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CURSO DE TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA Juan Manuel Nieto Vafe CURSO DE TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA Con ejercicios totalmente resueltos Juan Manuel Nieto Vales Nieto Vales, Juan Manuel Curso de trigonometría esférica : con ejercicios totalmente resueltos / Juan Manuel Nieto Vales. -- Cádiz : Universidad, Servicio de Publicaciones, 1996. -- IV, 143 p. ISBN 84-7786-392-X 1. Trigonometría esférica - Tratados, manuales, etc. I. Título 514.116 © Servicio de Publicaciones de la Universidad de Cádiz. Juan Manuel Nieto Vales I.S.B.N. 84-7786-392-X Diseño de cubierta: CREASUR, S.C. Imprime: Servicio de Autoedición e Impresión Universidad de Cádiz I PRÓLOGO La presente obra tiene por objeto proveer, a quien la estudie, de los conocimientos geométricos en que se fundamentan la Astronomía Náutica y la Navegación, a saber, la determinación y resolución de triángulos esféricos. Por lo tanto, es a los estudiantes de Náutica a quienes este ” Curso” va dirigido especialmente, aunque también resulte útil a estudiantes de Astro nomía y Geodesia, pues tal especificidad consiste, sobre todo, en la naturaleza de los ejercicios y en la forma en que estos se resuelven, cuestión a la que más adelante nos referiremos. Se establecen y desarrollan, con el rigor y formalismo propios de la Geo metría Euclídea clásica, los conceptos y teoremas que originan el cuerpo de resultados que permiten resolver los triángulos esféricos, constituyendo lo que se denomina la ”Trigonometría Esférica”. Su exposición se estructura de modo que puedan explicarse dentro del marco temporal que el vigente plan de estudios de 1.994 para la Diplomatura en Navegación Marítima otorga a esta disciplina y que es de 3 créditos (2 teóricos y 1 práctico). Se ha prestado particular atención a los aspectos prácticos, por lo que se ilustra cada caso de resolución trigonométrica con ejemplos cuidadosamente detallados en su proceso de cálculo y obtención del resultado final. Así mismo se plantean y resuelven completamente la totalidad de los ejercicios propues tos. A tal fin, atendiendo las recomendaciones de la Organización Marítima Internacional, recogidas en su documento TM703E (IMO, Londres, 1991) se utilizan las Tablas Náuticas como instrumento de cálculo para la resolu ción de los citados ejemplos y ejercicios. Como la mencionada limitación de créditos no permite, ni mucho menos, la resolución en clase de un número elevado de aquéllos, el estudiante encontrará ”a bordo” suficiente material para entrenarse por su cuenta. ^lodel Course developed under the IMO 7.03. Officer in Charge of a Navigational Watch (STCW Regulation II/4). Module 15. Mathematics, págs. 4, 23 y 24 II El autor agradecerá cuantas correcciones o sugerencias sobre el contenido de esta obra tengan a bien remitirle sus lectores. Puerto Real, Abril de 1.996 I ndice 1 Introducción: Fundamentos geométricos 1 1.1 Definiciones..................................................................................... 1 1.2 Angulo plano y diedro suplementario . 3 1.3 Polaridad de triedros...................................... . 4 1.4 Propiedades métricas..................................................................... 5 1.5 Triedro isósceles ... 7 1.6 Igualdad de triedros...................... . . 7 2 Conceptos y fórmulas fundamentales 11 2.1 Distancia esférica y ángulo esférico............................ , 11 2.2 Triángulo esférico........................................................................... 13 2.3 Propiedades de los triángulos esféricos . 15 2.4 Triángulos polares.................................................. 16 2.5 Igualdad de triángulos esféricos.................................................. 17 2.6 Fórmulas de Bessel: Teorema del coseno . 18 2.7 Teorema de los senos.................................. 20 2.8 Relaciones entre lados y ángulos no opuestos................................21 2.9 Relación entre los tres ángulos y un lado . . 21 2.10 Fórmulas para los triángulos rectángulos: Regla de Neper ... 22 2.11 Fórmulas para los triángulos rectiláteros...................................... 23 3 Resolución de triángulos esféricos 25 3.1 Casos de resolución de triángulos rectángulos................................ 25 3.2 Resolución de triángulos isósceles............... 30 3.3 Casos de resolución de triángulos oblicuángulos..................... .33 3.4 Fórmulas de Gauss-Delambre y de Neper...................................... 35 3.5 Otros casos de resolución . . 39 III IV Ejercicios 43 Capítulo 1 Introducción: Fundamentos geométricos de la Trigonometría Esférica. Los triedros y sus propiedades 1.1 Definiciones Consideremos el espacio afín euclídeo ordinario .R3 y, en él, tres semirrec tas a, b y c con un origen común V 1 2 Capítulo 1. Introducción: Fundamentos geométricos Denominaremos triedro al conjunto de los puntos de R3 que son comunes a los semiespacios respectivamente limitados por los planos ab, bey ca y que contienen a la semirrecta restante. • Las tres semirrectas a, b y c se denominan aristas del triedro. • Cada uno de los ángulos convexos ab, be y ca se denomina cara del triedro, y su conjunto, superficie del triedro. • Los diedros convexos definidos por cada dos caras consecutivas se de nominan, también, diedros del triedro. Consecuencia inmediata de lo que acabamos de exponer es la propiedad siguiente: Tres planos concurrentes en un punto, sin pasar por una misma recta, dividen el espacio en ocho triedros, intersecciones de los diedros determinados por cada dos de ellos con los semiespacios que limita el tercero. Lo mismo los diedros convexos que los triedros que hemos definido y, en general, toda figura definida por intersección de semiespacios tiene la propiedad siguiente: El segmento determinado por dos puntos de la figura está to talmente contenido en ella, puesto que sus puntos pertenecen a todos los semiespacios que la definen. De aquí que esta propiedad se tome como definitoria de las figuras convexas. 1.2. Ángulo plano y diedro suplementario 3 1.2 Angulo plano y diedro suplementario Si desde un punto P de la arista del diedro convexo a'3, trazamos las semirrectas a y b perpendiculares a sus caras y situadas respecto de cada cara en distinto semiespacio que el que contiene al diedro, el ángulo ab formado por estas semirrectas es suplementario del diedro a^. En efecto: a y b son perpendiculares a la arista del diedro por serlo a a y /3, respectivamente; por lo tanto el plano ab es perpendicular a dicha arista y corta según su sección recta mn al diedro a/3. Pero: mn + nb + ba + am — 4R nb = am = 1/? => mn + ab = 2R q.e.d. 4 Capítulo 1. Introducción: Fundamentos geométricos 1.3 Polaridad de triedros Si desde el vértice V de un triedro r se trazan las semirrectas perpen diculares a sus caras, situadas respecto de cada una de éstas en distinto semiespacio que el que contiene al triedro, todas ellas definen otro triedro r' cuyas caras son suplementarias de los diedros de r Basta con aplicar la propiedad 1.2 a los diedros de t : a! es perpendicular a la cara cb de t, b' es perpendicular a ac y d lo es a la ab, con lo que se verificará que: a'b' + diedro acb = 2R a'd + diedro abe = 2R b’d + diedro cab = 2R q.e.d. El triedro r' se denomina polar del t Recíprocamente, como b' ± ac d ± ab a' ± be b1 ± ac a' ± be c' ± ab => a i b’d => r es el triedro polar de r', 1.4. Propiedades métricas 5 es decir, los diedros de t' son suplementarios de las caras de r. Esta notable propiedad permitirá deducir relaciones métricas relativas a los diedros de un triedro, conocidas relaciones métricas relativas a las caras y recíprocamente. 1.4 Propiedades métricas de las caras y die dros de un triedro Teorema 1.4.1 Toda cara de un triedro es menor que la suma de las otras dos. Sea abe el triedro. Bastará con demostrar el teorema para la cara ma yor ab. Tomemos sobre ella ad = Se: unamos A y B, puntos cualesquiera, respectivamente sobre ay b y sea D el punto de intersección de AB con d. Tomemos, finalmente, VC = VD. Se tendrá que: △AVC = ¿\AVD por tener dos lados iguales y el ángulo comprendido. Por lo tanto AC = AD y como en el AABC es BC > AB - AC = AB - AD = DB, los triángulos V BC y VBD tienen dos lados respectivamente iguales VB = VB (común), VD = VC 6 Capítulo 1. Introducción: Fundamentos geométricos y desigual el tercer lado BC > BD, se deduce que be > bd — ab — ac =^> be + ac > ab q.e.d. (Si el triedro tiene dos caras iguales mayores que la tercera, o las tres caras iguales, la demostración anterior no es aplicable pero entonces el teorema es trivial). Corolario 1.4.2 Toda cara de un triedro es mayor que la diferencia entre las otras dos. Teorema 1.4.3 La suma de las caras de un triedro es menor que cuatro rectos. Basta con aplicar el teorema anterior al triedro a'bc definido por las aristas b. c y la semirrecta a1 opuesta a la a. Se tiene: be < (27? — ab) + (27? — ac) ab + ác+ be < 4R q.e.d. Teorema 1.4.4 La suma de los diedros de un triedro está comprendida entre dos y seis rectos. 1.5. Triedro isósceles 7 Aplicando el teorema anterior a las caras del triedro polar del considerado, la propiedad resulta de inmediato: 0 < (27? - a) + (27? -(3) + (2R -7) <47? y restando de 6 rectos estas desigualdades se obtiene, GR > a + (i + 7 > 27? q.e.d. Teorema 1.4.5 El menor de los diedros de un triedro difiere de la suma de los otros dos en menos de dos rectos. Llamando a al menor de los diedros y aplicando el primero de estos teoremas al triedro polar, se obtiene; 27? — a < 27? — + 27? — 7, con lo que P + 7 — a < 27? q.e.d. 1.5 Triedro isósceles Si dos caras de un triedro son iguales, lo son también los diedros opuestos Basta observar que el triedro es simétrico respecto al plano bisector del diedro formado por las caras iguales. Recíprocamente: Si dos diedros de un triedro son iguales, lo son las caras opuestas Basta considerar el triedro polar y aplicar la propiedad anterior. Este triedro con dos caras, o dos diedros, iguales se denomina isósceles. 1.6 Igualdad de triedros Se dice que dos triedros son iguales cuando tienen sus caras y sus diedros respectivamente iguales. 1er Criterio de igualdad: Si dos triedros tienen respectivamente iguales dos caras y el diedro comprendido, son iguales. 8 Capítulo 1. Introducción: Fundamentos geométricos Supongamos ab = a'b', ac = a'd y a = a' y que ambos triedros son del mismo sentido (si no bastaría con sustituir uno de ellos por su opuesto por el vértice). Apliquemos al triedro a'b'c’ el movimiento que hace coincidir a'b' con ab y los semiespacios en que se sitúan d y c. Por ser a = a' coincidirán los semiplanos ac y a’c' y por ser iguales los ángulos ac y a'd coincidirán c y d y por tanto los triedros. 2o Criterio de igualdad: Si dos triedros tienen respectivamente iguales una cara y los diedros contiguos (o adyacentes), son iguales. Se demuestra análogamente al anterior, o bien, considerando los triedros polares de los dados y aplicando el 1er Criterio. 3er Criterio de igualdad: Dos triedros que tienen sus caras respectivamente iguales, son iguales. 1.6. Igualdad de triedros 9 Llevemos sobre las seis aristas segmentos iguales: VA = VB = VC = VA! = VB' = VC Puesto que ÁVB = A'VB',ÁVC = A^C' y BVC - B’V’C, los triángulos △ V AB y △ V'A'B' son iguales => AB = A'B': análogamente BC = B'C y AC = A'C, es decir △ ABC = △ A'B'C Puesto que V y V son, respectivamente, equidistantes de A, B y C y de A', B' y C estarán sobre las perpendiculares a los planos ABC y A'B'C' trazadas por los circuncentros 0 y 0' de los triángulos respectivos. El movimiento que haga coincidir los triángulos ABC y A'B'C hará, pues, coincidir estas perpendiculares y como .40 = A'O' y AV = A’V será también V0 = C'O' y por lo tanto V y V coincidirán después de dicho movimiento si los triedros tienen el mismo sentido o serán simétricos respecto del plano ABC si tienen sentidos opuestos. En un palabra, después del referido movimiento los triedros coinciden o son simétricos, lo que prueba el criterio. 4o Criterio de igualdad: Dos triedros que tienen los diedros respectiva mente iguales, son iguales. En efecto, los triedros polares lo son, en virtud del criterio anterior. 10 Capítulo 1. Introducción: Fundamentos geométricos C apítulo 2 Conceptos y fórmulas fundamentales de la Trigonometría Esférica 2.1 Distancia esférica y ángulo esférico Dados dos puntos A y B de una superficie esférica de centro 0, que supon dremos invariable en todo nuestro estudio, denominaremos distancia esférica entre los puntos A y B al menor de los arcos de circunferencia máxima que tienen sus extremos en ellos. La designaremos por AB. Esta circunferencia 11 12 Capítulo 2. Conceptos y fórmulas fundamentales máxima es la sección producida en la superficie esférica por el plano AOB. Si A y B fuesen diametralmente opuestos, habría infinitas circunferencias máximas que pasan por ellos y todos los arcos AB serían iguales a una se micircunferencia que se toma en este caso, por definición, como distancia esférica. Como suponemos invariable esta superficie esférica y, por lo tanto, su radio, que es el de todas las circunferencias máximas, las distancias esféricas serán proporcionales a los ángulos que las proyectan desde el centro de la esfera. De este modo convendremos en expresar la medida de AB por la del ángulo central AQB. Dos circunferencias máximas se cortan en los extremos del diámetro común AA', por pasar sus planos por el centro 0 de la esfera, y dividen a la superficie esférica en cuatro regiones denominadas husos o ángulos esféricos, cada una de ellas comprendida en uno de los cuatro diedros en que dichos planos dividen al espacio. La medida de cada uno de estos die dros se toma también como medida del ángulo esférico o abertura del huso correspondiente. Dos circunferencias máximas se dirán perpendiculares cuando formen un ángulo recto. Los extremos del diámetro perpendicular a una circunferencia máxima c se denominan polos de ésta. En ellos concurren todas las circuferencias máximas perpendiculares a c, puesto que todos los planos perpendiculares al plano de c por el centro de la esfera pasan por el diámetro perpendicular a c. Desde un punto A de la superficie esférica, exterior a una circunferencia 2.2. Triángulo esférico 13 máxima c y distinto de los polos de ésta, se puede trazar una única circunfe rencia máxima perpendicular a ella: será la que pasa por los polos P y P' de c, es decir, contenida en el plano perpendicular al de c que pasa por el punto A. Si B y B' son las intersecciones de esta perpendicular con c, el menor, AB, de los arcos AB y AB' se denomina distancia de A a c, por ser menor que cualquier arco AC de circunferencia máxima que una A con un punto de c puesto que AOB < AOC 2.2 Triángulo esférico Puesto que a todo ángulo central corresponde una distancia esférica y a cada diedro un ángulo esférico, un triedro con vértice en el centro de la esfera será cortado por la superficie esférica según una parte de ésta limitada por tres arcos de circunferencia máxima que se denomina triángulo esférico. Las secciones de las caras son los arcos de circunferencia máxima AB, AC y BC, llamados lados del triángulo esférico y que se miden por sus ángulos centra les. A los diedros del triedro corresponden, pues, los ángulos del triángulo esférico ABC formado por cada dos lados y que designaremos por a,/? y 7 o A, B y C, respectivamente opuestos a BC, AC y AB. Como las caras de un triedro son ángulos convexos (menores que un llano) los lados del triángulo esférico son menores que una semicircunferencia (o un llano). Como los tres planos de las caras de un triedro dividen al espacio en ocho 14 Capítulo 2. Conceptos y fórmulas fundamentales triedros, las circunferencias de los lados de un triángulo esférico ABC dividen a la superficie esférica en ocho triángulos que son, llamando A', B' y C alos puntos diametralmente opuestos a A, B y C, los siguientes: • ABC, triángulo dado • ABC, AB’C y A'BC, llamados triángulos adyacentes al ABC por tener con él un lado común. • A'B'C, triángulo simétrico del ABC respecto de 0. • A'B'C, A'BC y AB'C, triángulos adyacentes al A’B’C o simétricos, respectivamente, de ABC, AB'C y A'BC respecto a 0. Un triángulo esférico se denomina isóceles si tiene dos lados iguales y equilátero si tiene los tres. Se denomina rectángulo si tiene un ángulo recto, birrectángulo si tiene dos, en cuyo caso tiene también rectos los lados opuestos por concurrir éstos en el polo del tercer lado (/AABD en la figura), y trirrectángulo si tiene los tres ángulos rectos y por tanto sus lados son tres cuadrantes de circunferencia máxima (ABC en la figura adjunta). Un triángulo esférico trirrectángulo se denomina octante de la superfi cie esférica por estar ésta constituida por ocho iguales a él (por simetría). Análogamente, según tenga un triángulo esférico un lado recto, dos o los tres se denominará rectilátero, birrectilátero o trirrectilátero, respectiva mente. 2.3. Propiedades de los triángulos esféricos 15 2.3 Propiedades de los triángulos esféricos De las propiedads de los triedos y de la definición de triángulo esférico se desprenden, trivialmente, los resultados siguientes: • La suma de los lados de un triángulo esférico es menor que cuatro rectos. • Cada lado de un triángulo esférico es menor que la suma de los otros dos y mayor que su diferencia. • La suma de los ángulos de un triángulo esférico es mayor que dos rectos y menor que seis. • El menor de los ángulos de un triángulo esférico difiere de la suma de los otros dos en menos de dos rectos. • Un triángulo esférico isósceles tiene iguales los ángulos opuestos a los lados iguales y, recíprocamente, si un triángulo esférico tiene dos ángulos iguales, es isósceles. • En todo triángulo esférico, a mayor lado se supone mayor ángulo. En efecto: supongamos que AB > AC; llevemos AB = AC sobre AB. Si C es el simétrico de C respecto al centro 0 de la esfera, en el triángulo BBC' se tendrá 2R <1' + S + (2R-P) Como 7' + ó = 7 => 2R < 7 + 2R — (3 => /3 < 7 q.e.d. 16 Capítulo 2. Conceptos y fórmulas fundamentales * En todo triángulo esférico a mayor ángulo se opone mayor lado. En efecto: en la figura anterior si 7 > es AB > AC pues si fuese AB < AC, en virtud de la propiedad anterior se obtendría 7 < 3 contra lo supuesto. 2.4 Triángulos polares 2.5. Igualdad de triángulos esféricos 17 La sección de una superficie esférica con dos triedros polares de vértice en el centro de la esfera origina dos triángulos esféricos denominados polares: los vértices de cada uno de ellos son polos de las circunferencias de los lados del otro. Los lados de cada uno son suplementarios de los ángulos del otro y recíprocamente. A cada relación métrica entre los lados de una corresponde otra entre los ángulos del otro, lo que unido a los criterios de igualdad de triedros nos porporcionará los siguientes criterios de igualdad de triángulos. 2.5 Igualdad de triángulos esféricos Dos triángulos esféricos se dicen iguales si tienen respectivamente iguales sus ángulos y sus lados, para lo que resultan suficientes los criterios siguientes: 1. Criterio de igualdad: Dos triángulos esféricos que tienen respectiva mente iguales dos lados y el ángulo comprendido, son iguales. 2. Criterio de igualdad: Dos triángulos esféricos que tienen iguales un lado y los dos ángulos contiguos (o adyacentes), son iguales. 3. Criterio de igualdad: Dos triángulos esféricos que tienen los lados res pectivamente iguales, son iguales. 4. Criterio de igualdad: Dos triángulos esféricos de ángulos respectiva mente iguales, son iguales. Señalemos, finalmente, que en todo triángulo esférico ABC se denomina exceso esférico del mismo al valor: £ = Á+ B + C-211 también representado por 2E, denominádose a E el semiexceso esférico. Utilizando, como se hará habitualmente, graduación sexagesimal en la medida de las magnitudes angulares se tiene: £ = Á + B + C - 180° Análogamente si a, b y c designan los lados de dicho triángulo, respecti vamente opuestos a los ángulos A, B y C, a la suma a + b+ c se la denomina perímetro del triángulo y se la representa por 2p. La diferencia d = 28 = 360° - 2p 18 Capítulo 2. Conceptos y fórmulas fundamentales se denomina defecto esférico (¿ semidefecto y p semiperímetro) en cuya expresión, como en lo sucesivo mientras no se indique otra cosa, las medi das de los arcos que constituyen los lados a, b y c se expresan en grados sexagesimales. De lo anterior se deduce, inmediatamente, que el exceso esférico de un triángulo es igual al defecto esférico de su triángulo polar, y recíprocamente. Las notaciones indicadas para ángulos y lados se mantendrán sin más indicación en lo sucesivo. 2.6 Fórmulas de Bessel: Teorema del coseno Sea ABC un triángulo esférico en el que supondremos, en primer lugar, que A y b son agudos. Supongamos que 0 es el centro de la esfera a la que pertenece dicho triángulo cuyo radio puede tomarse como unidad. Sea P la proyección ortogonal del vértice C sobre el plano AOB y sea M su proyección ortogonal sobre 0.4. El plano C MP resulta entonces perpen dicular a la recta 0.4 por contener dos direcciones perpendiculares a ella, CP 2.6. Fórmulas de Bessel: Teorema del coseno 19 y CM, de modo que el triángulo CMP es rectángulo en P y su ángulo en M es igual al A del triángulo esférico. Teniendo en cuenta todas las consideraciones señaladas resultará: OM — eos b, MC = sen b.MP — sen freos A, PC = sen frsen A Tomemos ahora la quebrada OMPC y expresemos que la proyección de la resultante OC sobre el eje OX es igual a la suma de las proyecciones de las componentes OM, MP y PC sobre el mismo eje. Se tendrá: Proy. OC = eos a ; proy. OM — eos b eos c Proy. MP = sen b eos A eos (90° — c) = sen b sen c eos A Proy. PC — 0, con lo cual eos a = eos b eos c + sen b sen c eos A Si A > 90° cambia el sentido de MP pero así mismo cambiaría el signo de eos A, con lo que el término correspondiente en la suma no variaría. Si b > 90° bastaría con aplicar la fórmula obtenida al triángulo adyacente A'BC, siendo A' el simétrico de A respecto a 0, con elementos b' = 180° — —b, c' = 180° — c, a' = a, A' = Á, y la fórmula obtenida subsiste. Si A = 90°, se anula MP y si b = 90° se anula 0M lo que automáticamente es puesto de manifiesto por la anulación de eos A o de eos b. Luego la fórmula obtenida es válida en cualquier caso. Permutando letras obtendremos las correspondientes relaciones para los demás elementos del triángulo, las cuales constituyen el denominado Primer grupo de fórmulas de Bessel eos a = eos b eos c + sen b sen c eos A eos b = eos a eos c + sen a sen c eos B eos c = eos a eos b + sen a sen b eos C (I) cada una de las cuales relaciona los tres lados y un ángulo. Desempeñan, por lo tanto, un papel análogo al "teorema del coseno” en la Trigonometría Plana y pueden aplicarse para calcular: 1. un lado cualquiera, dados los otros dos lados y el ángulo comprendido. 2. los tres ángulos, dados los tres lados. 20 Capítulo 2. Conceptos y fórmulas fundamentales 2.7 Teorema de los senos Proyectemos ahora la misma quebrada del epígrafe anterior sobre el eje 0Z perpendicular al plano AOB según se indica en la figura de la página 18. Se tendrá: Proy. 0M = Proy. MP = 0 Proy. PC = PC = sen b eos A Proy. 0C = sen hc donde hc es el arco de círculo máximo que, pasando por C, es perpendicular al arco AB (por lo que también se le denomina altura esférica del triángulo ABC sobre el lado AB). De las igualdades anteriores y razonando como en el caso precedente, se obtiene: sen hc = sen b • sen A válida también aunque A y B sean obtusos, por no variar de signo los senos. Si se aplicase el mismo proceso al ángulo B se obtendría sen hc = sen a • sen B que junto con la igualdad anterior nos da sen a sen b sen A sen B y análogamente se obtendríapara C y c. Queda así probado el llamado "teorema de los senos’’ ó 2o Grupo de fórmulas de Bessel sen a sen b sen c sen A sen B sen C (II) Este teorema permite calcular un ángulo B (o un lado b) conocido su lado opuesto b (ó su ángulo opuesto B) y otros elementos oopuestos como a y A; pero el cálculo del tercer ángulo C no es tan fácil como en el plano por no existir la relación A + B + C = 180°. Necesitamos relaciones que liguen ángulos y lados no opuestos o los tres ángulos y un lado. 2.8. Relaciones entre lados y ángulos no opuestos 21 2.8 Relaciones entre lados y ángulos no opuestos Sustituyendo en la primera de Is fórmulas (I) eos c por su expresión sacada de la tercera y sen c por su expresión sen a sen C / sen A obtenida de (II), resulta: eos a = eos &( eos a eos b + sen a sen b eos C) + sen a sen b sen C ■ ctg A y trasponiendo el término eos a cos26, resulta, después de dividir por sen a sen b: ctg a sen b = eos b eos C + sen C ctg A y, análogamente, las restantes expresiones que configuran un tercer grupo de relaciones ctg a sen b = eos b eos C + sen C ctg A ctg a sen c = eos c eos B + sen B ctg A ctg b sen c = eos c eos A + sen A ctg B nrrA ctg b sen a = eos a eos C + sen C ctg B ' ctg c sen a = eos a eos B + sen B ctg C ctg c sen b = eos b eos A + sen A ctg C que, según se observa, relacionan dos lados, el ángulo comprendido y uno opuesto. 2.9 Relación entre los tres ángulos y un lado Aplicando las fórmulas del grupo (I) al triángulo polar del dado, es decir, sustituyendo los lados por los suplementos de los ángulos y viceversa, resulta: eos A — —eos B eos C + sen B sen C eos a eos B = —eos A eos C + sen A sen C eos b (IV) eos C = —eos A eos B + sen A sen B eos c fórmulas que relacionan los tres ángulos y un lado. Con los cuatro grupos de fórmulas que hemos obtenido podemos abordar la resolución de triángulos esféricos en todos los casos, lo cual será objeto de estudio en el capítulo siguiente. Previamente, veamos en que se convierten estas fórmulas en dos casos particulares: los del triángulo rectángulo y del rectilátero. 22 Capítulo 2. Conceptos y fórmulas fundamentales 2.10 Fórmulas para los triángulos rectángu los: Regla de Neper Supongamos que el triángulo esférico ABC es rectángulo en A, es decir, A = 90° y, por lo tanto, sen A = 1, eos A = 0, ctg A — 0. Las fórmulas anteriormente obtenidas quedarían, entonces, así: | eos a — eos b • eos el (!’) sen b = sen a sen B sen c = sen a sen C tg b = tg a eos C tg c = tg a eos B tg b = sen c tg B tg c = sen b tg C eos a — ctg B ctg C ' eos B = eos b sen C (IV’) eos C — eos c sen B \____________________ i Estas diez fórmulas, válidas solamente para los triángulos rectángulos, se construyen fácilmente con la siguiente regla nemotécnica de Neper: Dispuestos en orden circular (como los vértices de un pentágono) los ele mentos 90o — b, 90o — c, B,a y C correspondientes al triángulo rectángulo ABC (que seguimos suponiendo con A = 90°) se verifica: 90-c 90-b 2.11. Fórmulas para ¡os triángulos rectiláteros 23 1. El coseno del elemento situado en cada vértice es igual al producto de las cotangentes de los adyacentes 2. El coseno de cada elemento es igual al producto de los senos de los situados en vértices opuestos Con esta regla tendremos, en cada caso, la relación que nos convenga, según sean los tres elementos que queramos relacionar: Ejemplos: • Si queremos relacionar entre sí a.B y b resultaría eos (90° — b) — sen a- sen B = sen b, que es la primera fórmula de (II’) • Si queremos relacionar b, c y B, sería eos (90° — c) — ctg (90° — b)- ctg B, es decir, sen c tg B = tg b, que es la tercera fórmula de (III’) 2.11 Fórmulas para los triángulos rectiláteros Supongamos ahora a — 90°. Entonces sen a = 1, eos a = 0 y ctg a = 0. Sustituyendo en los grupos de fórmulas (I), (II), (III) y (IV) o aplicando las fórmulas del epígrafe anterior al triángulo polar, resulta: eos A — —ctg b ctg c eos b = eos B sen c eos c = eos C sen b sen B = sen A sen b sen C = sen A sen c (II”) tg B = —tg A eos c tg C — —tg A eos b tg B = sen C tg b tg C = sen B tg c 24 Capítulo 2. Conceptos y fórmulas fundamentales eos A = —eos B eos C i (IV”) El pentágono de Neper para triángulos rectiláteros se conformará, por lo tanto, así: Capítulo 3 Resolución de triángulos esféricos 3.1 Casos de resolución de triángulos rectán gulos Los casos de resolución de triángulos rectángulos son seis, según resulta de hacer todas las combinaciones posibles con los demás lados y ángulos del triángulo, a parte del ángulo considerado recto, según se desprende de las fórmulas anteriores. Estos casos los consignamos, junto con el esquema de cálculo subsiguiente, aunque baste con emplear la regla de Neper, en el cuadro siguiente: 25 26 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos A = 90° Datos Cálculos 1° 2o 3° 4° 5° 6o a, b b. c a, B b,B b,C B,C eos c tg B sen b sen a tg a = eos a eos a n sen b tg b eos b sen a tg a tg 6 tg c= ------ ; tg C — ----- eos a — eos b ■ eos c sen c sen b B - sen B • sen a; tg c = tg a ■ eos B; tg C = —-— _ 1 7-» COS asen b tg b eos B— ------ Sen C — --- ; Sen Q — ----- sen B tg B eos b = ; tg c = sen b • tg C; eos B = eos b • sen C COS D _ L COS & _ COS sen ( ’ ser b En lo que concierne a los elementos determinados por sus senos se tendrá en cuenta la propiedad ya conocida de que ”a mayor lado se opone mayor ángulo y recíprocamente” o también la que se deduce de las relaciones sen c = tg 6/tg B sen b = tg c/tg C es decir, ”un cateto y su ángulo opuesto son simultáneamente agudos u obtusos”, lo que aplicado a los casos Io y 3° resuelve las respectivas am bigüedades en la determinación de B y b, sin por ello dejar de tener presentes las demás relaciones métricas entre lados y ángulos. El único caso ambiguo, es decir, en el que la solución no es única, es el 4° pues si existe un triángulo solución el adyacente a él por el lado b también lo es por tener los elementos b y B' — B iguales a los dados: 3.1. Casos de resolución de triángulos rectángulos 27 Ambas soluciones son equivalentes si el triángulo es birrectángulo. La existencia de soluciones exige para los elementos dados pos sus senos o cosenos que estos sean < 1. EJEMPLO Io: Resolver a = 51°13'46" c = 37°4'13" (Caso Io) un triángulo rectángulo (A = 90°) conociendo eos B = ctg a tg c eos (90° — c) = sen c = sen a sen C: sen C = sen c cosec a eos a = sen (90° — b) sen (90° — c) = eos beos c: eos b = eos a sec c log ctg a = 1,90481 log tg c = 1,87823 log eos B = 1,78304 log sen c = 1,78017 log cosec a = 0,10809 log sen C = 1,88826 [B = 52°38'32" j C = 50°38'12" 28 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos log eos a = 1, 79672 log sec c = 0,09805 log eos b = í, 89477 6 = 38° 17'48" EJEMPLO 2o: Idem anterior con datos B = 141°14' a ~ 14°39'16" (Caso 3°) sen b = sen a ■ sen B ctg C = eos a • tg B tg c = eos B ■ tg a log sen 14°39'16" = 1,40310 log sen 141° 14'0" = 1,79668 log sen 5—1,19978 b= 170° 53'8" ■ log eos 14°39'16" = 1,98564 log tg 141°14'0" = 1,90475 log ctg C = 1,89039 C = 127°50'44"~! log eos 141°14'0" = 1,89193 log tg 14°39'16" = 1,41747 log tg c = 1,30940 c = 168°28'33" EJEMPLO 3°: Idem anteriores con datos b = 2°4'14"B = 15° 19'3" (Caso 4°) 3.1. Casos de resolución de triángulos rectángulos 29 sen c — tg b • ctg B sen C — eos B ■ sec b sen a — sen b ■ cosec B log tg b = 2,55814 log ctg B = 0,56241 log sen c = 1,12055 log eos B = 1,98429 log sec 6 = 0,00028 log sen C = 1,98457 7°35'5" 172°24'55" 74°49' 105°ll' log sen 6 = 2,55786 log cosec B = 0,57812 log sen a = 1,13598 í 7° 51'39" ( 172°8'21" sin más que tener presente que a < b + c. 30 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos 3.2 Resolución de triángulos isósceles Para resolver un triángulo esférico isósceles ABC, se procede de modo análogo al de la Trigonometría plana, descomponiendo dicho triángulo en dos triángulos rectángulospor medio de la altura esférica o perpendículo AB sobre el lado desigual y aplicando entonces los métodos del apartado anterior. Si AB — AC, es decir, b = c, será B — C, BH = -a y BAH — -Á, por lo que bastará dar: 1er Caso: dos lados desiguales (a y b) 2° Caso: dos ángulos desiguales (A y B) 3er Caso: un lado de los iguales y el ángulo desigual (6 y A) 4o Caso: un lado de los iguales y el ángulo opuesto (c y C) 5o Caso: el lado desigual y el ángulo opuesto (a y A) 6o Caso: el lado desigual y el ángulo contiguo (a y B) Si el triángulo es equilátero a = b = c < 120°, será también equiángulo A = B = C > 60° y bastará con dar un lado < 120° o un ángulo > 60° para resolverlo aplicando lo anterior. 3.2. Resolución de triángulos isósceles 31 EJEMPLO 4°: Resolver un triángulo equilátero cuyos ángulos valen 135° Á = B = C = 135° ; - = 67°30' 2 Bastará considerar el triángulo rectángulo AHB del que se conocen — = 67°30/ y B = A = 135° con lo que para determinar a se tendrá: cosa — ctg B ■ ctg A/2 log ctg 135° = 0,00000 log ctg 67°30' = 1,61722 log eos a = 1,61722 ( A * A a = W * como y < 90° y B > 90% será ctg - > 0 y ctg B < 0 => eos a < 0 a > 90°; luego la solución es |q = 114°28'11" = b = c EJEMPLO 5o: Resolver un triángulo esférico equilátero cuyo lado es igual a 67° 32'8". 32 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos Consideremos el triángulo rectángulo AHB^ siendo AH la altura esférica sobre BC. Se tiene: c = 67°32'8" c/2 = 33°46'4" eos B = ctg C- tg c 2 log ctg 67°32'8" = 1,61646 log tg 33°46'4" = 1,82519 log eos B — 1,44165 4 = B = C = 73°57T7 3.3. Casos de resolución de triángulos oblicuángulos 33 3.3 Casos de resolución de triángulos obli cuángulos: Resolución de un triángulo dados los tres lados Los casos de resolución de triángulos oblicuángulos, según se desprende de las fórmulas obtenidas en el capítulo 2, son seis: DATOS Io Dados los tres lados a,b,c 2o Dados dos lados y el ángulo comprendido a,b,C 3o Dados dos lados y un ángulo opuesto a,b,A 4o Dados los tres ángulos A,B,C 5o Dados dos ángulos y el lado común A,B,c 6o Dados dos ángulos y el lado opuesto a uno de ellos A,B,a Resolviendo el triángulo polar, los casos 4o, 5o y 6° se reducen a los 1°, 2o y 3°, respectivamente, de modo que detallaremos solamente éstos. Veamos la resolución del triángulo en el caso 1° en el cual son conocidos los tres lados a, b y c: en este caso el grupo I de fórmulas de Bessel (pag. 19) permite calcular los cosenos de los ángulos; por ejemplo: eos a — eos b eos c eos A = ----- —-— sen b sen c la cual se transforma del modo siguiente: sen b sen c + eos b eos c — eos a 1 — eos A = --------------------- ------------------ ^en b sen c 2 sen —(b — c + a) sen -(a — b + c) =--------2------------ ---------2- ---------- = 2 sen 2 sen b sen c = 2cos2^ (2) sen b sen c eos (b — c) — eos a sen b sen c (1) Análogamente, 1 + eos A = - sen b sen c — eos b eos c + eos a sen b sen 2 sen -(a + b + c) sen 2 sen b sen c eos a — eos (b + c) 34 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos Teniendo en cuenta que a + b + c = 2p, b + c — a — 2(p — a), a — b + c = 2(p — b),a + b — c = 2(p — c), (1) y (2) se transforman respectivamente en: sen 2 _ sen (.P — sen ÍP ~ c) 2 sen P sen (P — a) 2 sen b sen c 2 sen b sen c de donde que 2 A sen (p — 6) sen (p — c) " 2 sen p sen (p — a) y, análogamente 2 B sen (p — a) sen (p — c) 2 sen p sen (p — b) 2 C sen (p — a) sen (p — b) ' 2 sen p sen (p — c) fórmulas análogas a las de Briggs en el plano que no sólo permiten calcu lar logarítmicamente los ángulos buscados sino que optimizan el proceso numérico conducente a la obtención de los mismos, razones por las cuales se procederá análogamente en la resolución de los casos que seguirán. EJEMPLO: Resolver el triángulo esférico cuyos lados son a = 85°3'42", b = 60°42'50" y c = 35°10'8" SOLUCIÓN: p = 90°28'20" p - a = 5°24'38" p - b = 29°45'30" p-c = 55°18T2" log sen (p — b) = 1,69578 log sen (p - c) = 1,91497 colog sen p = 0, 00001 colog sen (p — a) = 1,02553 log tg 2- = 0,63629 ^'A = 128°39A7" | 3.4. Fórmulas de Gauss-Delambre y de Neper 35 log sen (p — a) — 2,97447 log sen (p — c) = 1,91497 colog sen p — 0,00001 colog sen (p — b) = 0,30422 log tg 2^- = 1,19367 log sen (p — a) = 2,97447 log sen (p — b] = 1,69578 colog sen p = 0,00001 colog sen (p — c) = 0,08503 log tg 2 y = 2,75529 B = 43° 7'45" =>|C = 26°50T7"¡ La indeterminación o ambigüedad en la elección de los valores agudos u obtusos se resuelven teniendo en cuenta que ha de ser A > B > C y que A + B + C > 180°. Si se manejan valores tabulados de funciones "argumento cuadrado un medio” (Caso de las TABLAS NÁUTICAS de F. Graiño, Tabla II, pags. impares) no se plantea duda alguna. Abordemos ahora el estudio del Caso 2° de resolución de triángulos esfé ricos. 3.4 Resolución de un triángulo dados dos la dos y el ángulo comprendido: fórmulas de Gauss-Delambre y de Neper Supongamos conocidos a, b y C. El primer grupo de fórmulas de Bessel nos da el tercer lado c mediante la expresión. eos c = eos a eos b + sen a sen b eos C igualdad cuyo segundo miembro puede transformarse en un monomio mediante diversos cambios de variable que ilustraremos posteriormente con ejemplos. Obtenido c se pueden determinar A y B por medio del teorema de los senos (pag. 20) o reduciéndolo al caso 1°. Ello, entre otros inconvenientes, produce un aumento en el error de acumulación debido a la propagación de los errores iniciales a lo largo del proceso de cálculo. Se evitan tales incon venientes optimizando el proceso de determinación de los valores buscados mediante las fórmulas que vamos a obtener a continuación: 36 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos En la identidad A + B A B A B eos —-— = eos — eos sen — sen — 2 2 2----------- 2 2 sustituyamos los términos del segundo miembro por las correspondientes expresiones obtenidas en el epígrafe anterior. Resulta: A + B 2 eos . sen p sen (p — a) sen p sen (p — b) V sen b sen c i sen a sen c ‘ sen (p — b) sen (p — c) / sen (p — a) sen (p — c) 'i sen b sen c \ sen a sen c sen p sen (p — c) ! sen. (p — a) sen (p — 6) sen c sen c \ sen a sen b c a + b sen p — sen (p — c) C sen o cos ñ C sen — = ---------------~ sen — = sen c 2 sen _ cos _ 2 2 2 2 2 a + b cos ------ 2---- -—£— sen —c 2cos — 4 2 A + B 2 Esta expresión y sus análogas obtenidas a partir de sen cos A — B A — B —-— y sen—-— 2 2 , suelen escribirse en forma de proporción, a saber: A+B a + b cos_____ cos____ 2------- 2 C ~ c sen — cos o2__________ 2 A+B a — b sen——— cos------- cos — cos 9 2 2 A—B a + b cos —-— sen -------2 _ ______ 2_ C ~ csen — sen o 2 2 A-B a-b sen -------- sen ------ 2 2 C ~ ccos — sen ñ 3.4. Fórmulas de Gauss-Delambre y de Neper 37 conocidas con el nombre de analogías o fórmulas de Gauss-Delambre por haberlas hallado ambos independientemente. Dividiendo miembro a miembro las fórmulas de Gauss-Delambre se ob tienen las denominadas fórmulas de Neper (descubiertas mucho antes) y que resultan las fórmulas de utilización más práctica por su precisión y simetría, a saber: a — b A + B cos C cos 2 A-B a + b cos o c t9^~ = ~A^Bt92 cos-------- 2 a — b A—B *en 9 C 2 = a + bct92 sen 2 U 171 cq cq | CU + <7-1 g g «i <u II 1 O I <s De este modo, para resolver un triángulo esférico dados a, b y C, podemos r i c r j m u j t A+B A—Baplicar las formulas de Neper y con ellas determinar —-— y —-— con lo que se obtendrían A y B; el "teorema de los senos" o, mejor, una fórmula de Gauss-Delambre dará a continuación el tercer lado c. EJEMPLO 1: Resolver un triángulo esférico del que se conocen a = 98°32'8", b = 22°5'12" y C = 74°36'24". SOLUCION: Considerando las dos primeras fórmulas de Neper se tendrá que - = 38°13'28"; = 6(ri8'40"; - = 37°18'12' 2 ’ 2 ’ 2 38 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos log eos —-— = 1,89519 A logctg — = o, 11811 log sec ——■ = 0,30514 “ T+7? logtg 1, =0,31844 4 । d —— = 64°20'33" A = 107°24'54" para cuya determinación se ha tenido dos por resultar sus tangentes pe de las fórmulas de Gauss, resulta: log sen ——— = 1,79152 A log ctg — = 0,11811 log cosec = 0,06111 logtg -^ = T, 97074 4 _ R -------- = 43°4'21" 2 B = 21°16'12" A+B A — Bi cuenta que —y —-— son agu- s. Finalmente, utilizando la primera log sen — = 1,78249 log eos —= 1,69486 4 X R log sec —-— = 0,36352 log eos - = 1,84087 c , ,- sera agudo.Como resulta eos — > 0, 2 ’ Con todo ello se obtiene: 46°6'51"; c = 92°13'42", lo que concluye el problema. c 2 Sin embargo, cuando sólo se requiera la determinación de c y no sea necesario calcularlo con la máxima precisión puede procederse como sigue: Puesto que eos c = eos a eos b + sen a sen b eos C = eos a(cos b + + tg a sen heos C), hagamos ctg = tg a eos C (1) con lo que se tendrá eos c / 7 , , , , , . eos w sen b,= eos a(cos o + sen b ctg <p) = eos a(cos b 4----------------) = sen tp . sen p eos b + eos wsen b, eos a sen (b + o) = eos a( ------------------------------ ) = ------------ ------— (2) sen:/? sen p 3.5. Otros casos de resolución 39 De este modo, determinando el ángulo auxiliar mediante (1) se puede después calcular c mediante (2): logtg 98°32'8" = 0,82367 log eos 74°36'24" = T, 42398 log ctg p — 0,24765 p = 151°4'42" b = 22O5'12" b + p = 173°9'54" log eos 98°32'8" = 1,17150 log sen 173°9'54" =1,07558 logeosee 151°4'12" = 0,31539 log eos c = 2,56247 Como eos c < 0 c > 90°, con lo que resulta c = 92°5'34" 3.5 Resolución de un triángulo dados dos la dos y el ángulo opuesto a uno de ellos Supongamos que los lados sean a, b y A: el teorema de los senos proporciona el ángulo B sen b sen A sen B = ------------- sen a y los grupos de fórmulas III o IV, (pág. 21), permiten calcular los demás elementos del triángulo. Pero resulta más práctico para ello el utilizar las fórmulas de Neper que permiten obtener C y c con las primeras o las segun das, respectivamente. Para que la solución exista y puesto que ha de ser sen B < 1, en virtud de la igualdad (*) se ha de tener necesariamente que sen b sen A < sen a es decir, como se observa en la figura adjunta, que hc < a. 40 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos Si es hc < a pueden existir dos soluciones. La decisión sobre su validez puede tomarse considerando la construcción del triángulo o la relación con sistente en que ”en todo triángulo esférico a mayor lado se opone mayor ángulo y recíprocamente”, lo que concluye la discusión. EJEMPLO 1: Resolver un triángulo esférico del que se conocen a = 76°42'12",b = 74°14'35" y Á = 82°41'40" SOLUCIÓN: sen B = sen b ■ sen A sen a C tg^(A-B)-sen7-(a+b) c tg-(a - b)sen-(A + B) ctg — = —— i - : tg - = —¿,------ sen -(a — b) sen -(A — B) log sen 82°41'40" = 1,96646 log sen 74°14'35" = 1,98337 log cosec 76°42'12" = 0,01180 => B = 78°47'8", log sen B = 1,99163 teniendo en cuenta que a mayor lado se opone mayor ángulo: b < a => B < A. A — B 2 = Io 57'16" A + B 2 = 80°44'24" 3.5. Otros casos de resolución 41 - = 1°13'48",5 = 75°28'23",5 log tg 1°57'16" = 2,53308 log sen 75°28'23",5 = 1,98589 log cosec 1°13'48", 5 = 1,66820 log ctg -C = 0,18717 log tg 1°13'48",5 = 2,33190 log sen 80°44'24" = 1,99430 log cosec 1°57'16" = 1,46717 log tg -= 1,79337 => C = 66°02'13" => c = 63°42'48" EJEMPLO 2: Resolver un triángulo esférico del que se conocen a = 42°42'12", b = 65°36' y Á = 37°45' SOLUCIÓN: sen b ■ sen A sen B = sen a log sen 65°36' = 1,95937 log sen 37°45' = 1,78691 log cosec 42°42'12" = 0,16864 log sen B = 1,91491 Bj = 55° 17'37" B2 = 124°42'24" siendo ambos valores admisibles pues son mayores que A (tengamos pre sente que b > a); existirán por lo tanto dos triángulos solución. Obtengamos, en primer lugar, el correspondiente a Bi: = 46°31'18",5 — = 8°46'18",5 — = 54°9'6' 2 — = 11°26'54" Bi A A , C1 tg 2 = eos —-— —B^-A eos 2 b A ct ctgy- eos b + a BrAA b — a 2 2 42 Capítulo 3. Resolución de triángulos esféricos log tg 54’9'6" = 0,14116 log eos 46’31'18", 5 = 1,83764 log sec 8’46'18", 5 = 0,00511 log tg = 1,98391 cí = 87’52'38" Análogamente, el correspondiente = 81° 13'42" log tg 46’31'18", 5 = 0,02308 log eos 54’9'6" = 1,76763 log sec 11’26'54" = 0,00873 log ctg -Ci — 1,79944 ci = 115’33'59" B2: D _ A ----- ■ = 43’28'42" log tg 54’9'6" = 0,14116 log eos 81’13'42" = 1,18327 log sec 43’28'42" = 0,13929 log tg -c2 = 1,46371 c2 = 32’26'12" ----- = 11’26'54" log tg 81’13'42" = 0,81163 log eos 54’9'6" = 1,76763 log sec 11’26'54" = 0,00873 log ctg -C2 = 0,58799 C2 = 28’57'32" Ejercicios 43 EJERCICIOS 44 Ejercicios A fin de facilitar la comprensión de los ejercicios que siguen, introducimos previamente algunas nociones geográficas y náuticas de utilidad. Coordenadas geográficas Para situar un punto P sobre la superficie esférica terrestre se utiliza un sistema de referencia formado por dos circunferencias máximas perpen diculares: el Ecuador y el Meridiano origen o Meridiano Cero, círculo máximo que pasa por los polos Norte y Sur Geográficos (polos geométricos del círculo máximo Ecuador puesto que se trata de los extremos del diámetro perpendicular al mismo) y por un punto predeterminado (habitualmente Gre- enwich). El Meridiano 0 divide a la esfera terrestre en dos mitades o hemisferios denominados oriental u occidental según se encuentren situados al Este (E) o al Oeste (W), respectivamente, de dicho meridiano. Análogamente, el Ecuador divide a la superficie esférica terrestre en dos hemisferios denomi nados septentrional, boreal o norte, el que contiene al polo del mismo nombre (N), y meridional, austral o sur el que contiene al otro polo (S). La posición del punto P considerado se determinará trazando la circun ferencia máxima que pasa por P y los polos N y S; la semicircunferencia que contiene a N, S y P se denomina meridiano de P y la semicircunfe rencia restante, antimeridiano de P, quedando definidas las dos magnitudes siguientes: Ejercicios 45 LONGITUD La longitud es la medida del arco de Ecuador OQ comprendido entre el meridiano 0 y el de P; su valor oscila entre 0o y 180° al Este o al Oeste según que el meridiano de P se encuentre en el hemisferio oriental o en el occidental. Por definición de ángulo esférico (véase el parágrafo 2.1) la longitud co incide con el ángulo que forman los meridianos 0 y de P al cortarse en los polos. La longitud se representa por L. Así en la fig. 1, el punto P tiene una longitud de 30° Este lo cual se indicaría L = 30°E En la fig. 2, P tiene una longitud de 120° Oeste, lo que se indicaría L = 120°W 46 Ejercidos Evidentemente todos los puntos situados en el mismo meridiano tienen la misma longitud y la variación de longitud de un punto a otro puede de terminarse mediante el ángulo entre meridianos. Así en la fig. 3 se tiene: S Ejercicios 47 AN B — OQi + OQ2 — La + Lb BNC =Q2Q3 = OQ3-OQ2 = — Le — Lb La Latitud es la medida del arco QP de meridiano del punto considerado, comprendido entre dicho punto y el Ecuador; su valor oscila entre 0o y 90° al Norte o al Sur, según que P se encuentre en el hemisferio septentrional o en el meridional, respectivamente, y se representa por o A. Así, en la fig. 4, el punto P tiene una latitud de 45° Norte, lo que se indicaría y = 45° N Todos los puntos situados en un misma latitud se encontrarán sobre un plano paralelo al Ecuador cuya sección con la superficie esférica es una cir cunferencia menor denominada paralelo. Los arcos de paralelo, como no son de circunferencia máxima, no determinan triángulos esféricos por lo que, por sí mismos, no son útiles a efectos estrictamente trigonométricos. 48 Ejercicios El arco NP de meridiano comprendido entre el punto considerado y el polo de su hemisferio se denomina colatitud y su valor, evidentemente, es el complementario de la latitud: NP = 90° - p Ambas magnitudes, longitud y latitud, reciben el nombre de coordena dasgeográficas del punto P y, cuando están determinadas, se dice que la situación o posición de P es conocida. Distancia geográfica La distancia geográfica entre dos puntos de la superficie de la esfera te rrestre no es sino la distancia esférica entre los mismos (véase parágrafo 2.1). Además de en grados sexagesimales, minutos y segundos, se acostumbra a expresarla en millas náuticas. La milla náutica es la longitud de un arco de circunferencia máxima de la esfera terrestre cuya medida es l’(un minuto) de grado sexagesimal. El nudo es un unidad de velocidad: la milla por hora. La trayectoria seguida por un buque en navegación se denomina derrota. Cuando la derrota seguida es una arco de circunferencia máxima, se denomina derrota ortodrómica. Rumbo Es el ángulo formado por la derrota orientada, en un punto determinado de la misma, con el meridiano de ese punto. Se mide tomando el origen de ángulos sobre el arco de meridiano que une el punto citado con el polo Norte y en sentido dextrorsum, por lo que su valor oscilará entre 0o y 360°. Ejercicios 49 Ejemplos: * En la fig. 5, un buque que se dirige de A hacia B lleva en A el rumbo 30°. • En la fig. 6, un buque que se dirige de A a C lleva A el rumbo 280°; el buque que zarpa de P lo hace al rumbo 315°; el buque que desde Q llega a B lo hace con rumbo 120°; un buque que desde B se dirigiera hacia Q, saldría de B con rumbo 120° + 180° = 300°. * * * ADVERTENCIA: En los enunciados que siguen, mientras no se indique lo contrario, se entenderá que todas la derrotas, distancias recorridas, etc., tienen lugar sobre circunferencias máximas. 