<2π0<\theta<2\pi.
  • Longitud de arco: L=θrL=\theta r.
  • Área del sector: SS, que estudiaremos a continuación.

En el examen, muchas figuras muestran dos o más sectores circulares con el mismo centro, es decir, sectores concéntricos. Eso da lugar a los trapecios circulares.


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Área de un sector circular

Deducción de la fórmula

El área de un sector circular se obtiene por una regla de tres simple a partir del área del círculo completo.

Sabemos que:

  • Un círculo completo de radio rr tiene área πr2\pi r^2.
  • Ese círculo completo corresponde a un ángulo central de 2π2\pi radianes.

Entonces, para un ángulo central θ\theta radianes, el área SS correspondiente cumple:

Sπr2=θ2π. \frac{S}{\pi r^2}=\frac{\theta}{2\pi}.

Despejando:

S=θ2ππr2 S=\frac{\theta}{2\pi}\pi r^2

y, por lo tanto,

S=12θr2. \boxed{S=\frac12 \theta r^2}.

Esta es la fórmula fundamental del tema. Observa que el ángulo θ\theta debe estar en radianes.

Ejemplo breve

Si un sector circular tiene radio 66 m y ángulo central π3\dfrac{\pi}{3} rad, su área es

S=12⋅π3⋅62=12⋅π3⋅36=6π m2. S=\frac12\cdot \frac{\pi}{3}\cdot 6^2 =\frac12\cdot \frac{\pi}{3}\cdot 36 =6\pi \text{ m}^2.


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Las tres formas de calcular el área de un sector circular

La fórmula anterior se puede combinar con la longitud de arco L=θrL=\theta r. Así se obtienen tres versiones equivalentes, muy útiles según los datos del problema.

1. Conocidos el ángulo y el radio

S=12θr2. S=\frac12 \theta r^2.

Es la forma más directa.

2. Conocidos el arco y el radio

Como L=θrL=\theta r, sustituimos θr=L\theta r=L en S=12θr⋅rS=\frac12 \theta r\cdot r:

S=12Lr. S=\frac12 L r.

Esta versión es muy práctica cuando el problema da la longitud del arco y el radio.

3. Conocidos el arco y el ángulo

De L=θrL=\theta r despejamos r=Lθr=\frac{L}{\theta}. Sustituyendo en S=12θr2S=\frac12 \theta r^2:

S=12θ(Lθ)2=L22θ. S=\frac12 \theta \left(\frac{L}{\theta}\right)^2 = \frac{L^2}{2\theta}.

Esta forma conviene cuando se conocen la longitud de arco y el ángulo central, pero no el radio.

Tabla de uso

Datos conocidos Fórmula recomendada
θ\theta y rr S=12θr2S=\frac12 \theta r^2
LL y rr S=12LrS=\frac12 L r
LL y θ\theta S=L22θS=\dfrac{L^2}{2\theta}
SS y θ\theta Despejar r2=2Sθr^2=\dfrac{2S}{\theta}
SS y rr Despejar θ=2Sr2\theta=\dfrac{2S}{r^2}

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Perímetro de un sector circular

En muchos problemas de admisión no se pide el área, sino la longitud del borde de un sector circular: por ejemplo, cuántos metros lineales de cerca se necesitan para delimitar un terreno.

El perímetro de un sector circular se obtiene sumando sus dos radios y su arco:

P=r+r+L P=r+r+L

P=2r+L \boxed{P=2r+L}

y como L=θrL=\theta r, también:

P=r(2+θ). \boxed{P=r(2+\theta)}.

Observa un detalle importante: el arco es curvilíneo, pero para efectos de cerca o borde se mide en metros lineales igual que los radios.

Ejemplo breve

Un sector circular de radio 44 m y ángulo central π2\frac{\pi}{2} rad tiene:

L=π2⋅4=2π m. L=\frac{\pi}{2}\cdot 4=2\pi \text{ m}.

Entonces su perímetro es

P=2(4)+2π=8+2π m. P=2(4)+2\pi=8+2\pi \text{ m}.

No se puede decir simplemente 2π2\pi; los dos radios son parte del contorno del sector.


5

Comparación de áreas de sectores circulares

Muchos problemas no piden un área absoluta, sino una proporción entre áreas. Para resolverlos rápidamente conviene recordar lo siguiente.

Si dos sectores circulares tienen el mismo ángulo central, sus áreas son proporcionales al cuadrado de sus radios:

S1S2=r12r22. \frac{S_1}{S_2}=\frac{r_1^2}{r_2^2}.

Esto se deduce directamente de S=12θr2S=\frac12\theta r^2, porque 12θ\frac12\theta se simplifica.

Si dos sectores tienen el mismo radio, sus áreas son proporcionales a sus ángulos centrales:

S1S2=θ1θ2. \frac{S_1}{S_2}=\frac{\theta_1}{\theta_2}.

En general, para dos sectores cualesquiera:

S1S2=θ1r12θ2r22. \frac{S_1}{S_2} = \frac{\theta_1 r_1^2}{\theta_2 r_2^2}.

Ejemplo breve

Dos sectores circulares tienen el mismo ángulo central y radios de 22 u y 55 u. La razón de sus áreas es

S1S2=2252=425. \frac{S_1}{S_2}=\frac{2^2}{5^2}=\frac{4}{25}.


6

Trapecio circular: definición

Un trapecio circular es la región limitada por dos arcos de circunferencias concéntricas y dos radios que cortan a ambos arcos.

Trapecio circular ABDC

En la figura descrita, si los radios son rr y RR, con R>rR>r, la distancia entre los dos arcos es:

h=R−r. h=R-r.

Las longitudes de los arcos son:

l=θr,L=θR, l=\theta r,\qquad L=\theta R,

donde θ\theta es el ángulo central común.


7

Área de un trapecio circular

Como diferencia de dos sectores circulares

El trapecio circular es exactamente la parte del sector mayor que queda al quitarle el sector menor. Por lo tanto, su área se calcula como:

Atrapecio=Ssector mayor−Ssector menor. A_{\text{trapecio}}=S_{\text{sector mayor}}-S_{\text{sector menor}}.

Usando S=12θr2S=\frac12\theta r^2 para cada sector:

Atrapecio=12θR2−12θr2. A_{\text{trapecio}} = \frac12 \theta R^2-\frac12 \theta r^2.

Factorizando:

Atrapecio=12θ(R2−r2). \boxed{A_{\text{trapecio}}=\frac12 \theta\left(R^2-r^2\right)}.

Esta es la fórmula más importante para el trapecio circular.

Como fórmula con los arcos y la altura

También se puede expresar el área en términos de los arcos LL y ll, y de la altura h=R−rh=R-r.

Recuerda que:

L=θR,l=θr. L=\theta R,\qquad l=\theta r.

Entonces:

L+l=θ(R+r). L+l=\theta(R+r).

Además:

R2−r2=(R+r)(R−r)=(R+r)h. R^2-r^2=(R+r)(R-r)=(R+r)h.

Sustituyendo en la fórmula del área:

Atrapecio=12θ(R+r)h=12(L+l)h. A_{\text{trapecio}} = \frac12 \theta (R+r)h = \frac12 (L+l)h.

Por lo tanto,

Atrapecio=(L+l2)h. \boxed{A_{\text{trapecio}}=\left(\frac{L+l}{2}\right)h}.

Esta fórmula es análoga a la del trapecio rectilíneo: semisuma de las bases por la altura. Aquí las "bases" son los arcos LL y ll, y la "altura" es la diferencia de radios R−rR-r.

Ejemplo breve

Un trapecio circular tiene ángulo central π3\frac{\pi}{3} rad, radio menor 22 cm y radio mayor 55 cm. Su área es

A=12⋅π3(52−22)=π6(25−4)=21π6=7π2 cm2. A=\frac12\cdot \frac{\pi}{3}(5^2-2^2) =\frac{\pi}{6}(25-4) =\frac{21\pi}{6} =\frac{7\pi}{2}\text{ cm}^2.

Con la fórmula de arcos: l=π3⋅2=2π3l=\frac{\pi}{3}\cdot 2=\frac{2\pi}{3}, L=π3⋅5=5π3L=\frac{\pi}{3}\cdot 5=\frac{5\pi}{3}, h=3h=3. Entonces

A=(5π3+2π32)⋅3=(7π32)⋅3=7π2 cm2. A=\left(\frac{\frac{5\pi}{3}+\frac{2\pi}{3}}{2}\right)\cdot 3 =\left(\frac{\frac{7\pi}{3}}{2}\right)\cdot 3 =\frac{7\pi}{2}\text{ cm}^2.

Coinciden.


8

Relación entre el sector interno y el trapecio circular

Un caso muy frecuente en los exámenes es el siguiente: un sector circular de radio RR se divide en dos regiones mediante otro sector concéntrico de radio rr, como se muestra en la siguiente descripción.

