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प्रिज़्म, बेलन, पिरामिड, शंकु, गोले और गोलीय खंड का आयतन

आयतन किसी ठोस के अंदर की जगह है, जिसे घन इकाइयों में गिनते हैं। प्रिज़्म और बेलन: आधार का क्षेत्रफल × ऊँचाई। पिरामिड और शंकु: उसका एक तिहाई। गोला: (4/3)πr³, जो अपने बेलन का 2/3 है। k ऊँचाई वाले गोलीय खंड का आयतन πk²(3r − k)/3 है। सबका कारण एक ही है: हर ऊँचाई पर परतों का क्षेत्रफल बराबर, तो आयतन बराबर (कावालिएरी का विचार)।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. प्रिज़्म पतली परतों का ढेर है। हर परत का क्षेत्रफल एक जैसा है। आयतन = आधार का क्षेत्रफल × ऊँचाई।
  2. बेलन वृत्तों का ढेर है। हर वृत्त का क्षेत्रफल πr² है। इसलिए आयतन = πr²h।
  3. पिरामिड उसी आधार और ऊँचाई वाले प्रिज़्म के अंदर बैठता है। ऊपर जाते-जाते इसकी परतें छोटी होती हैं। यह प्रिज़्म का ठीक तिहाई भरता है।
  4. शंकु अपने बेलन का ठीक तिहाई भरता है। विचार वही है, बस आधार गोल है।
  5. r त्रिज्या का गोला 2r ऊँचाई वाले बेलन में आ जाता है। यह उसका दो तिहाई भरता है। इसी से V = (4/3)πr³ मिलता है।
  6. अब आपकी बारी। आकृति चुनिए, r बदलिए और नारंगी परत को ऊपर-नीचे खिसकाइए। परत का क्षेत्रफल और आयतन पढ़िए। गोलीय खंड भी आज़माइए।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

आयतन घन इकाई में क्यों होता है?

आयतन बताता है कि कितने इकाई घन अंदर आते हैं। हर परत का क्षेत्रफल (लंबाई × लंबाई) और मोटाई (एक लंबाई) है, यानी तीन लंबाइयाँ गुणा होती हैं: सेमी × सेमी × सेमी = सेमी³।

क्या तिरछे प्रिज़्म का आयतन सीधे प्रिज़्म जितना ही होता है?

हाँ, अगर आधार और लंबवत ऊँचाई वही है। हर परत का माप वही रहता है, इसलिए कावालिएरी के विचार से आयतन बराबर है। लंबवत ऊँचाई लीजिए, तिरछा किनारा नहीं।

पिरामिड के लिए ठीक एक तिहाई क्यों?

पिरामिड की परतें ऊपर जाते-जाते पूरे आधार से घटकर एक बिंदु बन जाती हैं। सबको जोड़ने पर प्रिज़्म की बराबर परतों का ठीक तिहाई मिलता है। परत को खिसकाकर उसका क्षेत्रफल घटते देखिए।

शंकु के सूत्र में तिर्यक ऊँचाई लगाएँ या लंबवत?

लंबवत ऊँचाई, यानी शीर्ष से आधार तक सीधी नीचे की दूरी। तिर्यक ऊँचाई l पता हो तो h = √(l² − r²) निकालिए।

गेंद के सूत्र में r³ और 4/3 क्यों है?

आयतन में हमेशा तीन लंबाइयाँ चाहिए, इसलिए r³। 4/3 इसलिए आता है कि गेंद अपने बाहर के बेलन 2πr³ का 2/3 है।

गोलीय खंड कितना बड़ा होता है?

यह खंड की ऊँचाई k और गेंद की त्रिज्या r पर निर्भर है: V = πk²(3r − k)/3। गोलीय खंड चुनकर k खिसकाइए, k = r पर अर्धगोला मिलेगा।

आयतन क्या है? परतें और कावालिएरी का विचार

आयतन ठोस के अंदर की जगह है। इसे घन इकाइयों में गिनते हैं: सेमी³, मी³, लीटर (1 लीटर = 1000 सेमी³)।

ठोस को ब्रेड के स्लाइस की तरह बहुत पतली परतों में काटिए। हर परत का क्षेत्रफल और ऊँचाई पता हो तो सबको जोड़ सकते हैं। इतालवी गणितज्ञ कावालिएरी ने एक सीधी बात देखी: दो ठोसों की ऊँचाई बराबर हो और हर ऊँचाई पर उनकी परतों का क्षेत्रफल बराबर हो, तो उनके आयतन बराबर होते हैं। इसीलिए सिक्कों का तिरछा ढेर और सीधा ढेर, दोनों का आयतन बराबर है।

प्रिज़्म और बेलन: आधार का क्षेत्रफल × ऊँचाई

प्रिज़्म में दो बराबर समान्तर फलक (आधार) होते हैं, जो आयतों से जुड़े रहते हैं। आधार के समान्तर हर परत आधार की ही प्रति है, इसलिए V = B × h, जहाँ B आधार का क्षेत्रफल और h लंबवत ऊँचाई है। डिब्बे के लिए B = l × b।

बेलन के आधार गोल हैं, इसलिए B = πr² और V = πr²h। तिरछे प्रिज़्म या बेलन के लिए भी V = B × h ही है, पर h सीधी ऊपर-नीचे की ऊँचाई होनी चाहिए, तिरछा किनारा नहीं।

पिरामिड और शंकु: एक तिहाई क्यों?

पिरामिड का एक आधार होता है और त्रिभुजाकार फलक एक बिंदु (शीर्ष) पर मिलते हैं। शंकु उसका गोल रूप है। एक पिरामिड और एक प्रिज़्म लीजिए जिनका आधार और ऊँचाई बराबर हो। आधार से ऊँचाई t पर पिरामिड की परत आधार की छोटी प्रति है, जिसका माप (1 − t/h) गुना है। उसका क्षेत्रफल B(1 − t/h)² है। सब परतें जोड़ने पर ठीक ⅓ B h मिलता है। (घन को एक कोने पर मिलते 3 बराबर पिरामिडों में काटा जा सकता है। यह बिना कलन के तिहाई दिखा देता है।)

इसलिए पिरामिड: V = ⅓ × B × h और शंकु: V = ⅓πr²h। यहाँ h लंबवत ऊँचाई है, तिर्यक ऊँचाई l नहीं। l दी हो तो पहले h = √(l² − r²) निकालिए।

गोला (ठोस गेंद): V = (4/3)πr³

गोला (sphere) सतह है और ठोस गेंद (ball) उसके अंदर का ठोस। r त्रिज्या की गेंद को r त्रिज्या और 2r ऊँचाई वाले बेलन में रखिए। बेलन के अंदर दो शंकु भी रखिए, जिनके नोक केंद्र पर मिलते हैं। केंद्र से ऊँचाई y पर बेलन की परत का क्षेत्रफल πr² है, गेंद की परत का π(r² − y²), और दोनों शंकुओं की परत का πy²। ये दोनों जुड़कर πr² बनते हैं, यानी हर ऊँचाई पर गेंद + शंकु = बेलन। कावालिएरी से आयतन भी इसी तरह जुड़ेंगे: बेलन = 2πr³, दोनों शंकु = 2πr³/3, इसलिए गेंद = 2πr³ − 2πr³/3 = (4/3)πr³। यह बेलन का ठीक 2/3 है। अर्धगोले का आयतन इसका आधा: (2/3)πr³।

गोलीय खंड (गेंद का कटा टुकड़ा)

गेंद को एक समतल से काटिए। छोटा टुकड़ा गोलीय खंड (एक आधार वाला) है। खंड की ऊँचाई k और गेंद की त्रिज्या r हो तो V = πk²(3r − k)/3। जाँच: k = 2r पर खंड पूरी गेंद है: π(4r²)(r)/3 = (4/3)πr³। k = r पर अर्धगोला: πr²(2r)/3 = (2/3)πr³।

खंड के चपटे फलक की त्रिज्या a है, जहाँ a² = k(2r − k)। दो समान्तर समतलों के बीच का खंड दो खंडों का अंतर है। 3D में गोलीय खंड चुनिए और ऊँचाई k खिसकाइए।

कौन-सा सूत्र लगाएँ: छोटी तालिका

गुणा करने से पहले देख लीजिए कि सारी लंबाइयाँ एक ही इकाई में हैं। उत्तर घन इकाई में लिखिए।

करके देखिए: चावल की जाँच

एक काग़ज़ का शंकु और एक काग़ज़ का बेलन बनाइए, चौड़ाई और ऊँचाई एक जैसी। शंकु में चावल भरिए और बेलन में उलटिए। तीन बार कीजिए: बेलन भर जाएगा। पहले अनुमान लगाइए कि कितने शंकु चावल से बेलन भरेगा, फिर जाँचिए। आपने तिहाई खुद नाप लिया।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक चौकोर प्रिज़्म के आधार की भुजा 4 सेमी और ऊँचाई 9 सेमी है। आयतन निकालिए।

B = 4 × 4 = 16 सेमी²। V = B × h = 16 × 9 = 144 सेमी³।

2. एक बेलनाकार टंकी में r = 7 मी और h = 10 मी है। आयतन निकालिए (π = 22/7)।

V = πr²h = (22/7) × 49 × 10 = 22 × 7 × 10 = 1540 मी³। यानी 15,40,000 लीटर।

3. एक पिरामिड के चौकोर आधार की भुजा 6 सेमी और ऊँचाई 8 सेमी है। आयतन निकालिए।

B = 36 सेमी²। V = ⅓ × 36 × 8 = 96 सेमी³।

4. एक शंकु की आधार त्रिज्या 3 सेमी और तिर्यक ऊँचाई 5 सेमी है। आयतन निकालिए।

h = √(5² − 3²) = 4 सेमी। V = ⅓π × 9 × 4 = 12π ≈ 37.7 सेमी³।

5. 3 सेमी त्रिज्या की गेंद का आयतन निकालिए।

V = (4/3)π × 3³ = (4/3)π × 27 = 36π ≈ 113.1 सेमी³।

6. 5 सेमी त्रिज्या की गेंद से 2 सेमी ऊँचाई का गोलीय खंड काटा गया। उसका आयतन निकालिए।

V = πk²(3r − k)/3 = π × 4 × (15 − 2)/3 = 52π/3 ≈ 54.5 सेमी³।

7. 6 सेमी त्रिज्या की धातु की गेंद को पिघलाकर 3 सेमी त्रिज्या और 4 सेमी ऊँचाई के छोटे शंकु बनाए गए। कितने शंकु बने?

गेंद: (4/3)π × 216 = 288π सेमी³। एक शंकु: ⅓π × 9 × 4 = 12π सेमी³। संख्या = 288π ÷ 12π = 24 शंकु (पिघलाने पर आयतन नहीं बदलता)।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. शंकु और बेलन का आधार और ऊँचाई बराबर है। शंकु का आयतन है:
2. r त्रिज्या की गेंद का आयतन है:
3. एक गेंद ठीक एक बेलन (ऊँचाई 2r) के अंदर आती है। गेंद बेलन का कितना भाग घेरती है?
4. शंकु के V = ⅓πr²h में कौन-सी ऊँचाई लेते हैं?
5. जिस गोलीय खंड की ऊँचाई k = r हो, वह है:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

शंकु का आयतन बेलन का एक तिहाई क्यों होता है?

शंकु की परतें ऊपर जाते-जाते छोटी होती हैं। ऊँचाई पर πr²(1 − t/h)² क्षेत्रफल की परतें जोड़ने पर ठीक πr²h का एक तिहाई मिलता है। आप चावल से भी देख सकते हैं: शंकु तीन बार भरने पर बेलन भरता है।

गोलीय खंड का आयतन क्या है?

r त्रिज्या की गेंद से काटे गए k ऊँचाई के खंड का V = πk²(3r − k)/3 होता है। दो समान्तर समतलों के बीच का खंड ऐसे दो खंडों का अंतर होता है।

क्या इन आयतनों के लिए कलन (calculus) चाहिए?

नहीं। स्कूल स्तर पर परतें और कावालिएरी का विचार काफ़ी हैं। यही विचार समाकलन (integration) का आधार है। कलन किसी भी आकृति के लिए जोड़ को सटीक बना देता है।

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