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Construções Geométricas II Apresentação Nesta Unidade de Aprendizagem daremos continuidade ao trabalho com as construções geométricas. Esse conhecimento será útil para a elaboração de desenhos técnicos feitos de modos tradicionais ou em meio computacional. Nosso tema será quadriláteros. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Nomear os quadriláteros.• Identificar as características dos diferentes quadriláteros.• Combinar diferentes entidades para construir uma forma geométrica complexa.• Desafio Os quadriláteros estão presentes em quase todos os objetos que utilizamos. Mesmo tendo suas arestas arredondadas para prevenir acidentes, podemos identificar que nossas mesas, cadernos, telefones, telas, televisões, notebooks e cartões de crédito podem ser representados por quadriláteros. Esses objetos não são construídos aleatoriamente e muitos têm proporções entre seus lados. Escolha um desses quadriláteros, meça e desenhe. Após, busque encontrar geometricamente a proporção entre os lados. Infográfico Acompanhe no infográfico as construções geométricas de quadriláteros, conteúdo abordado nesta Unidade de Aprendizagem. Conteúdo do livro Denomina-se quadrilátero um polígono, que é uma figura geométrica plana e fechada constituída por segmentos de reta, de quatro lados em que a soma de seus ângulos internos é igual a 360°. Os quadriláteros são utilizados em várias situações práticas, e por isso, conhecer suas características, os diferentes tipos bem como a construção de uma forma geométrica é fundamental. Cada quadrilátero possui suas peculiaridades, alguns também têm semelhanças entre si, portanto, nesta obra, estudaremos em detalhes este tipo de polígono. No capítulo Construções Geométricas II, você aprofundará os conhecimentos a respeito da geometria plana. Conhecerá novos conceitos muito importantes da geometria e da matemática que são fundamentais para outras áreas do conhecimento. Além disso, perceberá como o conteúdo em estudo está presente em diferentes situações problema. Serão fornecidos exemplos, ilustrações e aplicações envolvendo as definições e conceitos da geometria plana. DESENHO TÉCNICO OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Nomear os quadriláteros. > Identificar as características dos diferentes quadriláteros. > Combinar diferentes entidades para construir uma forma geométrica complexa. Introdução Um quadrilátero é uma figura plana que tem quatro pontos ou lados retos, com quatro ângulos e quatro lados. Como exemplo, podemos pensar em um quadrado. Cada tipo de quadrilátero possui suas características e fórmulas de cálculo específicas para encontrar determinadas medidas de interesse. Por serem polígonos, os quadriláteros herdam todas as características e pro- priedades dos polígonos, como o fato de possuírem somente duas diagonais e a soma dos ângulos internos ser sempre igual a 360°. Cabe ressaltar que as características e propriedades específicas dos quadriláteros estão relacionadas aos seus lados, ângulos e diagonais. Neste capítulo, você vai conhecer os quadriláteros e suas formas, bem como as definições e características de cada um. Por fim, verá como construir uma forma geométrica por meio de situações-problema. Construções geométricas II Cristiane da Silva Quadriláteros Omar Khayyam (1048–1131), matemático persa conhecido como fabricante de tendas, dedicou-se ao estudo da álgebra, incluindo equações de terceiro grau. Para equações de segundo grau, ele fornecia soluções aritméticas e geométricas. Já para as equações cúbicas, Khayyam acreditava que as solu- ções aritméticas eram impossíveis, fornecendo, portanto, apenas soluções geométricas (Figura 1). Embora esta última ideia tenha sido desconstruída mais tarde, provando sua falsidade, Omar fez contribuições relevantes à sua época e importantes até os dias de hoje (BOYER; MERZBACH, 2012). Figura 1. Página de um manuscrito de Khayyam, atualmente mantido na Universidade de Teerã, Irã. Fonte: Omar... ([201-?], documento on-line). As antigas soluções geométricas gregas das equações cúbicas consideravam os coeficientes como segmentos de retas, enquanto Omar Khayyam considerava números específicos. Uma das suas contribuições mais promissoras foi o esforço em aproximar a álgebra numérica e a geométrica, o que se consolidou muito Construções geométricas II2 mais tarde, com o filósofo e matemático francês René Descartes (1596–1650). No entanto, Khayyam avançava nessa direção quando escreveu: Quem quer que imagine que a álgebra é um artif ício para achar quantidades desconhecidas pensou em vão. Não se deve dar atenção ao fato de a álgebra e a geometria serem diferentes na aparência. As álgebras são fatos geométricos que são demonstrados (BOYER; MERZBACH, 2012, p. 173). Khayyam também investigava o postulado paralelo de