Volume - Método das seções planas transversais

Índice

Introdução

Dedução da fórmula

Exemplo 1

Exemplo 2

Exemplo 3

Exemplo 4

Exemplo 5

Exemplo 6

 

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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"

 

Introdução

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).

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:

  • Para todo x Î R , o plano em x intercepta o sólido se, e somente, se x Î [a, b]. 

  • Se  x Î [a, b] a intersecção é uma região desse plano com área   que     indicaremos     por A(x)..

 Se a função A(x), definida em [a, b], é contínua então o volume do sólido é:

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Dedução da fórmula:

Tomemos números x0, x1, x2, ..., xn Î [a, b] tais que
a = x0 < x1< x2 < ... < xn = b e números a1, a2, ..., an tais que   ai Î [xi-1, xi].
O cilindro cuja base é a intersecção do plano perpendicular ao eixo OX em ai com o sólido e cuja altura é (xi - xi-1) tem volume igual a A(ai )(xi - xi-1) e então

Chamaremos as intersecções do sólido com os planos perpendiculares ao eixo de secções planas do sólido transversais ao eixo OX ou de secções planas. 

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Exemplo 1: Calcular o volume de uma pirâmide cuja base é um quadrado de lado 2 e cuja altura é 3.

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:
 _Um plano perpendicular ao plano da base, paralelo a um dos lados dessa base e contendo o eixo.
_A projeção da pirâmide neste plano (veja figura ao lado).

Usando semelhança de triângulos temos

Logo,

Vemos aqui uma confirmação da proposição apresentada no Ensino Médio:

O volume da pirâmide de base A e altura h é

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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),

Logo,

Vemos aqui uma confirmação de outra proposição apresentada no Ensino Médio:

O volume da esfera de raio R é:

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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

  • Se c> 0 , um círculo no plano z = c de equação
     x2 + y= c
    . Portanto com raio 
    .   

  • Se c = 0, o ponto (0,0)
  • Se c < 0, vazia

Logo trata-se de uma superfície de revolução em torno de OZ.

Para  considerar   a   intersecção  da   superfície com o plano YOZ, substituímos x = 0  na equação  z = x2 + y2   obtendo   a equação da parábola   z = y2 . Portanto a superfície é gerada pela rotação desta parábola em torno de OZ (é um parabolóide de revolução).

Na figura ao lado temos um esboço do sólido limitado pela superfície e pelo plano z = 1.

Cálculo do volume: 

Para todo z Î [0, 1] a secção plana transversal a OZ

do sólido é dado por

Clique na figura  para ver a superfície sendo gerada

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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



Trata-se de um parabolóide elíptico.Ou seja, a representação gráfica é semelhante  à do parabolóide de revolução _ basta substituir os círculos por elípses.

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

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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:

  • Vazia, se c > 1 ou c < -1.
  • (0,0) , se c = -1 ou c = 1
  • Uma elípse no plano z = c, de equação

     

     

      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

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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:

  • Vazia, se c > 1 ou c < -1.
  • A reta do plano x = c de equação y = 0 , se c = -1 ou c = 1
  • A região do plano x = c limitada pelas duas retas paralelas 

    se - 1 < c <1

 

.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:

  • Vazia, se c > 1 ou c < -1.
  • A reta do plano x = c de equação z = 0 , se c = -1 ou c = 1
  • A região do plano x = c limitada pelas duas retas paralelas 
     
    se 1 < c <1

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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