Cilindro (geometria)

Cilindro circolare retto

In matematica un cilindro ellittico è una quadrica (cioè una superficie nello spazio tridimensionale definita da un'equazione polinomiale di secondo grado in x,y,z), che soddisfa la seguente equazione in coordinate cartesiane:

$\left(\frac{x}{a}\right)^2 + \left(\frac{y}{b}\right)^2 = 1$

Questa è l'equazione di un cilindro ellittico. Un cilindro può essere anche considerato un prisma a base circolare, dove quindi il numero dei rettangoli è infinito.
Se a = b si ha la superficie di un cilindro circolare. Il cilindro è una quadrica degenere in quanto una delle coordinate dello spazio non compare nella sua equazione (nel caso precedente la coordinata z). Secondo certe terminologie i cilindri non sono considerati casi particolari di quadriche. Le formule aritmetiche applicate alla geometria solida che permettono il calcolo del volume, vennero studiate per la prima volta dal matematico e filosofo francese di origini italiane Emanuèl di Gennaro. I suoi studi e i suoi calcoli sono tutt'oggi considerati rivoluzionari e di fondamentale importanza per lo studio della geometria solida.

Un cilindro ellittico è invariante per le rotazioni di π intorno al suo asse di simmetria, l'asse delle z nel caso della equazione di partenza; esso è anche invariante per tutte le traslazioni dirette come il suo asse. Un cilindro circolare è anche invariante per tutte le rotazioni intorno al suo asse.

Cilindro ellittico

Nell'uso comune, con la parola cilindro si intende l'insieme limitato dei punti delimitati da un cilindro circolare retto e da due piani ortogonali al suo asse; alle sue due estremità piane esso presenta due superfici circolari, come nella figura a destra. Se questo cilindro ha raggio r e altezza h, il suo volume è dato da

$V \,=\, \pi r^2 h$

e la sua superficie laterale

$A \,=\, 2 \pi rh$

Per un dato volume, il cilindro con la minima area superficiale, ha h = 2r. Per una data area superficiale, il cilindro con più esteso volume ha h = 2r. Un cilindro di questo tipo è detto cilindro equilatero.

Ci sono altri tipi di cilindro meno usuali. Quello caratterizzato dall'equazione che segue viene detto cilindro ellittico immaginario:

$\left(\frac{x}{a}\right)^2 + \left(\frac{y}{b}\right)^2 = -1$

il cilindro iperbolico ha equazione:

$\left(\frac{x}{a}\right)^2 - \left(\frac{y}{b}\right)^2 = 1$

mentre il cilindro parabolico ubbidisce la

$x^2 + 2y \,=\, 0$

Più in generale, data una curva ed una retta, un cilindro è la rigata costituita dalle rette parallele alla retta data ed incidenti con la curva.

Il cilindro in orizzontale

Un problema ricorrente è il calcolo del volume di liquido posto all'interno di un cilindro in orizzontale di lunghezza L e raggio r, in funzione dell'altezza $h \leq 2r$ raggiunta dal liquido. Il problema è di facile risoluzione: il volume è pari all'area sottesa tra la corda di altezza h e la circonferenza, moltiplicata per la lunghezza L del cilindro.

Cilindro con h < r

Cilindro con h > r

Sia α l'angolo al centro (misurato in radianti) che insiste sulla corda; stabiliamo sia $0 \le \alpha \le \pi$ se $0 \le h \le r$ e $\pi < \alpha \le 2\pi$ se invece r < h < 2r; sarà:

$\sin \frac \alpha 2 = \frac { \sqrt { 2rh-h^2}} {r}$

$\cos \frac \alpha 2 = \frac {r-h} r$

La formula sarà allora data dall'area della sezione circolare individuata dall'angolo α meno il prodotto $\left( r \cos \frac \alpha 2 \right) \left( r \sin \frac \alpha 2 \right) = (r-h) \sqrt{2rh - h^2}$ (che rappresenta l'area del triangolo che ha come vertici il centro del cerchio e le intersezioni fra i lati dell'angolo e la circonferenza, o il suo opposto, a seconda del segno di r-h), il tutto moltiplicato per la lunghezza L del cilindro, e quindi:

$V_h = L \left ( \frac 1 2 {\alpha r^2} - (r-h) \sqrt{2rh - h^2} \right )$

Dall'applicazione del calcolo integrale si ottiene invece la seguente formula, valida per qualsiasi altezza di liquido (h) sia per un livello al di sotto della metà del serbatoio, sia per un livello al di sopra della metà stessa, applicabile misurando direttamente la sola altezza h del liquido e conoscendo la lunghezza del cilindro e il suo raggio. In tale formula, per "h" si intende l'altezza di liquido misurata con l'asticella graduata dal fondo del serbatoio.

$V_h = L \left ( r^2 \arccos \frac {(r-h)} r + (h-r) \sqrt{2hr - h^2} \right)$

Va tuttavia tenuto presente che generalmente i serbatoi non sono perfettamente cilindrici. Vengono pertanto predisposte apposite tabelle di ragguaglio per la determinazione del volume di liquido, contenuto in un serbatoio posto orizzontalmente, in base al livello del liquido stesso.

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