Euclides. Sua con- tribuição foi relativa à ideia de um quadrilátero com dois lados congruentes perpendiculares à base. Ele tinha interesse em saber como seriam os ângulos superiores do quadrilátero, que são necessariamente iguais um ao outro (congruentes). Sua pergunta sobre o quadrilátero tornou-se a forma-padrão de discutir o postulado paralelo (BOYER; MERZBACH, 2012). Para saber mais sobre a história da geometria e das representações geométricas antes e depois de Euclides, consulte o livro A janela de Euclides: a história da geometria, das linhas paralelas ao hiperespaço, de Leonard Mlodinow (2004). Nesse contexto, é importante explicar que os quadriláteros são polígonos (figuras matemáticas fechadas formadas por segmentos de retas) que apre- sentam quatro lados e possuem duas diagonais. Além disso, a soma dos seus ângulos internos é sempre igual a 360°, o que significa que não existem pontos de um quadrilátero fora do plano (no espaço). Os segmentos de reta que os formam se encontram nas suas extremidades e, por isso, são denominadas figuras fechadas. Observe na Figura 2 a representação de alguns quadriláteros. Figura 2. Exemplos de quadriláteros. Construções geométricas II 3 Como mostra a Figura 3, um quadrilátero é formado por lados, que são os segmentos de reta que formam o contorno do polígono, por vértices, que são os pontos de encontro dos segmentos de reta, por quatro ângulos internos somando 360° e por diagonais, que são duas e ligam dois vértices não consecutivos. Figura 3. Elementos de um quadrilátero. Um quadrilátero pode ser côncavo ou convexo. Será denominado convexo se a reta que contiver um dos seus lados deixar todos os demais no mesmo semiplano; será côncavo se existir uma semirreta que contenha um dos lados e deixe parte dos demais lados em outro semiplano (Figura 4). Figura 4. Quadriláteros: (a) convexo e (b) côncavo. a b Construções geométricas II4 A classificação dos quadriláteros se dá conforme a posição relativa entre seus lados. Aqueles que têm lados opostos paralelos são denominados para- lelogramos, aqueles que possuem um par de lados opostos paralelos e outro não são denominados trapézios e a outra classe de quadriláteros envolve aqueles que não possuem paralelismo algum entre seus lados (CASTANHEIRA; LEITE, 2014). Nesta seção, você aprendeu que quadriláteros são polígonos com caracte- rísticas especiais, dentre elas o fato de possuírem quatro lados. Além disso, eles existem em diferentes tipos e formas. Também vimos a representação de quadriláteros côncavo e convexo. Na próxima seção, aprofundaremos o estudo dos quadriláteros, detalhando sua classificação e identificando as características entre eles e sua representação geométrica. Características dos quadriláteros Vimos que os quadriláteros podem se dividir em figuras que possuem dois pares de lados paralelos, as quais denominamos paralelogramos, aquelas em que há somente um par de lados paralelos, denominadas trapézios, e aquelas figuras que não apresentam lados paralelos. Nesta seção, vamos conhecer as características de cada um desses tipos de quadriláteros.Os paralelogramos são quadriláteros cujos lados opostos são paralelos. Os ângulos opostos são congruentes, os lados opostos são congruentes e as diagonais se intersectam no ponto médio (Figura 5) (REIS, 2014). Figura 5. Paralelogramos: (a) lados e ângulos opostos congruentes; (b) diagonais se inter- ceptam no ponto médio. Fonte: Reis (2014, p. 76). a b Construções geométricas II 5 O retângulo é um exemplo de paralelogramo cujos ângulos internos são congruentes. Além disso, tem suas diagonais congruentes. Pelo teorema de Pitágoras temos que, para um retângulo de lados a e b, a medida das diagonais é dada por d = √ 2 + 2 . O losango é o paralelogramo que apresenta todos os lados congruentes. Uma propriedade específica do losango é que suas diagonais são perpen- diculares e bissetrizes (uma semirreta com origem no vértice de um ângulo, que divide esse ângulo em dois ângulos de mesma medida) de seus ângulos internos. O quadrado é losango e retângulo simultaneamente; por isso, tem todos os ângulos retos e todos os lados congruentes. Suas diagonais são congruentes, bissetrizes dos ângulos internos e perpendiculares entre si. É possível medir as diagonais de um quadrado de lado a pela seguinte equação (REIS, 2014): = √2 Já o trapézio não é um paralelogramo, e, por isso, as propriedades dos paralelogramos não são válidas para ele. A principal característica do tra- pézio é a presença de apenas um par de lados paralelos, e eles existem em três classes: os trapézios quaisquer (não são retângulos nem isósceles), os trapézios retângulos e os trapézios isósceles. Os lados paralelos de um trapézio são denominados bases. Observe, na Figura 6, a representação de um trapézio com bases e . Figura 6. Trapézio. Fonte: Reis (2014, p. 78). