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Arnoldo Debatin Neto Henrique José Souza Coutinho Raquel Martinelli D286g Debatin Neto, Arnoldo Geometria Descritiva: conceitos iniciais / Arnoldo Debatin Neto, Henrique José Souza Coutinho, Raquel Martinelli. – Florianópolis: CCE/UFSC, 2017. 90 p. : il. Inclui bibliografia. 1. Geometria descritiva – Estudo e ensino. I. Coutinho, Henrique José Souza. II. Martinelli, Raquel. III. Título. ISBN: 978-85-922569-0-6 CDU: 514.18:37 Catalogação na fonte pela Biblioteca Universitária da Universidade Federal de Santa Catarina Arnoldo Debatin Neto Henrique José Souza Coutinho Raquel Martinelli 1ᵃ Edição Florianópolis CCE/UFSC 2016 Apresentação Introdução Noções preliminares 1.1 Notação 1.2 Organização do espaço Estudo do ponto 07 08 09 10 10 16 Estudo da reta 3.1 Posições relativas entre retas 3.2 Posições da reta em relação aos planos de projeção 1. Reta horizontal ou de nível: 2. Reta frontal ou de frente 3. Reta de topo 4. Reta vertical 6. Reta de perfil 7. Reta qualquer 3.3 Traço de reta 3.4 Pertinência de um ponto à uma reta 21 22 26 26 26 27 27 28 29 30 31 Estudo do plano 4.1 O traço do plano 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção 1. Plano horizontal 2. Plano frontal 3. Plano de topo 4. Plano vertical 5. Plano de perfil 6. Plano de rampa ou fronto-horizontal 7. Plano qualquer 4.3 Pertinência de ponto e reta ao plano 37 39 40 40 41 42 43 44 45 46 47 7 Apresentação Este livro foi escrito a seis mãos, entre dois Arquitetos e um Enge- nheiro Agrônomo, todos professores, empenhados em tornar cada vez mais acessível e aplicável o conhecimento da Geometria Des- critiva. O material que você tem em mãos é resultado tanto de nos- sas experiências profissionais, projetando e atuando em canteiro de obras, quanto de nossa experiência em sala de aula, no ensino da Geometria dentro dos mais diversos cursos de graduação. Dessa longa experiência docente, alguns questionamentos são fre- quentes por parte dos estudantes: O que é a Geometria Descritiva? Para que serve? Para que eu vou usá-la? Inicialmente a Geometria Descritiva (GD) é um conhecimento básico que atende a várias áreas de desenho, como por exemplo: Desenho Técnico Mecânico e Civil, Desenho Arquitetônico, Desenho Topográ- fico entre outros. Além disso, o domínio da GD é indispensável para o uso de qualquer software de modelagem tridimensional. Para tanto este material foi dividido em dois volumes, sendo este primeiro dedicado aos elementos básicos, sua representação e suas inter-relações. O segundo volume apresenta procedimentos e manipulação dos elementos básicos. E por fim apresentamos apli- cações práticas do conhecimento respondendo às perguntas “Para que serve?” e “Para que eu vou usá-la?”. 8 2) Configura-se em um dos melhores processos para a resolução gráfica de problemas práticos ou teóricos relacionados a figuras no espaço; 3) Permite estabelecer um diálogo a partir da linguagem gráfica entre projetista e executor. O primeiro consegue conceber e repre- sentar de modo que o segundo consiga captar os conceitos rela- cionados à forma, tamanho e posição do objeto a ser executado. A falta de domínio ou o desconhecimento dessas informações irão dificultar ou inviabilizar a execução da obra, peça ou superfície. Os conhecimentos adquiridos na matéria serão utilizados em ou- tras disciplinas onde o raciocínio, lógico e a precisão gráfica sejam demandados. Além disso, o próprio processo de aprendizado dos conteúdos disponibilizados por esta disciplina contribuem para o desenvolvimento da visão espacial e do raciocínio lógico, condi- ções fundamentais na formação de profissionais cujo foco de tra- balho relaciona-se à concepção, projeto e execução de objetos em diferentes escalas. Para realizar as diversas operações de representação dos objetos no espaço, faz-se necessário definir previamente um sistema de nota- ção, de modo a padronizar a nomenclatura empregada na denomi- nação dos entes geométricos, tais como pontos, retas e planos. A Geometria Descritiva (GD) pode ser considerada uma teoria onde a representação do espaço e objetos possui códigos pré-definidos e sua decodificação está previamente delimitada. Gaspard Monge, matemático francês, em seu trabalho de 1799, Géo- metrié Descriptive, busca a exatidão absoluta através da abstração matemática. Seu trabalho é profundamente influenciado pelo Ilumi- nismo e sua matriz teórica de representação do espaço é cartesiana. Através desse método, torna-se possível representar um objeto de acordo com uma sequência de procedimentos pré estabelecidos. O sistema desenvolvido por Monge prevê a representação dos ob- jetos a partir de duas projeções (biprojetivo), pois com uma proje- ção não é possível determinar todas as características geométricas (altura largura e profundidade). Por isso é conhecido como sistema bi-projetivo, ou projeções mongeanas. Contudo, em algumas situ- ações mais complexas o sistema permite uma terceira visualização para evitar qualquer ambiguidade. MACHADO (1985) considera a GD como base teórica do desenho téc- nico, ao permitir a construção de vistas auxiliares, cortes, seções, re- batimentos, rotações, intersecções de planos e sólidos, mudança de planos de projeção, determinação de verdadeiras grandezas – V.G. – de distâncias, ângulos e superfícies. Também permite o cálculo de volumes com dados disponibilizados nas projeções ortogonais. O objetivo da GD é fornecer aos estudantes os conhecimentos ne- cessários para a formação profissional a partir do entendimento das relações espaço-forma. A contribuição na formação de Enge- nheiros ou Arquitetos se sustenta em três aspectos principais: 1) Trata-se de matéria formativa que desenvolve o raciocínio, a per- cepção das características geométricas dos objetos e o senso de organização; Introdução 9 10 Figura 01: Divisão do espaço em dois planos de projeção, π1 e π2. Fonte: os autores. 1. Noções preliminares 1.1 Notação A notação é a identificação dos elementos geométricos e de suas projeções. Considerando que, em um mesmo desenho, podemos trabalhar com diversos elementos de ponto, reta e plano, e que precisamos diferenciar no mínimo duas projeções de cada elemen- to (sem contar as projeções rotacionadas e rebatidas), entende-se a importância de definir a notação a ser utilizada antes de iniciar qualquer estudo. Infelizmente não há uma normalização para as notações em GD, e cada autor define o que vai usar, partindo de um consenso mínimo. No entanto cabe ao aluno observar a nomenclatura utilizada em cada bibliografia. Neste material, apresentaremos a nomenclatura de cada elemento progressivamente em cada capítulo. 1.2 Organização do espaço Considerando o espaço como algo infinito, intangível, seria impos- sível empreender um estudo dos objetos e de sua representação. A lógica empregada então abstrai uma parte desse infinito transfor- mando-o em algo tangível. Gaspard Monge determinou a divisão desse espaço em um plano horizontal e um plano vertical de projeção, os quais se interceptam segundo uma reta, chamada linha de terra (LT). Para efeito de estu- do nessa obra, conforme será apresentado nas notações, os planos de projeção serão divididos em horizontal - π1- e vertical -π2- e a LT, representando a intersecção entre esses dois planos, será chamada de π1π2. (conforme a figura 1) 11 1. Noções preliminares Figura 02: Divisão do espaço em dois planos de projeção, π1 e π2 originando quatro diedros. Fonte:os autores. Na figura 02 pode ser observado que a intersecção entre os planos horizontal e vertical criou quatro subdivisões, as quais foram cha- madas diedros. Essa divisão é muito semelhante ao círculo trigo- nométrico, que prevê quatro quadrantes, no entanto, no caso da GD tem-se quatro diedros tridimensionais. Qualquer objeto situado no espaço, independente do diedro no qual se encontre, será representado bidimensionalmente sobre os planos p1 e p2.Para representar qualquer figura sobre esses planos, é importante compreender de que maneiras uma imagem pode ser projetada . Podemos abstrair que os raios de luz atingem os objetos e chegam até os olhos, permitindo interpretar e en- tender sua forma. Considerando o olho humano como um ponto de convergência dos raios de luz, temos a visualização cônica ou perspectivada dos objetos. Figura 03: Raios visuais cônicos sobre um objeto gerando imagem em perspectiva. Fonte:Francis Ching 12 Figura 04: Projeção ortográfica gerando imagens bidimensionais de um objeto comparada a outros tipos de projeção gerando diferentes perspectivas (imagens tridimensionais) do mesmo objeto. Fonte: os autores, adaptado de CHING (Ching). 1. Noções preliminares Existem diversas formas de projeção. Embora seja possível conside- rar o olho humano como convergência dos raios visuais que tangen- ciam um determinado objeto, tal procedimento gera imagens em perspectiva. Esse tema é muito importante para os profissionais que lidam com criação e é estudado em separado. Há vários elementos que compõem a imagem em perspectiva e dependendo da posição do objeto a ser representado, há infinitas possibilidades das formas desenhadas. Além disso, há perspectivas onde a profundidade dos objetos se dá de maneira paralela e outras onde é cônica. Em se tratando de projeções ortográficas, o sistema biprojetivo consegue elucidar e representar um grande número de objetos, mas existem situações onde ele é insuficiente. Gino Loria, contem- porâneo de Monge, propôs um terceiro plano de projeção, denomi- nado plano lateral (ou no Desenho Técnico: Vista Lateral Esquerda), o qual é perpendicular aos planos vertical e horizontal. Esse pla- no forma com o diedro conhecido um triedro triprojetivo. Assim, quando a visualização da projeção de um objeto em dois planos não for suficiente, pode-se recorrer a esse artifício. Figura 05: Representação do terceiro plano de projeção, π3. Fonte: os autores. Isométrica Perspectiva Perspectiva 13 Figura 06: Fonte luminosa próxima ao plano de projeção vertical, gerando imagem do objeto por raios cônicos. Fonte: os autores. 1. Noções preliminares Para nosso interesse trataremos da representação gráfica do obje- to gerada a partir de raios de projeção que são paralelos entre si. Um bom exemplo para entender essa técnica é a metáfora da lan- terna, ou fonte de luz. Os raios de luz partem de um único ponto de maneira cônica, passando por um objeto que se encontra entre essa fonte e um anteparo (plano) o qual registra sua sombra. Ao mover a fonte luminosa para longe do anteparo, os raios de luz tendem a ficar paralelos, ou seja, diminuem a inclinação em rela- ção ao plano de projeção. Então, ao considerar a fonte luminosa no infinito, todos os raios serão paralelos entre si e perpendicula- res ao plano de projeção e será gerada a projeção ortogonal. Figura 07: Fonte luminosa mais distante do plano de projeção vertical, ainda gerando imagem do objeto por raios cônicos. Fonte: os autores. 14 Figura 09: Sólido representado por meio de suas projeções horizontal e vertical. Fonte: os autores. 1. Noções preliminares Nesse caso em particular, o triângulo está paralelo ao plano onde sua sombra é projetada e possuirá as mesmas dimensões do obje- to original. Tem-se, dessa maneira, a verdadeira grandeza (V.G.) do triângulo. Uma vez demonstrada a lógica da projeção ortogonal, passa-se a organizar os diedros de modo a permitir a indicação correta do posicionamento do(s) objeto(s) no espaço. Contudo, é importan- te primeiro entender que mesmo o sólido mais complexo pode ser reduzido a elementos mais simples como pontos, retas e planos. Sendo assim iniciaremos pelo estudo do ponto. Figura 08: Fonte luminosa infinitamente distante do plano de projeção vertical, gerando imagem do objeto por raios paralelos. Fonte: os autores. D2 D B2 C2 A2 A B C C1D1 B1 A1 16 2. Estudo do ponto Figura 10: Ponto A, localizado no primeiro diedro e suas respectivas projeções horizontal (A1 sobre π1) e vertical (A2 sobre π2). Fonte: os autores Dentro do campo de conhecimento do desenho e da represen- tação gráfica, o elemento geométrico mais simples é o ponto. O ponto é um local no espaço e não possui as dimensões de altura, largura e profundidade. Ele não possui massa e é uma abstração que permite o balizamento das diversas geometrias possíveis, das mais simples às mais complexas. Assim, para iniciar o estudo do ponto deve-se compreender sua nomenclatura e as coordenadas que definem seu posicionamento. Quanto à nomenclatura, um ponto é sempre denominado por uma letra latina maiúscula, seguida de um índice que definirá seu po- sicionamento ou o de suas projeções. A figura ilustra um ponto A posicionado no primeiro diedro. Neste trabalho convencionamos chamar o ponto no espaço (diedro) pela letra maiúscula sem índi- ce, sua projeção em p1 pela letra maiúscula seguida do índice 1, e sua projeção em p2 pela mesma letra seguida do índice 2. Um raio projetante passando por A na direção de π1 gera uma “imagem” (ou projeção) desse ponto nesse plano. O mesmo ocor- re no plano π2. A “imagem” de A em π1 chama-se A1 e a imagem de A em π2 chama-se A2. Porém, há a necessidade de localizar esse ponto em uma posição única do espaço, de modo a impedir a am- biguidade na leitura. Um ponto, então, recebe três coordenadas para ser fixado no es- paço: abscissa, cota e afastamento. A ordem com que essas coor- denadas são organizadas varia entre os autores. A separação entre os valores, para fins de notação, será feita com ponto e vírgula (;) e estarão entre parênteses. Havendo valores não inteiros, eles se- rão separados por vírgula (,). Assim, um ponto P com abscissa 3, cota 2 e afastamento 1 teria a seguinte notação: P (3; 2; 1) 17 Figura 11: Ponto A, localizado no primeiro diedro e suas respectivas projeções horizontal (A1 sobre π1) e vertical (A2 sobre π2). A distância entre a projeção A1 e o plano π2 é denominada afastamento, enquanto que a distância entre a projeção A2 e o plano π1 é denominada cota. Fonte: os autores 2. Estudo do ponto Abscissa: é um valor dado pela posição de um ponto em relação à π1π2 (linha de terra). O valor zero (0) é arbitrado. À direita do zero têm-se valores positivos e à esquerda, negativos; Cota: é um valor obtido pelo posicionamento do ponto em relação ao plano horizontal. Também se pode dizer que é a altura do pon- to. O valor zero (0) significa que o ponto se encontra sobre o plano horizontal (p1). Os valores positivos encontram-se acima do pla- no horizontal (1º e 2º diedros) e os valores negativos encontram-se abaixo (3º e 4º diedros). Afastamento: é um valor obtido pelo posicionamento do ponto em relação ao plano vertical. O valor zero (0) significa que o ponto não se desloca em relação a esse plano, ou seja, está sobre o próprio plano vertical (p2). Os valores positivos encontram-se à frente do plano vertical (1º e 4º diedros) e os valores negativos encontram-se atrás (2º e 3º diedros). A figura 11 mostra as coordenadas associadas ao ponto. Pode-se ainda dar nomes específicos às porções dos planos verti- cal e horizontal seccionados pela linha de terra. O plano horizontal será chamado de anterior (PHA) e posterior (PHP) conforme sua porção estiver antes ou depois do plano vertical. O plano vertical será chamado superior (PVS) ou inferior (PVI) conforme sua porção estiver acima ou abaixo do plano horizontal. 18 Figura 12: Rebatimento dos planos de projeção (π1 sobre π2) e a formação da épura, incluindo a repre- sentação da cota e afastamento do ponto A. Fonte: os autores 2. Estudo do ponto Para a representação bi projetiva do ponto A, conforme proposta pelo sistema de Monge, faz-se a coincidência do plano horizontal posterior (PHP) com o plano vertical superior (PVS) e do plano hori- zontal anterior (PHA) com o plano vertical inferior (PVI). A sequência ilustra o processo de construçãoda épura. Assim todo objeto tridi- mensional passa a ser representadado em Épura por duas projeções. Na épura não aparece mais o ponto A e sim sua dupla projeção, com uma imagem no plano vertical e outra no plano horizontal. Relembrando os sinais das coordenadas e o movimento de giro dos diedros, percebe-se que o ponto A possui cota positiva e afastamento positivo, sendo, portanto, um ponto localizado no primeiro diedro. A2 A1 R1 P2 R2 P1 Figura 13: Projeções horizontal e vertical (afastamento e cota) de pontos situados em diferentes diedros Fonte: os autores 19 Exercício 1) Dar a épura dos pontos e dizer a qual diedro ou semiplano pertence. (A) [-1;-2;-1] (B) [0;1,5;-2] (C) [1,5;1; 1,5] (D) [3;0;2] (E) [-4; -4; -4] (F) [-3;0;0] 2. Estudo do ponto F2≡G2 B2≡C2 E2≡H2 A2≡D2 A1≡E1 C1≡G1 D1≡H1 B1≡F1 (B) (C) (A) (D) (G)(F) (E) (H) Figura 14: projeções horizontal e vertical de pontos definindo os vértices de um sólido. Fonte: os autores 21 3. Estudo da reta Figura 16: Projeção de um segmento de reta (r) em um plano (α). Fonte: os autores. Uma reta será nomeada por dois de seus pontos ou por uma letra latina minúscula. Por exemplo, reta AB com suas projeções A1 B1 e A2 B2 ou reta r com suas projeções r1 e r2. A reta é uma entidade unidimensional infinita, cuja definição geométrica pode ser o arco de uma circunferência de raio infinito. Obviamente, para possibilitar o estudo de suas características, considera-se uma parte desse ente geométrico. Os postulados que se fizerem verdadeiros para um seguimento da reta, o serão também para o todo. A forma mais simples de construção de uma reta é dada pelo conhecimento da posição de dois de seus pontos. Conhecendo-se a posição dos dois pontos pode-se traçar uma e somente uma reta. A representação da projeção de uma reta sobre um plano poderá ba- sear-se em três posições: paralela, oblíqua e perpendicular. De acordo com a posição das retas no espaço teremos uma repre- sentação no plano de projeção. No caso onde é observado o paralelismo da reta r em relação ao plano α há a representação exata de r em α (r´), ou seja, o com- primento da reta é projetado em α sem alteração. Diz-se que r´é a verdadeira grandeza (V.G.) de r em α. No caso onde é observada a obliquidade de r em relação a α, r e r´são diferentes. No caso do perpendicularismo deve-se observar que a reta r projetada em α (r´) se reduz a um ponto. Figura 15: Projeção horizontal de um segmento de reta (A)(B) e sua continuidade para ambos os lados. Fonte: os autores 22 Figura 17: Retas reversas ou não coplanares. Fonte: os autores. 