Sector circular interno S₁ y trapecio circular exterior S₂ con radios r y R

Sean:

S1=12θr2,S2=12θ(R2−r2). S_1=\frac12 \theta r^2, \qquad S_2=\frac12 \theta\left(R^2-r^2\right).

Entonces la proporción entre el sector interno y el trapecio circular es:

S1S2=12θr212θ(R2−r2)=r2R2−r2. \frac{S_1}{S_2} = \frac{\frac12\theta r^2}{\frac12\theta(R^2-r^2)} = \frac{r^2}{R^2-r^2}.

Esta relación es fundamental. Observa que el trapecio no depende de R2R^2 solamente, sino de R2−r2R^2-r^2.

Ejemplo breve

Si r=3r=3 y R=5R=5, entonces

S1S2=3252−32=925−9=916. \frac{S_1}{S_2}=\frac{3^2}{5^2-3^2} =\frac{9}{25-9} =\frac{9}{16}.

Es un error común escribir 925\frac{9}{25}, que es la razón entre el sector menor y el sector mayor completo.


9

Propiedades de áreas en sectores concéntricos

Hay dos propiedades que aparecen con mucha frecuencia en los problemas de concurso y en los exámenes de admisión.

Radios en progresión aritmética

Supón que tienes varios sectores circulares concéntricos con el mismo ángulo central θ\theta, y cuyos radios están en progresión aritmética:

a, 2a, 3a, 4a,… a,\ 2a,\ 3a,\ 4a,\dots

Las áreas de las regiones sucesivas (el sector central y los trapecios circulares que lo rodean) son proporcionales a las diferencias de cuadrados de los radios consecutivos:

a2,4a2−a2=3a2,9a2−4a2=5a2,16a2−9a2=7a2,… a^2,\quad 4a^2-a^2=3a^2,\quad 9a^2-4a^2=5a^2,\quad 16a^2-9a^2=7a^2,\dots

Es decir, las áreas son proporcionales a:

1, 3, 5, 7, 9,… 1,\ 3,\ 5,\ 7,\ 9,\dots

Esta propiedad permite resolver rápidamente problemas donde se dan áreas de varias franjas o se pide la relación entre ellas.

Regiones de áreas iguales

Si al contrario: un sector circular se divide en varias regiones de áreas iguales mediante sectores concéntricos, entonces los radios correspondientes no están en progresión aritmética, sino que sus cuadrados sí lo están.

Por ejemplo, si el sector central y los trapecios circulares tienen la misma área, entonces:

r12, r22, r32, r42,… r_1^2,\ r_2^2,\ r_3^2,\ r_4^2,\dots

están en progresión aritmética. Por lo tanto, los radios son proporcionales a:

1, 2, 3, 4,… \sqrt{1},\ \sqrt{2},\ \sqrt{3},\ \sqrt{4},\dots

Este tipo de razonamiento aparece en ejercicios de la semana del centro preuniversitario y en problemas tipo examen.


10

Segmento circular: cuando hay que restar el triángulo

Un caso especial que también se preguntó en la UNMSM es el del segmento circular.

Un segmento circular es la región comprendida entre una cuerda y el arco que subtiende.

Segmento circular: región sombreada entre la cuerda AB y el arco AB

El segmento circular no es un sector circular. Para calcular su área, se toma el área del sector circular AOBAOB y se le resta el área del triángulo AOBAOB.

El área del sector es:

Ssector=12θr2. S_{\text{sector}}=\frac12 \theta r^2.

El área del triángulo AOBAOB, que tiene dos lados de longitud rr y ángulo comprendido θ\theta, es:

S△AOB=12r2sen⁡θ. S_{\triangle AOB}=\frac12 r^2 \operatorname{sen}\theta.

Por lo tanto, el área del segmento circular es:

Asegmento=12r2(θ−sen⁡θ). \boxed{A_{\text{segmento}}=\frac12 r^2\left(\theta-\operatorname{sen}\theta\right)}.

Aquí θ\theta debe estar en radianes.

Ejemplo breve

Si r=1r=1 u y θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} rad, el área del segmento circular es

Asegmento=12(1)2(π2−sen⁡π2)=12(π2−1)=π4−12 u2. A_{\text{segmento}} =\frac12(1)^2\left(\frac{\pi}{2}-\operatorname{sen}\frac{\pi}{2}\right) =\frac12\left(\frac{\pi}{2}-1\right) =\frac{\pi}{4}-\frac12 \text{ u}^2.


11

Método de resolución para problemas de áreas de sectores y trapecios

Cuando enfrentes un problema de este tema, sigue estos pasos.