50 Ejercidos Resolver un triángulo rectángulo esférico del que se conocen: A = 90°, b = 63°14'21", 4 y c = 39°23'12". Solución: Utilizando el método descrito en 2.10 (pentágono de Neper) se tendrá que: eos a = eos b ■ eos c y por lo tanto: log eos 63° 14'21", 4 = 1,65347 log eos 39°23' 12" = T, 88811_ log cosa =1,54158 Como b y c < 90°, serán eosb y cose > 0 => cosa > 0 => a < 90° : a = 69° 38^ sen b=ctg C • tg c => ctg C=sen b • ctg c: log sen 63°14'21",4 = 1,95080 _ log ctg 39°23'12" = 0,08565 log ctg C = 0,03645 y, como anteriormente, C < 90° } =» C = 42°35'55" . sen c = ctg B - tg b => ctg B=sen c ■ ctg b Ejercicios 51 log sen 39°23'12" = 1,80247 log ctg 63° 14'21", 4 = 1,70267 log ctg B = 1,50514 y, nuevamente como en casos anteriores, B < 90° => B = 72° 15'21"| a E Resolver un triángulo esférico equilátero cuyo lado es igual a 67°32'8",6. Solución: A Considerando el perpendículo o altura esférica sobre uno de los lados, resulta un triángulo rectángulo BBC, por lo que se tendrá: cos B=ctg c ■ tg | c = 67°32'8", 6; = 33°46'4", 3 log ctg 67°32'8", 6 =1,61646 Jog tg33°46'4",3 = 1,82519 log cos B = 1,44165 A = B = C = 73°57'1" 52 Ejercidos Resolver un triángulo esférico equiángulo cuyos ángulos valen 73°57'2" Solución: A a Aeos a= ctg A • tg — 2 A = 73°57'2" y = 36°58'31" log ctg 73°57'2" = 1,45890 log ctg 36°58'31" = 0,12328 íogeos a = 1,58218 | a = b = c = 67°32'1Ó" Ejercidos 53 4 Resolver un triángulo rectilátero del que se conocen: c = 102° y A = 36°25/8//, sabiendo que a es el lado recto. Solución: 180-A C-90 B-90 Teniendo presente 2.11, resulta: eos (180° — A) = ctg (180° — b) ctg (180° — c) -eos A = ctg b ■ ctg c ctg b = -eos A • tg c Como A < 90° => eos A > 0 c < 90° => tg c < 0 | => ctg b > 0 b < 90°. Análogamente: eos (C — 90°) = sen (180° — A) sen (180° — c) — sen A ■ sen c > 0 Como C es de la misma naturaleza que c (el triángulo polar del dado es rectángulo) C será obtuso por lo que C — 90° > 0 y eos (C — 90°) > 0 => C - 90° < 90°. Como b < 90°, sera B < 90° y por lo tanto de eos (180° —c) = ctg (180° — A) • ctg (B — 90°) => ctg (B — 90°) = -eos c • (-tg A) = eos c • tg A = -ctg (90° — Bj = -tg B => tg B — -eos c- tg A > 0 => B < 90°, como sabíamos. Por lo tanto: 54 Ejercicios log eos 36°25'8" = 1,90564 ____ logtg 102° = 0,67253 log ctg b = 0,57817 log sen 36°25'8" = 1,77355 log sen 102° = T, 99040 log eos c — 90° = 1, 76395 b = 14°47'46"~[ C - 90° = 54°30' [C = 144°30~ log tg 36°25'8" = 1,86792 log eos 102° = 1,31788 logtg B = 1,18580 ' B = 8°43'14" Resolver un triángulo rectángulo esférico conociendo a + c = 132°1'16" y b = 70°0'59" y siendo a la hipotenusa. Solución: a + cl í p= ^a + b+c) = 101°l'7",5 b J | p — 6 = 31°0'8",5 que se relacionan mediante la expresión obtenida a partir de las encon tradas en 3.3. A C sen (p — 5) tg y • tg y = ‘ —---- —sen p A = 90° => tg y = 1; luego: log sen 31°0'8", 5 = 1,71187 | log cosec 101°l'7",5 = 0,00808 log tg y = 1,71995 I => £ = 27°41'17" । C = 55° 22'34" Ejercicios 55 sen b — ctg C • tg c: tg c — sen b ■ tg C eos B = sen C • eos b log sen 70°0'59" = 1,97303 log sen 55°22'34" = 1,91535 log tg 55°22'34" = 0,16085 log eos 70°0'59" = 1,53370 logtg c = 0,13388 log eos B = 1,44905 c = 53°41'40" | ; B = 73°40'~ a = 78° 19'36" Resolver un triángulo esférico conociendo A — 120°13'15", B = 112°43'17" y a = 125°23'42". Determinar el lado c por un método directo semejante al del Ejemplo 1 de 3.4 y comparar los resultados. Solución: log sen 112°43'17" = 1,96492 sen B • sen a log sen 125°23'42" = T, 91126 Sen b “ ~ sen A ’ logeosee 120°13'15" = 0,06344 log sen 6= 1,93962 = 60°28'52 ¡ y 62 = ÍW^VS" | pues ambos valores cumplen que 6 < a ya que B < A. Habrá, pues, dos soluciones: 56 Ejercicios 5 = te 2^. cte £ - fa A-Bsen ¿^- 2 ’ clg 2 sen a=± tg 2 2 2 = 116’28'16" = 3’44'59" = 32’27'25" = 97’56'17" log tg 32’27'25" = 1,80347 log sen 116’28'16" = 1,95190 log cosec 3’44'59" = 1,18443 log tg ^- = 0,93980 [ C1 = 166°53'40^~ log tg 3’44'59" = 2,81650 log sen 97’56'17" = 1,99582 log cosec 32’27'25" = 0,27030 log tg ^ = 1,08262 = 2’56'17" = 122’27'25" log tg 2’56'17" = 2,71031 log sen 116’28'16" = 1,95190 log cosec 3’44'59" = 1,18443 log tg = 1,84664 I c2 = 70°10'32"~ log tg 3’44'59" = 2,81650 log sen 122’27'25" = 1,92624 log cosec 2’56'17" = 1,29025 log ctg = 0,03299 Ci = 166° 12'24" C2 = 85’39'8" Si ahora se considera en el grupo de.fórmulas (III), obtenido en 2.8, de ctg a ■ sen c = eos c ■ eos B + senB • ctg A se obtiene que: sen c = eos B tga(cos c + tg B • ctg A) y efectuando el cambio tg p = eos B • tg a resulta sen c = ^7(cos c + tg B • ctg A) sen c • cos p = cos c ■ sen ¡p + tg B • ctg A • sen p sen (C — p) = tg B • ctg A ■ sen p que va a permitir calcular el lado c sin resolver el triángulo: log cos 112’43'17" = 1,58687 logtg 125°23'42" = 0,14842 log tg p = 1,73529 p = 28’31'44" Ejercicios 57 logtg 112*43'17" = 0,37805 log ctg 120o13'15" = 1,76529 log sen 28*31'44" = T, 67907 log sen (c — — 1, 82241 => c — <p = lo que finalmente, nos da: d = 166*53'40" y c2 = 70° 9'48" 0 Resolver un triángulo esférico del que se conocen sus tres lados: a = 41*17'20", b = 48*23'30" y c = 51*33'11". Solución: p = 70*37'0", 5 p — a = 29° 19'40", 5 p- b = 22° 13'30", 5 p-c = 19*3'49", 5 Utilizaremos las fórmulas obtenidas en 3.3. que determinan un ángulo en función de los lados: „A sen (p — bi sen (p — c) . tg2-= y similares.2 sen p sen [p — a) Se tiene: log sen 22*13'30", 5 = 1,57778 log sen 19*3'49", 5 = 1,51405 colog sen 29°19'40", 5 = 0,30997 colog sen 70*37'0", 5 = 0,02534 log tgJ = T, 42714 => A = 54*41'12" | colog sen 22° 13'30", 5 = 0,42222 log sen 19° 3'49", 5 = 1,51405 log sen 29*19'40", 5 = 1,69003 colog sen 70*37'0", 5 = 0,02534 log tg2 = T, 65164 =>lB = 667*36'47" 58 Ejercicios log sen 22°13'30",5 = 1,57778 colog sen 19°3'49",5 = 0,48595 log sen 29°19'40", 5 = 1,69003 colog sen 70°37'0",5 = 0,02534 logtg2j = T, 77910 2 sen E sen (c-E) ^C = 75°357! Resolver un triángulo esférico del que se conocen sus tres ángulos: A = 54°41'10", B = 67°36'45" y C = 75°34'59". Solución: Pasando al triángulo polar, el problema se reduce al ejercicio anterior. Sin embargo, es posible obtener fórmulas que determinen directamente los lados del triángulo esféricoen función de sus ángulos. En efecto, del triángulo polar se conocerían: a' = 180° - A b' = 180° - B d = 180° - C Con lo que de 2p' = 360° - [A + B + C - 180°] = 360° - 2E p' = 180° - E-p' - a' = 180° - E - (180 - A) = = A — E,p' — br = B — E y P' - d = C - E t 2 A' sen (p' — b') sen (p' — c') sen p' sen ip' — a') como tg — tg (90 — -) = 5’ resu^a Analmente , la _ sen ic-e sen b-e\ ctS 2 sen e sen (A-E) y, análogamente: .26 _ sgn a-E' sen c-e¿ 2 sen E sen (B-E) ■ 2c _ sen <a-£ i sen iB-gi En consecuencia: E = ¿(A + B + C — 180°) = 8°56'27" A - E = 45°44'43" B - E = 58°40'18" C - E - 66°38'32" log sen 66°38'32" = 1,96287 log sen 58°40'18" = 1,93156 colog sen 45°44'43" = 0,14494 colog sen8°56'27^= 0,80851 logctg'l = 0,84788 Ejercicios 59 a = 41°17'18" log sen 66°38'32" = 1,96287 colog sen 58°40'18" = 0,06844 log sen 45°44'43" = 1,85506 colog sen 8°56'27" = 0,80851 log ctg2^ = 0,69488 6 = 48°23'28" j colog sen 66°38'32" = 0,03713 log sen 58°40'18" = 1,93156 log sen 45°44'43" = T, 85506 colog sen 8°56'27" = 0,80851 logctg2| = 0,63226 | c = 51°33'11" 9 Resolver un triángulo esférico del que se conocen a + c — 210°48'2", A + C = 196°59'35" y b = 81°38'. Solución: La primera de la fórmulas de Gauss-Delambre obtenidas en 3.4 relaciona los datos, con lo cual: cos^^ cos^^ sen y cos| = 98°29'47",5 = 105’24'1" | = 40’49' y podemos determinar B. log cos98°29'47", 5 = 1,16952 log cos40°49' = 1,87898 log secl05’24'l" = 0,57583 log sen £ = T, 62433” f = 24° 54'2" 60 Ejercicios .pues si se tomase ® obtuso, B no sería convexo (y todos los lados y ángulos de un triángulo esférico deben ser convexos, esto es, menores que 180° según se vió en 2.2.). B = 49°48'4^ En estas condiciones, dos fórmulas de Neper permitirán determinar a — c y .4 + C y, con ellos, concluir el problema. tg cos^ B Loo 2 A + C 2 logtg98°29'47", 5 = 0,82568 log cosl05°24'l" = 1,42417 log tg24°54'2" = T, 66670 logcos2^ = 1,91655 obtuso => tg^i < o obtuso => cosáis < 0 f agudo =?• tgf > 0 por lo que cos2^ > 0 => agudo; de donde que = 34°24'30" = 105°24'l" \a= 139°48'31" ] y [c= 70°59'31" Análogamente tg A-C 2 sen2^ sen^y2 B ctg2 log sen34°24'30" = T, 75212 log ctg24°54'2" = 0,33330 log cosed 05°24T' = 0,01588 logtg-^- = 0,10130 Como resulta, razonando como en el caso anterior que tg^^ > 0, será 4^ agudo; así: = 51°37'21" 1 = 98°29'47",5 J => ¡ A = 150°7'9" | y C=46°52'27" Ejercicios 61 10 Determinar el lado a y el ángulo A de un triángulo esférico del que se conocen el perímetro 2p = 232°3'23" y los ángulos B = 95°1'23" y C = 37020'49" Solución: Los tres datos se relacionan entre sí multiplicando miembro a miembro las dos últimas relaciones obtenidas en 3.3, con lo que: B C sen (p — a) tg T ’ tg - = ---- '2 2 sen p p - = 47°30'41",5; — = 18°44'54", 5; p = 116°1'41", 5 2 ’ ’ 2 ’ ’ y logtg 47°30'41",5 = 0,03812 logtg 18°44'54",5 = 1,53074 log sen 116°1'41",5 = 1,95356 log sen (p — a) = 1,52242 => p — a = 19°27' (si se tomase su suplementario superaría a p) => [ a =p-(p-a)= 96°34'42" Una de las fórmulas de Gauss-Delambre, permite concluir: cos^±£ sen 4 cosáis eos í = 66°15'36": = 67°44'20",5 | = 48°17'21 log eos 66° 15'36" = 1,60486 log eos 48°17'21" = 1,82306 logsec 67°44'20",5 = 0,42156 log sen — 1,84948 | = 44°59'55" ¡ A = 89°59'50" 11 Resolver un triángulo esférico del que se conocen a + c = 20°48'21", A + C = 42° 16'17" y b — 75° 62 Ejercicios Solución: Como b — 75° > a + c = 20°48'21" no existe tal triángulo esférico, pues, según quedó establecido en 2.3, ”cada lado de un triángulo esférico es menor que la suma de los otros dos” 12 Demostrar que en todo triángulo esférico equilátero se verifica la igualdad siguiente: A a ¿sen — = sec - 2 2 Demostración: Sea ABC el triángulo esférico equilátero considerado. Trazando la altura esférica AM sobre un lado cualquiera, en el ¿\AMC, rectángulo en