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Cálculo I · Nivel básico

Canal rectangular de área máxima

Enunciado

Se tiene una plancha metálica de 3 m de ancho. Se doblan hacia arriba sus dos bordes, en ángulo recto, para formar un canal abierto de sección rectangular. ¿Qué altura deben tener las paredes para que el área de la sección transversal sea la máxima posible? ¿Cuánto vale esa área?

Sección del canal formado con la plancha de 3 m x3 − 2x A = x (3 − 2x)
Figura 1. Sección del canal formado con la plancha de 3 m.

Paso 1. Plantear la función área

Si cada pared mide x metros, con las dos paredes se usan 2x metros de plancha. Lo que queda para el fondo es 3 − 2x. El área de la sección es base por altura:

A(x) = x · (3 − 2x) = 3x − 2x²

El dominio físico es 0 < x < 1,5 m, porque el fondo no puede tener ancho negativo.

Paso 2. Derivar e igualar a cero

A′(x) = 3 − 4x = 0 → x = 0,75 m

Paso 3. Verificar que es un máximo

A″(x) = −4 < 0

La segunda derivada es negativa, así que en x = 0,75 m la función tiene un máximo. Además, en los extremos del dominio (x = 0 y x = 1,5) el área vale cero.

Paso 4. Calcular las dimensiones y el área

Fondo: b = 3 − 2(0,75) = 1,50 m

A = 0,75 · 1,50 = 1,125 m²

Resultado

  • Altura de las paredes: x = 0,75 m
  • Ancho del fondo: b = 1,50 m
  • Área máxima: A = 1,125 m²

Para qué sirve en ingeniería civil

El resultado muestra que la mejor sección rectangular tiene un fondo igual al doble de la altura (b = 2y). En hidráulica de canales esta es la sección de máxima eficiencia hidráulica: para un área dada tiene el menor perímetro mojado, y por eso conduce más caudal con menos material de revestimiento.

Errores comunes

Bibliografía de consulta

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