  1. Identifica los sectores y trapecios.
    Pregúntate: ¿la región pedida es un sector circular, un trapecio circular o un segmento circular?

  2. Escribe los datos en variables.
    Asigna letras a los radios (rr, RR), al ángulo central θ\theta, a los arcos (ll, LL) y a las áreas (S1S_1, S2S_2, etc.).

  3. Convierte los ángulos a radianes si es necesario.
    Si el dato está en grados, usa θrad=π180∘θsexagesimal\theta_{\text{rad}}=\frac{\pi}{180^\circ}\theta_{\text{sexagesimal}}.

  4. Elige la fórmula adecuada.

    • Para un sector: S=12θr2=12Lr=L22θS=\frac12\theta r^2=\frac12 L r=\frac{L^2}{2\theta}.
    • Para un trapecio: A=12θ(R2−r2)=L+l2hA=\frac12\theta(R^2-r^2)=\frac{L+l}{2}h.
    • Para un perímetro: P=2r+L=r(2+θ)P=2r+L=r(2+\theta).
    • Para un segmento: A=12r2(θ−sen⁡θ)A=\frac12 r^2(\theta-\operatorname{sen}\theta).
  5. Plantea proporciones si solo te piden relaciones.
    Si no hay valores absolutos, usa S1S2=r12r22\frac{S_1}{S_2}=\frac{r_1^2}{r_2^2} para ángulos iguales, o r2R2−r2\frac{r^2}{R^2-r^2} para sector interno y trapecio.

  6. Verifica las unidades.
    Las áreas se expresan en unidades cuadradas; los perímetros y cercas, en unidades lineales.


Cuidado

Errores frecuentes

  • Usar el ángulo en grados sexagesimales dentro de S=12θr2S=\frac12\theta r^2.
    Esta fórmula solo es válida si θ\theta está en radianes.

  • Confundir radio y diámetro.
    Si el problema dice "diámetro 2r", el radio es la mitad.

  • Olvidar sumar los dos radios en el perímetro del sector.
    El perímetro es 2r+L2r+L, no solo LL.

  • Calcular mal la altura del trapecio circular.
    La altura hh es R−rR-r, no la diferencia de arcos L−lL-l.

  • Confundir la razón entre el sector menor y el sector mayor con la razón entre el sector menor y el trapecio.
    La primera es r2R2\frac{r^2}{R^2}; la segunda es r2R2−r2\frac{r^2}{R^2-r^2}.

  • En el segmento circular, olvidar restar el triángulo.
    La región entre la cuerda y el arco no es igual al sector.

  • Usar cos⁡θ\cos\theta en lugar de sen⁡θ\operatorname{sen}\theta en el área del triángulo.
    El triángulo formado por dos radios y la cuerda tiene área 12r2sen⁡θ\frac12 r^2 \operatorname{sen}\theta.

  • Aplicar S=12LrS=\frac12 L r cuando LL no es el arco del mismo sector.
    En trapecios, hay que distinguir muy bien el arco del sector mayor y el del sector menor.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

Un sector circular tiene radio 66 cm y su ángulo central mide 60∘60^\circ. Calcula su área y su perímetro.

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

Ejemplo 2

Un sector circular de radio RR se divide en dos regiones mediante un sector concéntrico de radio rr. Si r:R=2:5r:R=2:5, halla la razón entre el área del sector menor y el área del trapecio circular.

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

Ejemplo 3

En un trapecio circular, el arco mayor mide 1818 cm, el arco menor mide 1212 cm y la diferencia entre los radios es 44 cm. Halla el área del trapecio circular.

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

Ejemplo 4

En un círculo de radio 11 u, un ángulo central α\alpha determina un segmento circular. Halla su área en términos de α\alpha.

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

Lo que viene

Hacia el siguiente tema

Ahora que sabes calcular longitudes de arco, áreas de sectores y áreas de trapecios circulares, estás listo para la siguiente aplicación: determinar cuántas vueltas da una rueda al girar sin resbalar sobre una superficie.

En ese tema se usará la longitud de arco de una vuelta completa, 2πr2\pi r, y la longitud recorrida por el centro de la rueda. La fórmula clave será nv=lc2πrn_v=\dfrac{l_c}{2\pi r}. Todo lo que has trabajado con arcos y radios te permitirá entender y resolver esos problemas de movimiento circular.

Ir al siguiente tema: Aplicaciones de la longitud de arco: número de vueltas que da una rueda al girar sin resbalar en una superficie

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