M. se tiene: eos (90 — %) — sen | = sen a ■ sen ~ = = 2sen | • eos | • sen y =$ => 1 = 2cos | • sen y => 2sen y = sec | Ejercicios 63 13 Si ABC es un triángulo esférico en el que el punto medio del lado AB equidista de los tres vértices demostrar que se verifica la relación siguiente: Sea M el punto medio de AB: puesto que MA = MB = MC = los triángulos esféricos MAC y MBC son isósceles; si trazamos sus alturas esféricas MP y MQ, respectivamente, en los triángulos rectángulos que se indican se tiene: 64 Ejercicios ¿\MPC &MQC Elevando miembro: ' P = 90° ■ MC = ~^=4 ' 0 = 90° - MC = j ai cuadrado => eos (90 — |) = sen | = sen Mi -sen | (1) => eos (90 — = sen | = sen Afj-sen | (2) las igualdades (1) y (2) y sumando miembro a sen2^ + sen2^ = sen2^(sen2Mi + sen2dl2) Como 2Mi + 2M? — 180° => Mi + M? = 90° => sen Mi - eos M? => sen2Afj + sen2AÍ2 = 1, de donde el resultado buscado. UU Demostrar que si un triángulo esférico tiene dos lados suplementarios, los ángulos respectivamente opuestos a ellos son también suplementarios y recíprocamente. Demostración: Sea A = 180° — B; como sen A — sen B se tendrá que sen A sen a 1 — ----- — — ----- - sen a = sen b a = 180 — o, sen B sen b ya que ”a” no puede ser igual a ”b”, pues en tal caso el triángulo sería isósceles y entonces A = B contra lo supuesto. Análogamente se establece el resultado recíproco, o bien, considerando la propiedad anterior en el triángulo polar. [ID Tres puertos ocupan los vértices de un triángulo birrectángulo cuyo ángulo desigual es de 52<>53'54". ¿Qué distancia, en millas náuticas, debe recorrer un buque que una consecutivamente, navegando por círculo máximo, los tres puertos? Ejercicios 65 Solución: Puesto que ABC es birrectángulo, es birrectilátero y al ser A un polo de BC es a = BC = Á — 52°53'54" y por lo tanto: 54 d = 2 ■ 90° + 52°53 54" = 232 • 60 + 53 + — = 13.973,9 millas náuticas 16 Un buque, que zarpa de un determinado puerto, navega por la ruta más corta hacia el Ecuador. En un cierto momento, pone rumbo al Este, siempre navegando sobre círculo máximo, hasta cortar al Ecuador. Demostrar que, cualquiera que sea la posición en que se produzca el cambio de rumbo, siempre navegando por círculo máximo, se alcanza el Ecuador en el mismo punto. 66 Ejercicios Demostración: El triángulo PBQ será siempre birrectángulo y, por tanto, birrectilátero cualquiera que sea el punto P de cambio de rumbo. Luego Q será un polo del meridiano del punto de partida A, en el que concurren todas las circunferen cias máximas perpendiculares a dicho meridiano por cualquier punto P del mismo, lo que demuestra su unicidad. (Obviamente si el cambio de rumbo en P fuese hacia el W se cortaría al Ecuador en el polo diametralmente opuesto a Q). 17 Un buque parte de un puerto A cuyas coordenadas geográficas son L = 5°54'12"W, 9? = 37°24'30"./V y se dirige navegando por arco de círculo máximo a otro puerto B que equidista de A y de los polos geográficos. A causa de una . 2 .emergencia se ve obligado a fondear en una ensenada situada a los — de su recorrido hacia el Este de A. Determinar la situación del punto de fondeo. Ejercicios 67 Solución: S Puesto que el puerto B equidista de A, N y S serán AB = BN = BS = 90° y B estará sobre el Ecuador. Al ser el ¿\ABN birrectilátero será birrectángulo con lo que A — 90° y el 2 . CACN es rectángulo, cuyos catetos son AC = -90° = 60° y AN = 90 — 3 Por tanto LANC sen = sen • sen 30° eos = ctg A’ • ctg 30° log sen 37° 24'30" = 1,78354 log sen 30° = 1,69897 log sen ^pc = 1,48251 Pe = 17°4O'58"1V 68 Ejercicios log cos 37°24'30" = 1,90000 _ logtg 30° = T, 76144 log ctg Ñ = 1,66144 Ñ = ANC = 65°21'49" > LA = N - La = 65°21'49" - 5°54'12" = 59°27'37"E 18 A las 9h del día 11 de un cierto mes despega un dirigible de un punto cuya posición es L — 34°22'E y <p = 36°24'36"A¡r. Siguiendo su ruta sobre un arco de círculo máximo a una velocidad de 200 Km/h, cruzó el Ecuador a las Ijh. del día 12 y aterrizó a la Ih. del día lj. Determinar la situación geográfica del lugarde aterrizaje sabiendo que el vuelo se efectuó hacia el Oeste. Solución: Sea A el punto de partida, Q el paso por el Ecuador y B el punto de Ejercicios 69 aterrizaje. Se tiene: AQ = 200(24-9 + 14) = 5800 Km = = 3131,75m.n. = 52°11'45" 1,852 AB = 200(24 - 9 + 24 + 24 + 1) = 12800 Km = 6911,45 m.n. = 115°11'27" Puesto que se trata de determinar la posición de un punto B, lo primero a considerar es el meridiano de B (véase la figura adjunta); el arco BN de este meridiano forma con AN (colatitud de A) y AB (recorrido del dirigible) un triángulo esférico del que se puede determinar un tercer elemento A = 180 —a a partir del AAPQ, rectángulo en P, pie del meridiano de A, triángulo del que se conocen la hipotenusa AQ y un cateto AP (latitud de A). La resolución subsiguiente del ¿\ABN permitirá obtener a partir del lado a — BN y Lb a partir del ángulo C = ANB y La- Por tanto: eos a — ctg AQ ■ tg log ctg 52°11'45" = T, 88974 log tg 36°24'36" = T, 86778 log eos a = 1,75752 AQ y agudos => eos a > 0,a agudo: A — 180o —o, obtuso: A = 124°54'3" AABC A = 124°54'3" b = 90 - va = 53°35'24" c = AB = 115°11'27" - = 30°48'l",5 = 84°23'25",5 2 - = 62°27'1",5 2 70 Ejercicios c — b C + B cos “y A ^-r~=-^+b-c^2 c°s 2 b — c C -B sen A ‘s^~ = b+^'^í Sen 2 log cos 30°48'l", 5 = 1,93397 log sec 84°23'25", 5 = 1,00988 log ctg 62°27T',5 = 1,71739 logtg —2— = 0,66124 log sen 30°48'l", 5 = 1,70932 log cosec 84°23'25", 5 = 0,00209 log ctg 62°27'1", 5 = T, 71739 ; ~-----logtg ——— = 1,42680 Como en casos anteriores el signo de tg agudo u obtuso, del argumento y resulta: C±B . . , ,—----- , determina la naturaleza, 2 Q t D _ D —-— = 77°41'37"; —— = 14°57'32" = 92°39'9" Como La = 34°22'£’, será | LB = C - LA = jy 17'9'WJ c _ B log cos 14°57'32" = 1,98503 a cos —-— c + b log sec 77°41'37" = 0,67134 ctS 9 = — c + B ctg log ctg 84°23'25", 5 = 2,99220 pnc (7 2 log ctg- = 1,64857 ctg - > 0 => -, aSuclo’ 9 = 66o0'2"; a = 132°0'4", por lo que | í?b = a - 90° = 42°0'4"S Otro procedimiento para solucionar el problema consistiría en resolver el ^BMQ, rectángulo en M, del que se conocen la hipotenusa BQ = AB — AQ, y al ángulo Q obtenido del /\APQ pues BQM = AQP por opuestos por vértice. El cateto MB determinaría y MQ con QP, obtenido del ¿\APQ, determinarían Lg. De este modo: ¿\APQ (de nuevo al pentágono inicial) sen i¿A = sen Q ■ sen AQ-, cos AQ = cos y>A • cos PQ Ejercicios 71 log sen 36°24'36" = 1,77346 logcosec 52° 11'45" = 0J0231 log sen Q = 187577 Q = 48°41'49" log eos 52° 11'45" = 1,78743 log sec 36°24'36" ^0419431 log eos PQ — 1,88174 PQ = 40°23'33" (Q se toma agudo por oponerse a un cateto, ^a-, agudo; véase 3.1. PQ se toma agudo por resultar su coseno positivo en la fórmula que lo determina). ¿\MBQ M = 90° (El meridiano es perpendicular al Ecuador) < BQ = AB - AQ = 62°59'42" . Q = 48°41'49" 90-MQ 90-MB sen MB — sen Q ■ sen BQ eos Q = ctg BQ • tg MQ log sen 48°41'49" = 1,87577 log sen 62°59'42" = 1,94986 log sen MB = 1,82563 MB = 42“0'51" (agudo por opornerse al ángulo agudo Q) log eos 48°41'49" = 1,81958 log tg 62°59'42" = 0,29274 logtg MQ = 0,11232 MQ = 52° 19'40" 72 Ejercicios = MB = 42°0'51"S c | Lb = MQ'+QP-La = 92°43'13" - LA = ~58°21T3'W I Este segundo procedimiento, más simple por no resolver más que trián gulos rectángulos, es menos preciso por la acumulación de errores que se pro duce en el proceso de cálculo, debida a que la resolución del último triángulo requiere la resolución previa del primero, con lo que las imprecisiones inhe rentes al caso se propagan a lo largo de todo el desarrollo. De ahí que la resolución se procurará siempre con la menor predeterminación posible de resultados adicionales a los datos iniciales. [19] Un navio recorre la ruta que une A con B por el trayecto más corto, siendo las coordenadas geográficas de dichos puntos LA = 89°40'E, ipA = 52° N y Lb = 64°32'E’,(^b = 48°52'Ar. Se desea conocer la distancia recorrida por el navio y los rumbos de salida de A y llegada B. Solución: S Ejercicios 73 AABC a = 90°-pB = 41°8' b = 90° - va = 38° C = La - Lb = 25°8' a — b A + B tg-y- A-B tg^ tg2=tg cos __ c = a;&ctg2 c°s 2 a — b sen ~r c = — sen 2 A + B a-b sen—ó- 2 ' A-B sen — -—6 = 1°34'; —- = 39°34'; - = 12°34' 2 2 ’ 2 log cos 1°34' = 1,99984 logsec 39°34' = 0,11301 logetg 12°34' = 0,65186 ++u log tg —— = 76471 log sen 1°34' = 2,43680 log cosec 39° 34' = 0,19588 log ctg 12°34' = 0,65186 log tg = 1,28454 = 80°14'45" | í A = 91°8'41" A~B l B = 69°20'49"—-— - 10 ao ob I | pA = 360° - Á = 268°51'19" | ys~ = 180° + B = 249° 20'49" log sen 80° 14'45" = 1,99368 log cosec 10°53'56" = 0,72336 logtg 1°34' = 2,43697 log tg - = 1,15401 74 Ejercicios £ A y _____ - = 8°6'49"; c = 2(8 • 60 + 6 + —) = 973,54 m.n. ¿ ou Tres estaciones A, B y C de seguimiento espacial ocupan los vértices de un triángulo trirrectilátero. Una de ellas, la A, se encuentra en el punto en el que el meridiano de Greenwich corta al Ecuador. La B se encuentra en el polo Artico y la C al este de la A. Con motivo del lanzamiento de una cápsula espacial, el buque encargado de recogerla a su regreso a la Tierra recibe la orden de situarse sobre el paralelo 3Q°N y en una posición interior- ai triángulo formado por las estaciones, equidistante de A y C. Si la cápsula cae al mar en el punto de coordenadas geográficas L = 40° 19'27" E y p = 27°42'15"Ar, qué tiempo tardará en llegar a recogerla el buque que, partiendo desde su posición de espera, navega a 25 nudos. Solución: Sea P la posición de espera del buque y Q la de caída de la cápsula. Se tendrá: LP = 45°E, pP = 30°^ Ejercicios 75 con lo que en el £\BPQ BP = W-pP = 60° = a BQ = 90° - w = 90° - 27°42'15" = = 62° 17'45" = c B = LP - LQ =-PP - 40°19'27" = 4°40'33" y podemos determinar la ditancia PQ = b (lo haremos por un método direc to). eos b = eos a ■ eos c + sen a • sen c • eos B Utilizando un cambio semejante al