3.1 Posições relativas entre retas Duas retas no espaço podem ser: coplanares ou não coplanares. Dizemos que quando um plano não pode conter duas retas no plano, as retas são não coplanares ou reversas, e portanto não podem definir um plano no espaço Quando duas retas definem um plano, são denominadas coplanares e podem ser paralelas ou concorrentes. b r b aA B C D Figura 18: Retas paralelas e concorrentes. Fonte: os autores. 22 23 3.1 Posições relativas entre retas As retas concorrentes se interceptam e podem se posicionar no espaço de três formas: a) O ponto de intersecção das retas apresenta-se alinhado com as projeções horizontal e vertical. Observe na figura 19 que as projeções verticais A2B2 e C2D2 encontram-se na projeção M2 e as projeções horizontais A1B1 e C1D1 encontram-se em M1. Note que, sendo M um ponto, suas projeções M1 e M2 devem estar na mesma abscissa. b) Duas projeções das retas apresentam-se coincidentes, e as ou- tras se interceptam. Observe na figura 20 que, estando as duas re- tas em um plano perpendicular ao plano de projeção (α), as proje- ções A1B1 e C1D1 apresentam-se coincidentes. Do mesmo modo, se o ponto de intersecção entre essas retas for M, as projeções M1 e M2 devem estar na mesma abscissa. Figura 19: Os segmentos de reta (A)(B) e (C)(D) interceptam-se no ponto (M). Fonte: os autores. B A D M M1 A1 D1 C C1 B1 A1 D1 C1 B1 M2 M1 B2 C2 D2 A2 B A D M M� A� D� C C� B� A� D� C� B� M� M� B� C� D� A� Figura 20: Os segmentos de reta (A)(B) e (C)(D) interceptam-se no ponto (M). Fonte: os autores. 24 3.1 Posições relativas entre retas c) Umas das projeções das retas é um ponto localizado sobre a projeção da outra reta. Observe na figura 21 que, sendo uma das retas – (A)(B) – perpendicular ao plano de projeção (α), sua proje- ção se reduz a um ponto. As retas paralelas podem se posicionar no espaço de três formas: a) quando suas projeções se apresentam paralelas na projeção horizontal e vertical. Observe na figura 22 que as retas p e q sendo paralelas no espaço geram projeções horizontais paralelas entre si (p1 e q1) e projeções verticais também paralelas entre si (p2 e q2). Figura 21: Os segmentos de reta (A)(B) e (C)(D) interceptam-se no ponto (M) com a projeção da reta (A)(B) se reduzindo a um ponto congruente com a projeção M1 Fonte: os autores. B A D M M�≡A�≡B� D� C C� D� C� M� B� C� D� A� M�≡A�≡B� p q qq p� q� q�p� q� p� Figura 22: Os segmentos de reta (p) e (q) paralelos no espaço geram projeções horizontais paralelas entre si e verticais paralelas entre si. Fonte: os autores. 24 25 3.1 Posições relativas entre retas b) quando duas de suas projeções coincidem e as outras se apre- sentam paralelas. Observe na figura 23 que, estando as duas retas paralelas em um plano perpendicular ao plano de projeção (α), as projeções das retas nesse plano coincidem. c) quando numa de suas projeções as retas estão reduzidas a um ponto e na outra são retas paralelas. Figura 23: Os segmentos de reta (p) e (q) paralelos no espaço geram projeções horizontais coincidentes e verticais paralelas entre si. Fonte: os autores. p q p� q� p�≡q� q�≡p� p q p�q� p� q� p� q� Figura 24: Os segmentos de reta (p) e (q), paralelos no espaço, estão situados em um plano perpendicular ao plano de projeção (α) e portanto suas projeções horizontais (p1 e q1) são pontuais. Fonte: os autores. 26 Figura 26: À esquerda, vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, oblíqua ao plano π₁ e paralela ao plano π2. À direita a épura a ser completada com as projeções r1 e r₂. Fonte: os autores 3.2 Posições da reta em relação aos planos de projeção Figura 25 : À esquerda, vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, paralela ao plano π1 e oblíqua ao plano π2. À direita a épura a ser completada com as projeções r1 e r2. Fonte: os autores Conforme a posição que uma reta assume em relação aos planos de projeção π1 e π2, ela assumirá características diferentes e, por- tanto, nomes específicos. Considerando haver dois planos de pro- jeção e 3 posições específicas da reta (paralelismo, perpendicula- ridade e obliquidade), pode-se enumerar 7 tipos de reta. 1. Reta Horizontal ou De Nível: é paralela ao plano horizontal (π1) e oblíqua ao plano vertical (π2). Na figura abaixo, à esquerda, po- de-se observar a reta (r), posicionada espacialmente paralela ao plano π1 e oblíqua ao plano π2, gerando projeção r1 oblíqua à L.T. e em V.G. e projeção r2 fora de V.G e paralela à L.T. 2. Reta Frontal ou De Frente: é oblíqua ao plano horizontal (π1) e paralela ao plano vertical (π2). Perspectiva no primeiro diedro Épura Perspectiva no primeiro diedro Épura 26 27 Figura 27: À esquerda, vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, paralela ao plano π1 e perpendi- cular ao plano π2. À direita a épura a ser completada com as projeções r1 e r2. Fonte: os autores 3.2 Posições da reta em relação aos planos de projeção 3. Reta De Topo: é paralela ao plano horizontal (π1) e perpendicular ao plano vertical (π2). 4. Reta Vertical: é perpendicular ao plano horizontal (π1) e paralela ao plano vertical (π2). Figura 28: À esquerda, vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, perpendicular ao plano π1 e pa- ralela ao plano π2. À direita a épura aser completada com as projeções r1 e r2. Fonte: os autores Perspectiva no primeiro diedro Épura Perspectiva no primeiro diedro Épura 28 Figura 29 : À esquerda, vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, paralela ao plano π1 e paralela ao plano π2. À direita a épura a ser completada com as projeções r1 e r2. Fonte: os autores 3.2 Posições da reta em relação aos planos de projeção 5. Reta Fronto-Horizontal: é paralela ao plano horizontal (π1) e ao vertical (π2). 6. Reta de Perfil: é oblíqua ao plano horizontal (π1) e ao plano ver- tical (π2). Porém ela é ortogonal à linha de terra (π1π2), resultando em projeções vertical e horizontal perpendiculares a linha de terra. Figura 30: À esquerda, vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, oblíqua ao plano π1 e oblíqua ao plano π2 . À direita a épura a ser completada com as projeções r1 e r2. Fonte: os autores Perspectiva no primeiro diedro Épura Perspectiva no primeiro diedro Épura 28 29 Figura 31: À esquerda, vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, oblíqua ao plano π1 e oblíqua ao plano π2. À direita a épura a ser completada com as projeções r1 e r2. Fonte: os autores 3.2 Posições da reta em relação aos planos de projeção 7. Reta Qualquer: é oblíqua ao plano horizontal (π1), ao plano ver- tical (π2) e à linha de terra (π1π2) resultando em projeções horizon- tal e vertical também oblíquas à linha de terra. Pode-se observar pelos desenhos apresentados nos diedros ante- riores que, prolongando as retas nas direções do plano horizontal e/ou vertical (exceto a reta fronto-horizontal) haverá um ou dois pontos (um no plano horizontal e outro no vertical, ou em apenas um dos dois) em que a reta atravessará esse plano (ou esses pla- nos). Esse ponto é denominado traço da reta. Perspectiva no primeiro diedro Épura 30 Figura 32 : Vista tridimensional da reta (r) no primeiro diedro, oblíqua aos dois planos de proje- ção e apresentando traço H, de projeções H1 e H2 e também apresentando traço V, de projeções V1 e V2. Fonte: os autores 3.3 Traço de reta O ponto onde a reta fura ou atravessa um plano de projeção cha- ma-se Traço da Reta. No caso de furar o plano vertical, diz-se que a reta possui traço vertical e representa-se pela letra V. O traço vertical é um ponto de afastamento nulo (a projeção V1 sempre estará sobre a L.T). No caso de furar o plano horizontal, diz-se que a reta possui traço horizontal e representa-se pela letra H. O traço horizontal é um ponto de cota nula (a projeção H2 sempre estará sobre a L.T). Se uma reta é paralela a ambos os planos de projeção (reta frontori- zontal) ela não possui traço. Se a reta é oblíqua ou perpendicular ao plano π2 (retas horizontal e de topo) ela irá perfurá-lo no ponto chamado de (V). Se a reta é oblíqua ou perpendicular ao plano π1 (retas frontal e vertical) ela irá perfurá-lo no ponto chamado (H). Se a reta for oblíqua a ambos os planos de projeção (retas qual- quer e de perfil) ela irá perfurá-los em dois pontos, o plano π1 em (H) e o plano π2 em (V), conforme a figura 32. Conforme pode ser observado, a reta r (uma reta qualquer) atra- vessa o plano vertical em V e o plano horizontal em H. A projeção de V em π2 e de H em π1, coincidem com os próprios pontos, já que o primeiro possui afastamento nulo e o segundo possui a cota nula. Para fins de notação, representam-se, nesse livro, apenas as projeções (V2 e H1). A projeção de H sobre π2 e de V sobre π1 esta- rão sempre na linha de terra. Simplificando: V1 e H2 estarão sem- pre sobre π1π2. A partir da determinação do(s) traço(s) da reta, poderá se determi- nar a posição exata de sua mudança de Diedro. No exemplo mos- trado, trata-se de uma reta de 1º Diedro. O traço vertical indica a passagem da reta do primeiro para o segundo e o traço horizontal indica a passagem do primeiro para o quarto. 30 31 Figura 33: À esquerda, vista tridimensional do ponto (A) pertencente à reta (r), no primeiro diedro. A proje- ção A2 está sobre r2 e a projeção A1 está sobre r1. À direita a épura a ser completada com as projeções r1 e r2. Fonte: os autores 3.4 Pertinência de um ponto à uma reta Um ponto pertence a uma reta quando as projeções desse pon- to estiverem sobre as projeções de mesmo sub-ìndice da reta. Há uma exceção: a reta de perfil. No caso da reta de perfil há que se realizar um rebatimento da reta de modo a verificar se o ponto efetivamente pertence à reta. Perspectiva no primeiro diedro A reta qualquer ilustrada apresenta o ponto A sobre as suas projeções vertical horizontal. Logo: A∈r Épura 32 Figura 34: À esquerda, vista tridimensional dos pontos (A) e (B), pertencentes à reta (r), no primeiro diedro. À direita, execução tridimensional do rebatimento que possibilitará a verificação da pertinência. Fonte: os autores 3.4 Pertinência de um ponto à uma reta Perspectiva no primeiro diedro A reta de perfil ilustrada apresenta o ponto A e o ponto B sobre as suas projeções vertical e horizontal. Contudo, observando-se a perspectiva, fica claro que o ponto B não pertence à reta. Para esclarecer se o ponto pertence ou não à reta, deve-se proceder ao seu rebatimento. Esse rebatimento será feito sobre o plano verti- cal ou horizontal. Aqui é ilustrado sobre o plano vertical. Rebatimento O rebatimento da reta r sobre π2 ilustrado abaixo permite visuali- zar o giro descrito pela reta até o plano vertical. A cota permanece a mesma. Assim, pode-se ter certeza de que o ponto A pertence a r e o ponto B não. Embora as projeções horizontal e vertical de B estejam sobre as projeções horizontal e vertical da reta, ao olhar- mos a reta rebatida (r0) vê-se que B0 não pertence a r0. 32 33 Figura 35: Rebatimento executado em épura. Verificou-se que as projeções A2 e B2 estão sobre r2 e as projeções A1 e B1 estão sobre r1. Fonte: os autores 3.4 Pertinência de um ponto à uma reta A 2 B 2 r 2 A 0 B 0 r 0 A 1 B 1 r 1 � 2 � 1 � 1 � 2 34 Exercícios 1) Determine os traços H e V nas projeções do seguimento AB nas épuras abaixo. 2) Demostre graficamente se o ponto A pertence ao seguimento BC e responda. A� B� B� A� B� B� A� A� A� C� B� A� B� C� B� B� A� A� C� C� A� B� B� A� B� B� A� A� A� C� B� A� B� C� B� B� A� A� C� C� 34 35 Exercícios 3) Dada a reta (A) [0; -2; -1] (B) [4; 2; 2,5] pede-se: a) Sua épura; b) Seus traços (em épura); c) Os diedros que ela atravessa; d) O desenho em três dimensões mostrando a situação da reta no espaço; 37 Figura 36: À esquerda plano definido pelos pontos A, B e C. À direita plano definido pela reta r e pelo ponto A, for dela. Fonte: os autores Um plano é um ente geométrico infinito, caracterizado por duas dimensões. Em comparação com a reta, que pode ser determina- da por dois pontos, em Geometria Descritiva um plano pode ser determinado de diversas maneiras: 4. Estudo do Plano Figura 37: À esquerda plano definido pelos pontos A, B e C. À direita plano definido pela reta r e pelo ponto A, for dela. Fonte: os autores 38 Figura 38: Plano definido pelos seus traços vertical απ2 e horizontal απ1. Fonte: os autores 4. Estudo do Plano Por sua reta de maior declive A reta de declive de um plano, faz com o plano horizontal o maior angulo possível e forma com o traço horizontal deste plano um an- gulo reto. Esta reta por si só define um plano.a α Figura 39: Plano definido pela sua reta de maior declive, cuja projeção horizontal é perpendicular ao traço horizontal do plano. Fonte: os autores 39 Figura 40: À esquerda, triângulo ABC pertencente a plano α, paralelo ao plano de projeção β, geran- do projeção em V.G. No centro, triângulo ABC pertencente ao plano α, oblíquo ao plano de projeção β, gerando projeção fora de V.G. À direita, triângulo ABC pertencente a plano α, perpendicular ao plano de projeção β, gerando projeção fora de V.G. Fonte: os autores O plano será estudado a partir de seus traços. Um plano pode as- sumirtrês posições em relação a outro plano: Paralelo Sendo α e β paralelos entre si, o triângulo de α aparece projetado em verdadeira grandeza no plano β. Oblíquo Sendo α e β oblíquos entre si, o triângulo de α não aparece proje- tado em verdadeira grandeza no plano β. Perpendicular Sendo α e β perpendiculares entre si, o triângulo de α aparece pro- jetado no plano β como uma reta. Da mesma maneira que a reta, um plano pode apresentar diferen- tes posições em relação aos planos de projeção. A combinação dessas posições em relação aos planos horizontal e vertical irá de- finir planos específicos caracterizados em épura pelo seus traços. O traço de um plano é a linha resultante da intersecção do plano em questão com os planos de projeção π1 e π2. 4.1 O traço do plano 40 Figura 41: À esquerda, vista tridimensional do triângulo ABC pertencente ao plano α, perpendicular ao plano π2 e paralelo ao plano π1, gerando projeção A1B1C1 em V.G. À direita a épura a ser completada com as projeções horizontal e vertical da figura. Fonte: os autores Existem sete tipos de planos: 1. Plano Horizontal: é paralelo ao plano horizontal (π1) e perpendi- cular ao plano vertical (π2). Este posicionamento faz com que o pla- no horizontal intercepte somente o plano π2, gerando, em épura, o traço vertical paralelo a linha de terra. Observe o triângulo ABC. Ele pertence ao plano α. Considerando os lados do triângulo, podem- -se completar as retas que pertencem ao plano horizontal. Retas que pertencem ao plano horizontal Nome da reta: Horizontal, Topo e Fronto-horizontal Indicação no desenho 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção Perspectiva no primeiro diedro Épura 41 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção 2. Plano Frontal: é perpendicular ao plano horizontal (π1) e parale- lo ao plano vertical (π2). Este posicionamento faz com que o plano frontal intercepte somente o plano π1, gerando, em épura, o traço horizontal paralelo a linha de terra. Observe o triângulo ABC. Ele pertence ao plano α. Considerando os lados do triângulo, podem- -se completar as retas que pertencem ao plano frontal. Retas que pertencem ao plano horizontal Nome da reta: Frontal, Vertical, Fronto-horizontal Indicação no desenho Figura 42: À esquerda, vista tridimensional do triângulo ABC pertencente ao plano α, perpendicular ao plano π1 e paralelo ao plano π2, gerando projeção A2B2C2 em V.G. À direita a épura a ser completada com as proje- ções horizontal e vertical da figura. Fonte: os autores Perspectiva no primeiro diedro Épura 42 Figura 43: À esquerda, vista tridimensional do triângulo ABC pertencente ao plano α, oblíquo ao plano π1 e perpendicular ao plano π2, gerando ambas as projeções fora de V.G. À direita a épura a ser completada com as projeções horizontal e vertical da figura. Fonte: os autores 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção 3. Plano de Topo: é oblíquo ao plano horizontal (π1) e perpendicu- lar ao plano vertical (π2). Este posicionamento faz com que o plano de topo intercepte os dois planos π1 e π2, gerando, em épura, o tra- ço vertical obliquo à linha de terra e traço horizontal perpendicular à linha de terra. Observe o triângulo ABC. Ele pertence ao plano α. Considerando os lados do triângulo, podem-se completar as retas que pertencem ao plano de topo. Retas que pertencem ao plano horizontal Nome da reta: De Topo, Frontal e Qualquer Indicação no desenho Perspectiva no primeiro diedro Épura 43 4. Plano Vertical: é oblíquo ao plano vertical (π2) e perpendicular ao plano horizontal (π1). Este posicionamento faz com que o pla- no vertical intercepte os dois planos π1 e π2, gerando, em épura, o traço vertical perpendicular à linha de terra e traço horizontal obliquo à linha de terra. Observe o triângulo ABC. Ele pertence ao plano α. Considerando os lados do triângulo, podem-se completar as retas que pertencem ao plano vertical. Retas que pertencem ao plano horizontal Nome da reta: Vertical, Horizontal e Qualquer Indicação no desenho 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção Figura 44: À esquerda, vista tridimensional do triângulo ABC pertencente ao plano α, oblíquo ao plano π2 e perpendicular ao plano π1, gerando ambas as projeções fora de V.G. À direita a épura a ser completada com as projeções horizontal e vertical da figura. Fonte: os autores Perspectiva no primeiro diedro Épura 44 Figura 45: À esquerda, vista tridimensional do triângulo ABC pertencente a plano α, perpendicular ao plano π1 e ao plano π2, gerando ambas as projeções fora de V.G. e perpendiculares à linha de terra. À direita a épura a ser completada com as projeções horizontal e vertical da figura. Fonte:os autores 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção 5. Plano De Perfil: é perpendicular ao plano vertical (π2) e perpen- dicular ao plano horizontal (π1). Este posicionamento faz com que o plano de perfil intercepte os dois planos π1 e π2, gerando, em épu- ra, o traço vertical perpendicular à linha de terra e traço horizontal perpendicular à linha de terra. Observe o triângulo ABC. Ele per- tence ao plano α. Considerando os lados do triângulo, podem-se completar as retas que pertencem ao plano de perfil. Perspectiva no primeiro diedro Épura 45 Figura 46: À esquerda, vista tridimensional do triângulo ABC pertencente a plano α, oblíquo aos planos π1 e π2, gerando ambas as projeções fora de V.G. À direita a épura a ser completada com as projeções horizontal e vertical da figura. Fonte: os autores 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção 6. Plano De Rampa ou Fronto-Horizontal: é oblíquo ao plano ver- tical (π2) e oblíquo ao plano horizontal (π1). Ambos os traços são paralelos à linha de terra (π1π2). Observe o triângulo ABC. Ele per- tence ao plano α. Considerando os lados do triângulo, podem-se completar as retas que pertencem ao plano de rampa. Perspectiva no primeiro diedro Épura 46 Figura 47: À esquerda, vista tridimensional do triângulo ABC pertencente a plano α, oblíquo aos planos π1 e π2, gerando ambas as projeções fora de V.G. À direita a épura a ser completada com as projeções horizontal e vertical da figura. Fonte: os autores 4.2 Posições do plano em relação aos planos de projeção 7. Plano Qualquer: é oblíquo ao plano vertical (π2) e oblíquo ao plano horizontal (π1). Os traços também são oblíquos à linha de terra (π1π2). Dos planos estudados, o plano qualquer é o único que admite quatro retas. Observe o quadrilátero ABCD. Ele pertence ao plano α. Considerando os lados do quadrilátero, podem-se com- pletar as retas que pertencem ao plano qualquer. Perspectiva no primeiro diedro Épura 47 Figura 48: À esquerda, vista tridimensional da reta r, pertencente a plano α, com traços V sobre απ2 e H sobre απ1 e um ponto A pertencente a r e, consequentemente, pertencente a α. À direita a épura a ser completada com as projeções horizontal e vertical da figura. Fonte: os autores Conforme foi observado, cada tipo de plano contém determina- dos tipos de retas. Considerando que a reta é uma sequência de pontos, pode-se dizer que se o plano contém a reta, também con- tém os pontos que a ela pertencem. Também já foi estudado que uma reta, ao interceptar ou atraves- sar os planos de projeção apresenta seus traços (H e V ou pontos onde ela muda de diedro). Um plano, quando identificado pelo(s) traço(s) também mostra sua passagem de um diedro para outro. Portanto, uma reta pertencerá a um plano quando o(s) seu(s) tra- ço(s) estiver(em) sobre o(s) traço(s) de mesmo índice(s) do plano, ou seja, o traço da reta será um ponto do traço do plano. Logo, um ponto pertencerá a um plano quando pertencer à uma reta que pertença àquele plano. Perspectiva no primeiro diedro O plano α (plano qualquer), dado pelos traços, contém a reta r (uma reta qualquer), uma vez que os traços vertical e horizontal da reta encontram-se sobre os traços horizontal e vertical do pla- no. O pontoA está sobre a reta, como pode ser confirmado nas projeções horizontal e vertical do ponto, as quais coincidem com as projeções horizontal e vertical da reta r. Logo, A ∈ r, r ∈ α e A ∈ α. Épura O plano α contém o ponto A. Conhecendo sua projeção vertical, encontre a projeção horizontal. 4.3 Pertinência de ponto e reta ao plano Perspectiva no primeiro diedro Épura 48 Figura 49: Reta do tipo horizontal (q) pertencendo ao plano do tipo qualquer (β). Além do traço vertical (V) estar sobre βπ2, a projeção q1 está paralela a βπ1. Fonte: os autores 4.3 Pertinência de ponto e reta ao plano A condição de pertinência de ‘o traço da reta estar contido sobre o traço do plano’ é uma condição necessária porém não é suficiente em alguns casos. Por exemplo a reta do tipo horizontal relativa a um plano qualquer: embora a reta não apresente traço horizontal, para que ela esteja contida no plano qualquer a sua projeção ho- rizontal deve estar paralela ao traço horizontal do plano além do traço vertical (V) da reta estar sobre o traço vertical do plano. Reta do tipo frontal relativa a plano qualquer: embora a reta frontal não apresente traço vertical, para que ela esteja contida no plano qualquer a sua projeção vertical deve estar paralela ao traço verti- cal do plano além do traço horizontal (H) da reta estar sobre o traço horizontal do plano. Reta do tipo fronto-horizontal relativa ao plano de rampa A reta fronto-horizontal não apresenta nenhum dos traços, além disso suas projeções já são paralelas aos traços do plano. Nesse caso, para estabelecer a relação de pertinência temos dois méto- dos: rebate-se a V.G do plano para verificar a pertinência da reta ou se faz essa verificação através da intersecção de uma reta qualquer. Figura 50: Reta do tipo frontal (r) pertencendo ao plano do tipo qualquer (α). Além do traço horizontal (H) estar sobre απ1, a projeção r2 está paralela a απ2. Fonte: os autores β� 2 � 1 � 2 q� β� 1 V≡V 2 V� q� r� α�2 �1�2 r� α�1 H2 H1≡H2 49 4.3 Pertinência de ponto e reta ao plano Método 1: por rebatimento Projeta-se a V.G. do plano de rampa num plano de perfil auxiliar (chamado rebatido -R-), juntamente com a projeção da reta fron- to-horizontal. Nessa projeção consegue-se perceber se a reta está realmente sobre o plano. No primeiro exemplo, observa-se no re- batimento do plano que a reta (r) está exatamente sobre o traço do plano, enquanto que no segundo exemplo a projeção auxiliar da reta (s) caiu fora do traço do plano. Figura 51: Reta do tipo fronto-horizontal (r) pertencendo ao plano do tipo rampa (α). A reta não possui tra- ços, mas pode-se observar que, no rebatimento, a projeção da reta fica exatamente sobre a projeção do pla- no, confirmando a pertinência. Fonte: os autores Figura 52: Reta do tipo fronto-horizontal (s) não pertencendo ao plano do tipo rampa (β). A reta não possui traços, mas pode-se observar que, no rebatimento, a projeção da reta fica fora da projeção do plano. Fonte: os autores r� rR α� 2 β� 2 α R � 1 � 2 α� 1 β� 1 r� S1 S2 SR α� 2 β� 2 α R � 1 � 2 α� 1 β� 1 50 1. Representar o plano de topo que contém o ponto P e as retas específicas do plano que passam por P. 2. Determinar a projeção vertical da reta fronto- -horizontal que pertence ao plano de rampa α. Exercícios 51 Exercícios 3. Representar em épura os seguintes planos e um ponto sobre eles: a) Horizontal, de cota 2 cm. b) Topo, formando 30º com π1. c) Vertical, formando 45º com π2. d) Rampa, cota 3 cm e afastamento 4 cm. 4. Determinar a projeção vertical do triângulo ABC pertencente ao plano α. A (0; ?; 3) B (2; ?; 1) C (3; ?; 2) 52 Exercícios 5. Sendo dada somente uma das projeções das retas abaixo, mas sabendo-se que elas perten- cem aos planos, complete a projeção faltante. 53 Exercícios 6. Determine os traços das retas abaixo e o tra- ço do plano de mesmo nome das retas. 54 Exercícios 7. Determinar as projeções faltantes dos qua- driláteros abaixo, sabendo que eles pertencem aos respectivos planos. 55 Figura 53: Exemplo 1 - Plano qualquer x plano qualquer Fonte: os autores Quando duas retas se interceptam, resulta um ponto. Quando dois planos se interceptam, resulta uma reta, a qual deverá pertencer aos dois planos ao mesmo tempo. Portanto, é muito importante ter clareza nas retas que pertencem aos diver- sos planos já estudados. Para um melhor entendimento desse tema, têm-se diversos exemplos. Observando a intersecção entre os planos α e β, constata-se que o traço verti- cal da reta resultante (r) é o resultado da intersecção dos traços verticais dos planos. Ou seja, o ponto V (traço vertical de r) pertence, simultaneamente, a απ2 e a βπ2. O ponto H (traço horizontal de r) pertence, simultaneamente, a απ1 e a βπ1. A reta r pertence aos dois planos ao mesmo tempo. Pode-se ainda considerar separadamente os dois planos. Analisando o plano alfa, tem-se que H e V da reta r estão sobre os traços horizontal e vertical do plano. Analisando o plano beta, tem-se também H e V da reta r sobre os traços horizontal e vertical do plano. Logo, r é uma reta comum aos dois planos. Construindo-se a épura, tem-se que a reta r é uma reta que pertence ao plano qualquer, portanto, possível de ser obtida nesse tipo de intersecção. Intersecção de planos Dados pelos traços Plano qualquer x plano qualquer Épura: A reta é: 56 Figura 54 : Exemplo 2 - Plano qualquer x plano qualquer Fonte: os autores Intersecção de planos Observando a intersecção entre os planos α e β, constata-se que o traço verti- cal da reta resultante (r) é o resultado da intersecção dos traços verticais dos planos. Ou seja, o ponto V (traço vertical de r) pertence a απ2 e a βπ2. O ponto H (traço horizontal de r) pertence a απ1 e a βπ1. A reta r pertence aos dois planos ao mesmo tempo. Construindo-se a épura, tem-se que a reta r é uma reta que pertence ao plano qualquer, portanto, possível de ser obtida nesse tipo de intersecção. Plano qualquer x plano qualquer Épura: A reta é: 57 Figura 55 : Exemplo 3 - Plano qualquer x plano qualquer Fonte: os autores Intersecção de planos Observando a intersecção entre os planos α e β, constata-se que o traço verti- cal da reta resultante (r) é o resultado da intersecção dos traços verticais dos planos. Ou seja, o ponto V (traço vertical de r) pertence a απ2 e a βπ2. Contudo, nesse caso os traços απ1 e βπ1 são paralelos, ou seja, não terão intersecção. As- sim a reta r não terá traço horizontal. Deve-se buscar nas retas que pertencem ao plano qualquer uma que atenda às características apresentadas: paralela ao plano horizontal e oblíqua ao vertical. Construindo-se a épura, tem-se que a reta r é uma reta que pertence ao plano qualquer, portanto, possível de ser obtida nesse tipo de intersecção. Plano qualquer x plano qualquer Épura: A reta é: 58 Figura 56: Exemplo 3 - Plano qualquer x plano qualquer Fonte: os autores Intersecção de planos Observando a intersecção entre os planos α e β, constata-se que o traço hori- zontal da reta resultante (r) é o resultado da intersecção dos traços horizontais dos planos. Ou seja, o ponto H (traço horizontal de r) pertence a απ1 e a βπ1. Contudo, nesse caso os traços απ2 e βπ2 são paralelos, ou seja, não terão in- tersecção. Assim a reta r não terá traço vertical. Deve-se buscar nas retas que pertencem ao plano qualquer uma que atenda às características apresenta- das: paralela ao plano vertical e oblíqua ao horizontal. Construindo-se a épu- ra, tem-se que a reta r é uma reta que pertence ao plano qualquer, portanto, possível de ser obtida nesse tipo de intersecção. Pode-se ainda obter retas de intersecção que estejam fora do primeiro diedro. Plano qualquer x plano qualquer Épura: A reta é: 59 Figura 57: Exemplo 4 - Plano qualquer x plano qualquer Fonte: os autores Intersecção de planos Conforme pode ser observado, a reta r (uma reta qualquer) atravessa o plano vertical em V e o plano horizontal em H. Contudo,nesse caso em particular, pode-se observar que a reta r está no 3º Diedro. A posição dos traços da reta de intersecção nos diversos diedros é conse- quência das características da posição espacial dos planos que estão se in- terceptando. Na sequência, tem-se a intersecção entre dois planos de rampa. Foi visto que a intersecção entre dois planos do tipo qualquer permite a configuração dos quatro tipos de reta que pertencem a esse plano. Plano qualquer x plano qualquer Épura: A reta é: 60 Figura 58: Exemplo 1 - Plano de rampa x plano de rampa Fonte: os autores Intersecção de planos O plano de rampa varia a cota do traço vertical e o afastamento do traço ho- rizontal, mas a sua posição espacial é sempre semelhante: os traços são pa- ralelos à linha de terra (π1π2). Assim, a reta possível na intersecção entre dois planos de rampa é uma reta fronto-horizontal. Essa reta poderá estar localiza- da em qualquer diedro. A figura ilustra a intersecção entre dois planos de rampa α e β. Em perspecti- va é fácil observar a posição da reta no primeiro diedro, mas em épura, como seria possível determinar a cota e o afastamento da reta? Olhando a partir da esquerda no desenho em perspectiva notam-se os limites dos planos α e β e que eles se encontram em um ponto de r. Pode-se supor que esses limites também são o resultado de uma intersecção entre planos, por exemplo, entre um plano de perfil e um plano de rampa. No caso da figura, ao ser inserido um plano de perfil, haveria como resultado duas retas de perfil, as quais se cruzam em um ponto, que pertencerá à reta de intersecção entre os planos de rampa e fornecerá a cota e o afastamento dessa reta. Plano de rampa x plano de rampa Épura: 61 Figura 59: Exemplo 2 - Plano de rampa x plano de rampa Fonte: os autores Intersecção de planos O plano de perfil γ gera duas retas de intersecção: a reta s (resultado da inter- secção de γ com α) e a reta t (resultado da intersecção de γ com β). As retas s e t interceptam-se segundo o ponto A, o qual é um ponto da reta r (intersecção entre α e β). Sendo r uma reta fronto-horizontal e determinando-se um ponto dessa reta, podem-se determinar as projeções horizontal e vertical da reta, pois ela pos- sui afastamento e cota constantes. Em épura, deve-se rebater s e t, de modo a encontrar o ponto A e determinar sua cota e seu afastamento. Além de um plano de perfil, é possível também encontrar um ponto da reta de intersecção entre os planos de rampa, a partir de um plano qualquer. Plano de rampa x plano de rampa Épura: 62 Figura 60: Exemplo 3 - Plano de rampa x plano de rampa Fonte: os autores Intersecção de planos O plano qualquer γ gera duas retas de intersecção: a reta s (resultado da inter- secção de γ com α) e a reta t (resultado da intersecção de γ com β). As retas s e t interceptam-se segundo o ponto A, o qual é um ponto da reta r (intersecção entre α e β). Poderá haver situações onde a intersecção entre os planos de rampa ocorra fora do primeiro diedro. Plano de rampa x plano de rampa Épura: 63 Figura 61: Exemplo 4 - Plano de rampa x plano de rampa Fonte: os autores Intersecção de planos A figura mostra a intersecção entre dois planos de rampa α e β. Diferentemen- te dos exemplos mostrados anteriormente, nesse caso a reta de intersecção r está localizada no segundo diedro. O procedimento de resolução para encon- trar um ponto sobre r segue o mesmo raciocínio já abordado. A épura ilustra um plano auxiliar qualquer γ traçado como apoio para encontrar um ponto da reta de intersecção r. Plano de rampa x plano de rampa Épura: 64 Figura 62 : Exemplo 1 - Plano frontal x plano horizontal Fonte:os autores A intersecção apresentada na figura diz respeito a um plano frontal α e um plano horizontal β. Conforme pode ser observado, a reta r de intersecção é uma reta fronto-horizontal. Outra particularidade, nesse caso, é que a projeção vertical da reta r está sobre o traço vertical de β e a projeção horizontal sobre o traço horizontal de α. A partir dessas observações, é possível empreender diversas possi- bilidades de intersecções entre os planos estudados. Destaque-se que no caso dos planos quaisquer, a intersecção dos traços vertical e horizontal possibilitava a determinação dos traços vertical e hori- zontal da reta de intersecção. Contudo, isso nem sempre é possível, conforme foi observado no plano de rampa, onde se utilizou um terceiro plano como apoio para determinar a reta de intersecção. E deve-se também atentar para situações conforme apresentadas na intersecção entre um plano horizontal e um plano frontal, cujas projeções vertical e horizontal da reta, coincidem com os traços vertical (do plano horizontal) e horizontal (do plano frontal). Intersecção de planos Plano de frontal x plano de horizontal Épura: 65 Figura 63 : Plano de rampa e plano que passa pela linha de terra, sob o ponto de vista dos diedros e da épura. Fonte: os autores Plano de rampa: casos especiais O plano de rampa pode apresentar-se em duas situações bastante específicas, discriminadas aqui por exigirem alguns recursos es- peciais para a resolução de problemas. Plano que passa pela linha de terra Este plano de rampa corta, simultaneamente, os planos p1 e p2 exa- tamente na linha de terra (única intersecção entre os dois planos). A grande dificuldade em compreender este plano, assim como os demais elementos que a ele pertencem, reside no fato de que, em épura, seus dois traços se sobrepõem exatamente sobre a linha de terra, impossibilitando a visibilidade da inclinação do plano assim como de qualquer operação de pertinência executada até então. Podemos observar na figura 63 a comparação entre um plano de rampa genérico e o plano que passa pela linha de terra. O plano azul, designado por (f) é paralelo a (α), sendo ambos planos parale- los à linha de terra (plano de rampa). Note que (f) passa exatamen- te pela linha de terra, mas (α) não. A consequência desse posiciona- mento é que (α) apresenta traço vertical e horizontal, enquanto os traços de (f) se confundem com a