Volume - Método das seções planas transversais
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"Este não é o método mais geral para calcular volumes de sólidos,
mas é bastante intuitivo e se mostra bastante prático em alguns exemplos.
"No final do curso veremos um método mais geral usando a integral
dupla"
Volume de um cilindro reto
Admitiremos inicialmente a definição de volume para cilindros retos:
Tomemos um plano a e uma região R deste plano, com área A limitada por uma curva fechada C. Consideremos uma reta r perpendicular ao plano a e tomemos a superfície cilíndrica tal que C seja sua diretriz e r uma geratriz (isto é, obtida pela reunião de todas as retas paralelas a r passando por algum ponto de C). |
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Consideremos um plano, b , paralelo a a . A região do espaço limitada pela superfície cilíndrica e pelos dois planos é um cilindro de base R e altura h, sendo h a distância entre os dois planos. O volume do cilindro é, V = A.h. |
Dado um sólido, tomemos um eixo orientado OX e, para todo número real x, o plano perpendicular a OX em x (isto é passando pelo ponto de abscissa x do eixo). Suponhamos que: |
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Se a função A(x), definida em [a, b], é contínua então o volume do sólido é:
Tomemos números x0, x1, x2, ..., xn
Î [a, b] tais que |
Chamaremos as intersecções do sólido com os planos perpendiculares ao eixo de secções planas do sólido transversais ao eixo OX ou de secções planas.
Exemplo 1: Calcular o volume de uma pirâmide cuja base é um quadrado de lado 2 e cuja altura é 3. |
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Tomemos o eixo OY perpendicular ao plano da base da pirâmide, ortogonal a um dos lados da base e sua origem e orientação como indicados na figura ao lado. |
Para todo y Î [0, 3] a secção plana transversal a OY é um quadrado cujo lado varia com y e que indicaremos por L. Então a secção plana tem área
A = L2 e o volume da pirâmide é dado por
Para relacionarmos L e y, tomemos: Usando semelhança de triângulos temos Logo, |
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Vemos aqui uma confirmação da proposição
apresentada no Ensino Médio:
O volume da pirâmide de base A e altura h é
Exemplo 2: Calcular o volume de uma esfera de raio igual a 2.
Podemos escolher um eixo OY qualquer. Como indicado na figura ao lado, escolhemos um eixo tal que o plano perpendicular a ele na origem passa pelo centro da esfera. |
Para todo y Î [-2, 2] a secção plana transversal a OY é um círculo cujo raio varia com y e que indicaremos por r. Então a secção plana tem área A = p r2 e o volume da esfera é dado por |
Para relacionarmos r e y, tomemos a intersecção da esfera com um plano que contenha o eixo e passe pelo seu centro. Pelo Teorema de Pitágoras (veja figura ao lado), |
Vemos aqui uma confirmação de outra proposição
apresentada no Ensino Médio:
O volume da esfera de raio R
é:
Exemplo
3: Represente graficamente e calcule o volume do sólido limitado
pelo plano
z = 1 e a superfície de equação
z = x2 + y2.
Representação gráfica:
Dado um plano de equação z = c,
c constante, (isto é perpendicular a OZ), para obtermos sua
intersecção com a
superfície, substituímos z = c na equação z = x2 + y2,
obtendo,
. Logo,
a intersecção é
Exemplo
4:
Represente graficamente e calcule o volume do sólido limitado pelo
plano z = 1 e a superfície de equação
Representação gráfica:
Como no exemplo anterior, a intersecção de um plano
de equação z = c, c constante, com a superfície, obtém-se substituímos z = c na
equação (*), resultando
Logo, a intersecção é:
se c> 0,
Para considerar a intersecção da superfície com o plano YOZ e com o plano XOZ, substituímos x = 0 e y = 0 na equação (*) obtendo as parábolas
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Cálculo do volume:
Para todo z Î [0, 1] a secção plana transversal a OZ é uma elipse com semi-eixos
e o volume do sólido é dado por
Exemplo 5: Represente graficamente e calcule o volume do elipsóide de equação
Representação gráfica:
Como no exemplo anterior, a intersecção de um plano de equação z = c, c constante, com a superfície, obtém-se substituímos z = c na equação (*), resultando na equação,
De acordo com o sinal de 1-c2, temos que a intersecção é:
se -1 < c <1 |
As secções transversais a OX também são elipses, de equações
obtidas fazendo-se x = c na equação (*), para -2 < c < 2. De modo análogo temos que as secções transversais a OY são elípses
A seguir temos um esboço do sólido
Cálculo do volume:
Para todo z Î [-1, 1] a secção plana
transversal a OZ é uma elipse com semi-eixos
e o volume do sólido é dado por
Exemplo 6: Calcule o volume do sólido que é intersecção dos cilindros
x2 + y2 = 1 e x2 + z2 = 1 (figura as seguir)
Cálculo do volume:
Tomemos o eixo OX e as intersecções de cada um dos
cilindro com planos perpendiculares a esse
eixo. Para o cilindro x2
+ y2 = 1, fazendo x = c, c constante, na equação desse cilindro
obtemos
Logo a intersecção com o plano x = c é:
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.De modo semelhante, para o cilindro x2 + z2 = 1, fazendo x = c, c constante, na equação desse cilindro obtemos
Logo a intersecção com o plano x = c é:
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Portanto a interseção dos dois cilindros com o plano x = c é vazia se c >
1 ou c < -1 e é um
quadrado (veja figura anterior) de lado
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