indicado en 3.4. Ejemplo 1, resulta: eos c • sen (a + 92) eos b =----------------------- sen p ctg c con tg p = ----- - COS D log ctg 62° 17'45" = T, 72025 log sec 4°40'33" = 0,00145 log tg p = T, 72170 p = 27°47' a + p = 60° + 27°47' = 87°47' log eos 62a 17'45" = 1,66737 log sen 87°47' = T, 99967 logeosee 27°47' = 0,33149 log eos 6= 1,99853 6 = 4°43' PQ = 4 • 60 + 43 = 283 millas t = ---- = 11,3 horas 25 |21| Un avión parte de un punto cuya latitud es 7°N con rumbo 68°19'41" dando la vuelta a la Tierra siguiendo un círculo máximo. ¿Cuál es la máxima latitud N alcanzada? ¿Qué tiempo tarda en alcanzarla si vuela a jOO nudos?. Ejercicios Si A es el punto de partida y B designa el de máxima latitud norte, será el punto de la derrota seguida cuya distancia al polo Norte C sea mínima por lo que el meridiano de B debe ser perpendicular a la derrota (véase en 2.1. distancia de un punto a una circunferencia máxima). Luego será: eos ps = sen A • sen b eos A = ctg b • tg c = 22°43'24"N B = 90° Á = 68°19'41" 6 = 90° - ^ = 90° - 7° = 83® log sen 68® 19'41" = 1,96816 log sen 83° = 1,99675 log eos ipB = 1,96491 log eos 68°19'41" = 1,56737 logtg 83° = 0,91086 log tg c = 0,47823 => c = 71°36'32" => 71 ■ 60 + 36 + — _______ = - 40-Q -0- = 10,7 horas Ejercicios 77 22 La primera etapa de la regata "Vuelta al Mundo” se desarrolla entre los puertos de Plymouth (5O°12'1V,4°8W) y Ciudad del Cabo (33°48'S, 18°25'EJ. Uno de los yates participantes ha seguido una derrota tal que corta al Ecuador 1800 millas a Poniente del punto en que lo hace la ortodrómica que une ambos puertos. Determinar la posición en que el yate corta la línea del Ecuador y rumbo que entonces debe adoptar para llegar a El Cabo por el camino más corto. Solución: Sean P (Plymounth) y C (El Cabo) los puertos mencionados. Se tiene: AD = 1800 m.n. = 30°; ¿LBPC í PB = 90° -vp = 39°48' = c 1 BC^ = 90° + ^c= 123°48' = a l PBC = LP + Lc = 22°33' = B Busquemos PCB — C a — c A + C cos B =----- a^c ct6 T cos 2 A + Ctg~T-a — c sen “V" B a + ~cc^2 sen 2 78 Ejercicios ±—2^42°; ^±2 = 81°48'; y = 11° 16'30" log cos 42° = 1,87107 log sec 81°48' = 0,84579 log ctg 11° 16'30" = 0,70035 log tg -ti-= 1,41721 log sen 42° = 1,82551 log cosec 81°48' = 0,00446 log ctg ll°16'30" = 0,70035 ■ - ■ logtg -y- = 0,53032 A i p —— = 87°48'31" a2-c —— = 73° 34'9" ADQC < => C = PCB = DCQ = 14°14'22" Q = 90° C = 14° 14'22" QC = y>c = 33°48', donde buscamos DQ : sen QC = ctg C tg DQ log sen 33°48' = 1,74531 log tg 14° 14'22" = 1,40444 log tg DQ = 1,14975 DQ = 8°2'8": AQ = 30° + DQ = ÜO2'8" | La = AQ - Lc = 38°2'8" - 18°25' = 19°37'8'W 1 ^4 Ejercicios 79 AAQC < AQ = 38°2'8" = c QC = pc = 33°48' = b Q = 90°, donde buscamos QAC = Á sen c — ctg A ■ tg b ; log sen 38°2'8" = 1,78969 log ctg 33°48' = 0,17429 log ctg A = T, 96398 Á = 47°23'24" por lo que el rumbo a adoptar en A será: ¡77 = 90° + Á = 137°23'24" I ¡23] Un buque sufre una avería que lo deja a la deriva a merced de una co rriente de f nudos al rumbo 150°. Emite un S.O.S. que es captado en un puerto cuya situación es L = 155°55'55"W, p — 3°33'33"A\ del cual parte de inmediato un remolcador que navegando a un crucero sostenido de 16 nudos y, tras cruzar el Ecuador, alcanza al buque averiado al cabo de 5 días en una posición 20° al Este de aquel puerto. Determinar la posición en que el buque sufrió la avería y el rumbo inicial adoptado por el remolcador. 80 Ejercicios Solución: AC = 5 • 24 • 16 = 1920 millas = 32° BC = 5 ■ 24 ■ 4 = 480 millas = 8o &ACN ■ AC = b = 32° . AN~ = c = 90 - va = 86°26'27" t ANC = B = 20° donde buscamos NC = a y N AC = A. Se tiene: sen C sen B sen c sen b log sen 86°26'27" = 1,99916 log sen 20° = T, 53405 í 40°6'12" logcosec 32° = 0,27579 C [ 139°53'48" log sen C = 1,80900 Como NC = a ha de ser obtuso, por estar C en el hemisferio Sur, habrá que desechar la solución correspondiente al valor de C para el que esto no Ejercicios 81 suceda; tomando C — 40°6'12" resulta: A sen -y- c _ B sen 2 = 59°13'13",5; 2 -—- = 27°13'13",5; -—- = 10°3'6"2 ’ ’ 2 log sen 59°13'13", 5 = 1,93407 logtg 10°3'6" = 1,24860 log cosec 27°13'13".5 = 0.33969 -------------------------- 14 ~--------- log ctg — = 1,52236 =» y = 71°35'9" Con lo que el rumbo inicial del remolcador será: A = 143°10'18" B — C a sen 9 b — c sen 2 B +- -■ = 30°3'6" log sen 10°3'6", = 1,24188 log cosec 30°3'6" = 0,30035 log ctg 27°13'13",5 = 0,28872 log ctg - = 1,83095 => - = 55°52'7";a = 111°45'34" = NC 2 lo que indica que la elección de C ha sido la correcta; en caso contrario, habría de repertirse el cálculo con el otro valor. &NBC BC = a = 8o ÍVC = 6 = 111O45'34" B = 150° y determinemos NB = c — 90° ± y BNC = Á 82 Ejercicios sen A sen B sen a sen b ’ log sen 8° = 1,14356 log sen 150° = 1,69897 logcosec 111°45'34" = 0,03210 ' log sen A = 2,87463 ; í 4o 17'48" [ 175°42'12" Como BNC = Á < ÁNC = 20° tomamos Á = 4o 17'48". B-A sen —-— “B + A'Ctg sen -------- 2 b — a fí — A —= 72°51'6"; ^4“ = 77°8'54"; = 51°52'47" ¿i log sen 72°51'6" = T, 98025 log ctg 51°52'47" = T, 89469 log cosec 77°8'54" = 0,01102 log ctg - = 1,88596 j = 52°26'16" c = 104°52'32" Como c — NB resulta obtuso, es que B está en el hemisferio sur =>| yg = c - 90° = 14°52'32"¿n Por otra parte: | Lb = La- (20° - BNC) = 140o13'43"Wn Sean A y B dos puntos situados en el hemisferio norte, de latitudes cono cidas. ¿Qué relación debe existir entre dichas latitudes y la de un tercer punto C, también situado en el mismo hemisferio, para que equidiste de aquellos y el Polo Norte? Aplicar el resultado al caso en que ipA = 20°,ipg = 10° y <pc = 40° y determinar AB en millas. Ejercicios 83 Solución: Si CA = CB = CN = 90° - ^c-, los AANC,ABNC y AABC son isósceles. Determinemos el ángulo C — BCN en el ¿\BCN y el a — NCA en el ANCA; su diferencia /3 — C — a permitirá determinar luego AB en el ¿\ABC: Considerando la altura esférica sobre BN en el ¿\BNC y uno cualquiera de los triángulos obtenidos, se tendrá que: 45“ + ^ > Considerando ahora la altura esférica sobre AN en el /\ANC y uno cual quiera de los triángulos rectángulos así obtenidos, resulta como anteriormente 84 Ejercicios 90-1/2(904^)= =45+9A/2 {p A Cí Oí cos (45° + —) — cos ípc • sen — => sen — cos (45° + cos <pc < 1 45° 4- -y- > ipc, con lo que la relación buscada ha resultado ser: < 45° + - • mín. {^a^b} A para que C equidiste de A, de B y del P. Norte. En nuestro caso 40° < 45° + - ■ 10° = 50°, se cumple. Por lo tanto: log cos 50° = 1,80807 logsec 40° = 0,11575 ------ _ log sen — = 1,92382 log cos 55° = 1,75859 log sec 40° = 0,11575 log sen — = 1, 87434 - = 57°2'45" 2 - = 48°29' 2 É 2 - - = 8°33'45" 2 2 Finalmente, considerando la altura esférica sobre AB en el ¿\ABC y uno cualquiera de los triángulos rectángulos obtenidos Ejercidos 85 log sen 8°33'45" = 1,17286 log eos 40° = 1,88425 A fí A R log sen — = 1,05711 => — = 6°32'57" ____ ___ 57____________ | d(A, B} = 2(6 • 60 + 32 + —) = 785,9 millasj 25 Un buque que navega siguiendo una circunferencia máxima se encuentra en un momento dado en la posición (13o 13'13"TV, 108°42'53"VK) y un cierto tiempo después en la (42°42'42"1V, 142°11'27'W). ¿En qué punto cruzó por último vez el Ecuador? ¿Qué rumbo llevaba en ese momento? ¿Cuáles serían las máximas latitud Norte y Sur que alcanzaría en una circunnavegación? 86 Ejercicios Solución: WP=EP - a=WOP=EOP' Sean A y B las dos situaciones dadas consecutivamente, Q la última inter sección de la derrota seguida con el Ecuador y P y P' los puntos de máxima latitud norte y sur, respectivamente, de la misma, esto es, de mínima distan cia a los polos respectivos, por lo que el meridiano de P y P' es perpendicular a la derrota en dichos puntos. Entonces en Q concurren dos circunferencias máximas ortogonales al meridiano de P (y al de P1), a saber, la derrota y el Ecuador, por lo que Q es un polo de dicho meridiano; por tanto WQ = PQ = 90° y WP = PQW Análogamente para el /\QEP ', birrectilátero. El ángulo en A del A AMO, rectángulo en M, puede obtenerse del △ABC (inmediatamente resoluble al conocerse las posiciones de A y B) y así obtener Q = PQW. AABC ' a = 90° - = 47°17'18" ■ b = 90° - y a = 76°46'47" . C = Lb - La = 33°28'34" Ejercicios 87 a — b A- B sen “V- C ‘S-2“= sen 2 O *4“ (1 . .. O — CL , i, C , ,, — = 62°2 2 ,5;------ = 14°44'44"5: - = 16°44'17" 2 2 '2 log eos 14°44'44",5 — 1,98546 log sen 14°44'44",5 = 1,40574 log sec 62°2'2", 5 = 0,32888 log cosec 62°2'2", 5 = 0,05393 log ctg 16°44'17" = 0,52181 log ctg 16°44'17" = 0,52181 -------- ;--------: i + e -------- --- B Z log tg —-— = 0,83615 log tg —-— = 1,98148 r । 4 r _ 4 . —— = 81°42'11": ------- = 43°46'43" A = 2 ' 2 = 37°55'28" M = 90° AAMQl AM = ^A = 13°13'13" Á = 37°55'28" eos Q = sen A ■ eos 9?^ sen = ctg A • tg MQ 88 Ejercicios log sen 37°55'28" = 1,78860 log eos 13° 13'13" = 1,98833 log eos Q = 1, 77693 log sen 13°13'13" = 1,35926 logtg 37°55'28" = 1,89163 log tg MQ = T, 25089 Q = Lq = L 53° 14'56" MQ ja~MQ= 98°36'40'W = 1 0°6'13" PQ = 270° + Q= 323° 14'56" tpP = Q = 53° 14'56"^ ¡ pp, = Q = 53°14'56"S 26 Desde un punto de corrdenadas geográficas (25°30'40"7V, 48°54'6"£’) se lanza un cohete con rumbo inicial 135°46'32"E' que cae a tierra a 4500 millas de distancia. Determinar la situación del punto de caída del proyectil. Demostración : Sean A y B los puntos de despegue y caída del proyectil; se tiene: í b = 90° - pA = 64°29'20" ¿\ABC j Á = Pi = 135°46'32" [ c = 4500' = 75° Ejercidos 89 b — c b — c B+C cos “V B-C sen A tg^~ = 6 + cctg2’ ^^=--b+cC^2 cos —-— sen — 2 2 -—- = 5°15'20";= 69°44'40": - = 67°53'16"2 ■ 2 2 log cos 5°15'20" = 1,99817 logctg 67°53'16" = 1,60885 log sec 69°44'40" = 0,46066 ■ f + r _ logtg —2— = 0’06768 log sen 5°15'20" = 2,96189 log ctg 67°53'16" = 1,60885 log cosec 69°44'40" = 0,02733 “ 7^77 _ “ logtg —-— = 2,59841 -4— = 49°26'48" ¿ fí —---- — = 2o 16'17" 2 = 51°43'5" C-B
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