linha de terra (figura 63). Épura: 66 Figura 65: No caso de um plano de rampa que passa pela linha de terra, esse procedimento não será mais pos- sível, pois não temos como visualizar a V.G. do plano. Fonte:os autores Plano de rampa: casos especiais Em se tratando de avaliar a pertinência de um ponto a um plano de rampa, obtém-se facilmente pelo rebatimento desse plano em p3, conforme mostra a figura 64. Em compensação, quando tratamos de um ponto pertencendo a plano que passa pela linha de terra, não há como fazer rebatimento e a afirmação se inverte: Se (A) per- tence a (f), então sabemos sua inclinação em V.G. (figura 65) Figura 64: No caso de um plano de rampa convencional, para sabermos se o ponto (A) pertence ao plano, basta realizarmos um rebatimento da imagem em plano auxiliar p3. Fonte: os autores 67 Figura 66 : Partindo-se da premissa de que o ponto (A) pertence a (f) e que (f) passa pela linha de terra, exe- cuta-se o rebatimento de (A) em p3 e descobre-se a inclinação de (f). Fonte: os autores Plano de rampa: casos especiais Para a situação de pertinência de reta a plano, temos no exemplo abaixo o plano (f) e duas retas: (A)(B) e (A)(C). Note que o ponto (A) encontra-se na linha de terra, como resultado do prolongamento tanto de (A)(B) quanto de (A)(C), ou seja, o ponto (A) também é traço (vertical e horizontal simultaneamente) de ambas as retas. Analisando essas condições, temos que tanto (A)(B) quanto (A)(C) têm seus traços sobre os traços do plano e, no entanto, apenas (A) (B) pertence ao plano. Essa informação a épura não nos dispõe. Figura 67: Pertinência de reta a plano Fonte:os autores 68 Plano bissetor Um plano bissetor também é um plano que passa pela linha de ter- ra, mas mantém igual inclinação em relação a p1 e a p2. Essa con- dição faz com que todos os pontos desse plano tenham o mesmo valor de cota e afastamento, somente trocandoo sinal conforme o diedro em que se encontra. Os planos bissetores são apenas dois: Plano bissetor ímpar: atravessa o 1º e o 3º diedros Plano bissetor par: atravessa o 2º e o 4º diedros Exemplos de pontos pertencentes aos bissetores: Bissetor ímpar 1º diedro: (A) [0; 2; 2] Bissetor ímpar 3º diedro: (B) [2; -3; -3] Bissetor par 2º diedro: (C) [4; -5; 5] Bissetor par 4º diedro: (D) [3; 8; -8] 69 1. Determinar a intersecção entre os planos ao lado. Exercícios 70 2. Determinar a intersecção entre os planos ao lado. 3. Determinar a intersecção de um plano de rampa que contém a reta AB com um plano de topo que contém a reta CD e forma 45º com o π2. A (0; 3; 1) B (3; 1; 4) C (7; 2; 1) D (7; 2; 3) 4. Determinar a intersecção de um plano vertical com um plano de topo. 5. Determinar a intersecção de um plano ho- rizontal com cota igual a 2cm com um plano de perfil. 6. Determinar a intersecção de um plano de rampa com cota 3cm e afastamento igual ao dobro da cota com um plano horizontal de cota 2cm. 7. Determinar a intersecção de um plano ho- rizontal de cota 3cm cmo um plano frontal de afastamento 2cm. Exercícios 72 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Este capitulo apresenta como objetivo a integração da Geometria Descritiva com Álgebra Linear e Geometria Analítica sob o foco do tópico de interseção de planos. Nossa expectativa é que o aluno in- gressante em uma universidade tenha a possibilidade de dominar e manipular os conhecimentos técnicos e específicos de sua área de interesse. Assim apresentamos uma possibilidade de ampliar a integração nas primeiras disciplinas de um curso de engenharia buscando desenvolver as capacidades dos acadêmicos com dife- rentes abordagens de ensino. O problema prático – Como resolver um sistemas de equações utilizando a interseção entre planos da geome- tria descritiva. Para encaminhar uma solução, utilizaremos um sistema de dimen- são 3 como exemplo e sua resolução passo a passo apresentando paralelamente a resolução na Geometria Descritiva. No caso de um problema de três planos que se cruzam , se existe solução, esta é um ponto I (intersecção solução) no espaço. É impor- tante lembrar que nem sempre temos uma solução para este proble- ma, pois por exemplo , dois planos podem ser paralelos entre si, ou se os 3 planos se cruzam sobre a mesma reta de intersecção. Este ponto I é determinado através da identificação do cruzamen- to das retas de interseção dos planos dois a dois (retas r, s, t). O diagrama de conjuntos abaixo (figura 1) representa esta situação simplificada. Figura 01 : Representação da interseção entre três planos utilizando Diagrama de Van. As situações onde o problema não possui solução não serão apresentadas exemplo. Fonte: os autores 73 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Fundamentação Matemática - Álgebra Linear e Geometria Analítica. Um sistema linear possuindo m equações e n incógnitas (ou vari- áveis) é escrito usualmente na forma ao lado, onde aij são os coe- ficientes do sistema (1 ≤ i ≤ m linhas, 1 ≤ j ≤ n e colunas), xj são as variáveis (ou incógnitas) (1 ≤ j ≤ n) e bi são as constantes do vetor de termos independentes (1 ≤ i ≤ m). O mesmo sistema linear também pode ser apresentado sob a no- tação matricial: Ax = b. A resolução deste sistema linear consiste em calcular os valores de xj ( j = 1, ..., n), caso eles existam, que sa- tisfaçam as m equações simultaneamente. Sobre os tipos de soluções de um sistema de equações, o sistema pode ser impossível (ou incompatível) se não possui solução, pos- sível (ou compatível) se possui solução. Caso o sistema seja pos- sível então ele pode ser determinado se apresentar solução única ou indeterminado se possuir infinitas soluções, (LEON, 1998 ) nos capítulos 2 e 3. Existem alguns métodos de solução para os sistemas lineares, de- pendendo da dimensão do sistema, e condição da matriz inicial se esparsa ou não e/ou outros atributos. Os métodos: Eliminação de Gauss, método de Gauss-Jordan, inversão de matriz, fatoração LU e fatoração de Cholesky, e os métodos matemáticos iterativos de Jacobi e Gauss-Seidel, buscam em geral facilidades, precisão e eficiência “computacional” para cada caso de matriz inicial. 74 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Estudo de caso prático – O sistema com solução única. Apresentamos inicialmente o método formal conhecido como eli- minação de Gauss para resolver um sistema com três variáveis e três equações, e um método não convencional na geometria ana- lítica, onde fica bem muito evidente a interação entre as discipli- nas, para a solução do mesmo problema na geometria descritiva. É importante desde já, destacar que apesar do método ser não convencional, este é apresentado e sua característica marcante encontra-se na descrição de retas no espaço de dimensão 3, e não no espaço de dimensão 2 como veremos. Ao lado apresentamos o exemplo numérico. Dado o sistema: Resolução por eliminação de Gauss: Escrevendo a matriz aumentada do sistema, e escalonando: Reescrevendo o sistema escalonado: 75 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Resolvendo por retrosubstituição: Solução: ( 2, 3, 5). 76 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 2 : Planos apresentados pelas equações do sistema proposto. Fonte: os autores O método de resolução por eliminação de Gauss é eficiente e co- nhecido, porém importante questionar qual a sua relação com o conhecimento adquirido na Geometria descritiva? Como podemos demonstrar a interdisciplinaridade? Para atender estas questões foi desenvolvida uma resolução que percorre o mesmo caminho da Geometria Descritiva, isto é, a solução é encontrada após a de- terminação do cruzamento das retas de interseção entre os planos dois a dois, como será apresentado. Do sistema pode-se denominar três planos, cujo desenho se apresenta na figura 2. 77 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 3: Primeiro Diedro e eixos de referência X, Y, e Z apontados para o lado positivo. Fonte:os autores Todas as figuras deste foram desenhadas utilizando o software AutoCAD mantendo a correta posição espacial dos planos. Para a obtenção dos planos de projeção horizontal e vertical de projeção utilizamos o comando “retângulo”, e posteriormente o comando “região” para a sua visualização no ambiente de modelagem 3D. Os planos α, β e λ foram representados pela interceptação dos eixos X, Y e Z segundo o referencial apresentado na figura 3, uti- lizando para a sua visualização o mesmo comando “região” do AutoCAD na barra de ferramentas “desenho”. Uma observação importante é que a porção positiva do eixo X é a esquerda do zero na linha de terra e não a direita como apresen- tado em Principe Jr. (1980) (1970), somente desta forma o modelo 3D gerado pelo AutoCAD é encaixado no conceito de coordenadas do livro anteriormente citado. 