Открыть сервисСервис

Усечённая пирамида — геометрическое тело

Усечённая пирамида — это геометрическое тело, полученное отсечением пирамиды плоскостью, параллельной её основанию. Тело имеет два основания — нижнее (исходное, большего размера) и верхнее (меньшего размера), а также боковые грани в форме трапеций. Усечённая пирамида относится к призматоидам — многогранникам, у которых все вершины лежат в двух параллельных плоскостях.

Основные свойства

Усечённая пирамида характеризуется следующими параметрами:

  • Основания — два подобных правильных многоугольника (в общем случае — произвольные многоугольники), лежащие в параллельных плоскостях.
  • Боковые рёбра — отрезки, соединяющие соответствующие вершины оснований; при правильной усечённой пирамиде они равны.
  • Боковые грани — трапеции (в правильном случае — равнобедренные).
  • Высота — расстояние между плоскостями оснований.
  • Апофема — высота боковой грани, отнесённая к центру основания.

Если усечённая пирамида образована отсечением правильной пирамиды, она называется правильной усечённой пирамидой: основания — правильные многоугольники с общим центром, боковые грани — равнобедренные трапеции.

Формулы

Объём

Объём усечённой пирамиды вычисляется по формуле:

$$V = \frac{h}{3}(S_1 + S_2 + \sqrt{S_1 S_2}),$$

где $S_1$ и $S_2$ — площади оснований, $h$ — высота. Эта формула справедлива для любой усечённой пирамиды, независимо от формы оснований.

Для правильной усечённой пирамиды с основаниями-правильными $n$-угольниками, сторонами $a$ (нижнее основание) и $b$ (верхнее основание), площади выражаются как:

$$S_1 = \frac{n a^2}{4} \cot\frac{\pi}{n}, \quad S_2 = \frac{n b^2}{4} \cot\frac{\pi}{n}.$$

Боковая поверхность и полная поверхность

Боковая поверхность правильной усечённой пирамиды:

$$S_{\text{бок}} = \frac{n(a + b)}{2} \cdot l,$$

где $l$ — апофема (высота трапеции-грани), $n$ — число сторон основания.

Полная поверхность:

$$S_{\text{полн}} = S_1 + S_2 + S_{\text{бок}}.$$

Высота и апофема

Высота усечённой пирамиды связана с высотой исходной пирамиды $H$ и линейными размерами оснований:

$$h = H \cdot \frac{a - b}{a},$$

где $a$ и $b$ — соответствующие линейные размеры (стороны) оснований. Апофема $l$ и высота $h$ связаны через апофему исходной пирамиды $H_a$:

$$l = H_a \cdot \frac{a - b}{a}.$$

Частные случаи

ТипОснованияОсобенность
Усечённая четырёхугольная пирамидаКвадратыНаиболее изученный случай
Усечённая треугольная пирамида (тетраэдр)ТреугольникиОбъём: $V = \frac{h}{3}(S_1 + S_2 + \sqrt{S_1 S_2})$
Усечённый конус (усечённая пирамида с бесконечным числом сторон)ОкружностиФормула объёма совпадает с формулой усечённого конуса
Усечённая пирамида с основанием-многоугольником$n$-угольникиОбщая формула объёма

При $b \to 0$ усечённая пирамида вырождается в пирамиду, и формула объёма переходит в классическую $V = \frac{1}{3} S h$. При $a = b$ тело вырождается в призму, и объём равен $V = S h$.

Применение

Усечённые пирамиды встречаются в архитектуре (основания башен, цоколи зданий), в технике (конические и пирамидальные элементы конструкций), в кристаллографии (форма кристаллов). В математическом образовании усечённая пирамида служит примером тела, объём которого вычисляется по обобщённой формуле, объединяющей случаи пирамиды и призмы.

Интересные факты

Формула объёма усечённой пирамиды была известна ещё в Древнем Египте: в папирусе, известном как «Московский математический папирус» (около 1850 года до н. э.), содержится задача на вычисление объёма усечённой пирамиды с квадратными основаниями сторонами 4 и 2 локтя и высотой 6 локтей. Решение, приведённое в папирусе, эквивалентно современной формуле $V = \frac{h}{3}(a^2 + ab + b^2)$, где $a$ и $b$ — стороны оснований.

Источники:

Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru