قانون حجم المنشور (مع أمثلة مشروحة)

قبل أن نبدأ بشرح قانون حجم المنشور وبعض الأمثلة المشروحة عنه، يجب أن نعرف بعض المعلومات عن المنشور. المنشور جسمٌ فراغيٌّ متعدد الأوجه، جميع أوجهه مسطحة، وله طرفان يعرفان بقاعدتي المنشور. قاعدتا المنشور هما مضلعان من نفس النوع، فإما أن يكونا مثلثين أو مربعين أو مضلعين خماسيين وهكذا، ويسمى المنشور على حسب نوع القاعدة، فمثلًا لو كانت القاعدتان مثلثتين، سمي منشورًا ثلاثيًّا.

توجد القاعدتان في مستويين متوازيين، وتقابلان بعضهما. انظر للصورة التالية في الأسفل، تلاحظ أن الطرفين أو القاعدتين شكلان خماسيان ولذلك نسميه منشورًا خماسيًّا، وتلاحظ كذلك وجود عدد من الوجوه الأخرى عددها خمسة، هذه الوجوه جميعها مستطيلات وهي الأوجه الجانبية للمنشور (في حالاتٍ أخرى تكون متوازيات أضلاع)، ويتناسب عددها مع عدد أضلاع قاعدة المنشور، ففي المنشور الثلاثي عدد الأوجه الجانبية ثلاثة، وفي الرباعي أربعة وهكذا.

المستقيمات التي تتلاقى عندها الأوجه الجانبية تسمى الأحرف الجانبية للمنشور، مرة أخرى نعود للصورة، حيث تجد وجهين جانبيين، أحدهما له لون أزرق، وللآخر درجة من درجات البني أو شيء كهذا، المهم أن الوجهين يلتقيان معًا عند حرفٍ من حروف المنشور نسميه حرفًا جانبيًّا.

بأخذ مقطع عرضي في المنشور بموازاة القاعدة، يكون المقطع دائمًا مطابقًا للقاعدة، لنفرض أننا اقتطعنا جزءًا من المنشور في الصورة السابقة في أي مكانٍ منه على امتداد طوله، بحيث يكون المقطع موازيًّا للقاعدة، فإن المقطع يكون خماسي الشكل كما القاعدة. لإيضاح الفكرة أكثر، انظر للصورة التالية التي تبيّن مقطعًا عرضيًّا في منشورٍ ثلاثي، قاعدة المنشور عبارة عن مثلثٍ، والمقطع مثلثٌ هو الآخر..

من بين الطرق التي نستطيع بها استيعاب مفهوم المنشور، أن نتخيله مضلعًا ثنائي الأبعاد، كالمثلث المرسوم على الورق، ثم اكتسب ذلك المثلث أو المضلع مهما يكن نوعه بعدًا ثالثًا أو سُمكًا، هذا السُمك هو الارتفاع، والذي يعبر عن المسافة العمودية بين قاعدتي المنشور. أريدك أن تبقي في ذاكرتك مفهوم الارتفاع لأننا سنحتاجه عندما نصل إلى الحديث عن حجم المنشور، لكن قبل ذلك، لاحظ الصورتين الآتيتين، في إحداهما مثلث ثنائي الأبعاد، وفي الأخرى نفس المثلث، وقد اكتسب بعدًا ثالثًا فصار منشورًا..

ذكرتُ سابقًا أن المنشور يصنف طبقًا لنوع المضلع الذي يشكل قاعدته، فهناك منشورٌ ثلاثي ورباعي وخماسي.... إلخ، لكن ليس هذا ما يندرج تحت عنوان أنواع المنشور، فهنا سنعرض تصنيفين مختلفين للمنشور، أحدهما يصف انتظام المنشور من عدمه، والآخر يصف الزاوية بين الأحرف الجانبية وأضلاع القاعدة.

يتوقف ذلك على نوع قاعدة المنشور، فالمنشور المنتظم قاعدته مضلع منتظم أي مضلع له زوايا متساوية في قياساتها وأضلاع متساوية في أطوالها، أما المنشور غير المنتظم فإن قاعدته مضلع غير منتظمٍ أي قياسات زواياه وأطوال أضلاعه مختلفة. في الصورة التالية مضلعان خماسيان، باللون الأزرق شكل خماسي منتظم، وباللون البني شكل خماسي غير منتظمٍ.

يوضح الشكلان في الصورة منشورًا قائمًا إلى اليسار، وآخر مائل إلى اليمين، الفرق بينهما في الزاوية بين الأحرف الجانبية وأضلاع قاعدة المنشور، التي هي في هذه الحالة المحددة مربع. الزاوية بين الحرف الجانبي وضلع القاعدة في حالة المنشور القائم زاوية قائمة (قياسها 90 درجة)، وفي حالة المنشور المائل ليست قائمةً فهي إما حادة أو منفرجة.

ليس نوع الزوايا بين الأحرف الجانبية وأضلاع القاعدة بالفرق الوحيد بين نوعي المنشور، فهناك فرقٌ آخر حددته تلك الزوايا، تأمل الأوجه الجانبية للمنشور القائم، تجدها مستطيلات، أما الأوجه الجانبية للمنشور المائل فمتوازيات أضلاع. للعلم، فإن المستطيل ما هو إلا متوازي أضلاع زواياه قائمة..

طالما تناولنا تعريف المنشور وأنواعه، لنبيّن إذًا كيفية حساب مساحة سطحه قبل تبيان كيفية حساب حجمه. مجموع مساحات الأوجه الجانبية للمنشور يعبر عما يسمى بالمساحة الجانبية، وبإضافة مساحتي القاعدتين إلى المساحة الجانبية، نحصل على المساحة الكلية لسطح المنشور.

يمكننا حساب مساحة السطح بطريقةٍ مباشرةٍ عبر العلاقة الآتية:.

يعبر حجم المنشور عن الحيز الذي يشغله المنشور، ويُحتسب الحجم من العلاقة الآتية:

يمكن تعديل الصيغة الرياضية لحساب حجم المنشور على حسب نوع المنشور كالتالي:

كما نعلم، فإن مساحة المثلث = ½ × القاعدة × الارتفاع، لا نقصد هنا قاعدة المنشور وارتفاعه، بل قاعدة وارتفاع المثلث، وهما أحد أضلاعه (قاعدته كمثلث)، والمسافة العمودية على ذات الضلع من الرأس المقابلة له. لنسمي قاعدة المثلث b وارتفاعه a، وارتفاع المنشور h كما في الشكل.

عندها يمكن صياغة قانون حجم المنشورالثلاثي كالتالي:

مساحة المستطيل = الطول × العرض، لنسمي طول وعرض المستطيل a وb مثلًا، وارتفاع المنشور h، بذلك نحسب حجم المنشور المستطيل كالتالي:

تُحسب مساحة المضلع الخماسي المنتظم كالتالي:

في الشكل يُرمز للضلع وللعمود عليه من المركز، بالحرفين b وa على التوالي، بهذا نستطيع التعبير عن مساحة القاعدة كالتالي:

أما حجم المنشور الخماسي فيكون:

بنفس الطريقة يمكن حساب حجم المنشور إن كانت قاعدته مضلعًا منتظمًا مهما يكن عدد أضلاعه.