78 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 4: Os três planos (α, β e λ) no sistema de referência, com a representação das retas de interseção entre os plano dois a dois. O ponto de interseção das retas é a solução do sistema. Fonte: os autores Para representar cada um dos planos em seu exato posicionamento espacial, necessitamos de três pontos. Cada uma dos três pontos de cada plano foi obtido igualando-se a zero as outras variáveis. Assim o cruzamento do plano α pelo eixo X (linha de terra ou abscissa) se encontra nas coordenadas (12, 0,0) para o plano α (igualando-se y e z a zero na equação que representa o plano α. As coordenadas para o cruzamento do plano α no eixo Y (afastamento) é (0,6,0) igua- lando-se x e z a zero na equaçãoque representa o plano α. E as coordenadas do cruzamento do plano α ,pelo eixo Z (cota) são res- pectivamente (0,0,15) igualando-se x e y a zero. Assim conseguimos representar cada plano em sua exata posição espacial. Desta forma o cruzamento dos planos pela linha de terra (eixo X / abscissa), (18,0,0) para o plano β, e (4,0,0) para o plano λ. As coor- denadas para o cruzamento dos planos no eixo Y (afastamento) β e λ são respectivamente (0,9,0) e (0,0,0). E as coordenadas do cru- zamento dos planos β e λ pelo eixo Z (cota) são respectivamente (0,0,18)e (0,0,10). Assim apresentação do sistema, no espaço de referência, é como apresentado na figura 4. E sua solução pode ser interpretada como a interseção de três planos. Geometricamente a solução do siste- ma é o ponto de interseção entre os três planos. Como apresenta- do na figura 4. 79 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 5: Representação da interseção dos planos α e β e sua reta de interseção, observe que a reta de inter- seção é uma reta o tipo horizontal portanto, tendo sua cota constante. Fonte: os autores Pela Geometria Descritiva a interseção dos planos dois a dois de- termina três retas no espaço. O cruzamento dessas três retas é o ponto de interseção entre os planos, e solução do sistema. Aqui se apresenta uma observação importante: Estamos “acostumados” a ver a equação da reta, y = ax + b, em um espaço bidimensional. Como as retas de interseção entre os planos se cruzam no espaço tridimensional, suas equações são representadas na forma redu- zida como apresentado a seguir. Interseção dos planos dois a dois: Sejam α: 5x+10y+4z=60 , β: x+2y+2z=18 , λ: 10x+4z=40 três pla- nos conforme figura 4. Denominamos por r, s e t as retas de intersecção α∩β, β∩λ, α∩λ respectivamente. Determinação da reta r, ver figura 5: 80 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 6 : Representação da interseção dos planos β e λ sua reta s de interseção, observe que a reta de interse- ção é uma reta o tipo qualquer Fonte:os autores Isolando x na segunda equação: x = 18 - 2y - 2z Substituindo (1) na primeira equação: 5[18 – 2y – 2z] + 10y + 4z = 60 → 90 -10y – 10z +10y +4z = 60 z = 5 Substituindo (2) em (1): x = 18 - 2y - 2(5) → x = 8 - 2y Assim, a reta r na forma reduzida é representada por: Note que z constante determina a reta do tipo horizontal. Determinação de s, ver figura 6: 81 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 7 : Representação da interseção dos planos β e λ e sua reta t de interseção, observe que a reta de in- terseção é uma reta o tipo qualquer. Fonte: os autores Da primeira equação x = 18 - 2y - 2z Substituindo (1) na segunda equação: Assim, a reta s na forma reduzida é representada por: Determinação da reta t , ver figura 7: Substituindo (3) em (1): 82 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Isolando x na primeira equação: Substituindo (4) na primeira equação: Substituindo (5) em (4): Logo, a reta t na forma reduzida é representada por: Ponto de interseção ( 2, 3, 5 ) Interseção das retas duas a duas: r ∩ s: Igualando x de r a x de s: Ponto de interseção ( 2, 3, 5 ) r ∩ t: Substituindo z=5 de r em z de t: Ponto de interseção ( 2, 3, 5 ) s ∩ t: Igualando x das retas s e t: Substituindo em z e x da reta t, respectivamente: 83 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 8: Ponto de interseção representado pelo cruzamento das retas r, s e t. Fonte: os autores As interseções das retas duas a duas comprovam a solução do sis- tema pelo método de eliminação de Gauss. Evidentemente sua eficiência não é discutida aqui e sim uma forma de apresentar a interdisciplinaridade que o método de eliminação de Gauss não evidencia. Na figura 8, são apresentadas somente as retas de in- terseção e a localização do ponto (representado por uma esfera) e a solução identificada pelo software AutoCAD, pelo comando de propriedade dos objetos. As retas de interseção na figura 8 e foram definidas utilizando a captura de pontos entre os elementos que definem os planos α, β e λ. A esfera teve seu centro definido tam- bém através da captura de pontos. A figura 9 destaca a solução do sistema proposto através a utiliza- ção da paleta de propriedades dos objetos no AutoCAD, neste caso o a solução é a coordenada x, y , z do centro da esfera. Figura 9: Solução identificada pelo AutoCAD. Fonte: os autores Solução do sistema proposto 84 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 10 : A épura do problema do sistema a ser resolvido. Fonte: os autores Devemos observar que as retas de interseção entre os planos não estão no espaço bidimensional, por isso devem ser representadas na forma reduzida. Como este método das interseções duas a duas não é comumente apresentado nas salas de aula dada a sua inefi- ciencia, a ligação entre a geometria analítica a geometria descriti- va e a álgebra linear encontra-se esquecida. O problema e sua so- lução utilizando o método biprojetivo de Monge será apresentada na figura 10 e 11. 85 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Figura 11 : Épura da solução do exemplo numérico. Fonte: os autores Na figura 11 é apresentada a solução do exemplo proposto pelo método Mongeano. As retas r, s e t de interseção entre os planos são determinadas por suas projeções. No cruzamento das proje- ções das retas r, s e t encontra-se o ponto de interseção dos pla- nos, solução do exemplo numérico proposto. Para apresentar a precisão do método foi colocada sobre a épura uma grade (qua- driculado de uma unidade) facilitando a conferência da solução. Assim podemos verificar: abscissa 2 unidades a partir do zero para esquerda, cota 5 unidades para cima e afastamento 3 para baixo definindo as projeções horizontal e vertical, I1 e I2 do ponto de intercessão dos planos. Observação: Os traços das retas r s e t não estão representados na épura. Lembramos que não foram apresentados os sistemas Indetermi- nado ou com infinitas soluções e o sistema Impossível ou sem so- lução. Esses casos são semelhantes ao caso apresentado ficando como exercício de interação entre disciplinas para os leitores. 86 Interdisciplinaridade entre Geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica Algumas Conclusões A eficiência comparada dos métodos de solução de sistemas é in- discutível entre as três disciplinas, evidentemente a álgebra linear pelo método de eliminação de Gauss tem vantagens sobre as ou- tras disciplinas. Porém em detrimento da eficiência a vantagem da integração entre as disciplinas acaba sendo perdida no dia a dia do acadêmico. A resolução do sistema pelo método de eliminação de Gauss, não evidencia as retas de interseção dos planos em um espaço de três dimensões deixando uma grande lacuna para inte- ração entre as disciplinas. Considere que a relevância da disciplina de Geometria Descritiva é ampliada pois a mesma solução do sistema é obtida na épura. Desta forma pode-se ressaltar que Geometria Descritiva não é so- mente uma base para o Desenho Técnico como é percebida pela maioria dos alunos, mais também um método gráfico de resolução de sistemas lineares em três dimensões. Referências. LEON, S. J. Álgebra Linear com Aplicações. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros técnicos e Científicos S.A., 1998. PRINCIPE Jr., A. R. Noções de Geometria Descritiva. Volume 1. ed. 36 São Paulo: Nobel, 1985. Figura 01 Figura 02 Figura 03 Figura 04 Figura 05 Figura 06 Figura 07 Figura 08 Figura 09 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura19 Figura 20 Figura 21 Figura 22 Figura 23 Figura 24 Figura 25 Figura 26 Figura 27 Figura 28 Figura 29 Figura 30 10 11 11 12 12 13 13 14 14 16 17 18 18 19 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 26 26 27 27 28 28 Figura 31 Figura 32 Figura 33 Figura 34 Figura 35 Figura 36 Figura 37 Figura 38 Figura 39 Figura 40 Figura 41 Figura 42 Figura 43 Figura 44 Figura 45 Figura 46 Figura 47 Figura 48 Figura 49 Figura 50 Figura 51 Figura 52 29 30 31 32 33 37 37 38 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 48 49 49 Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 72 76 77 78 79 80 81 83 83 84 85 Interdisciplinaridade entre geometria descritiva e álgebra linear e geometria analítica
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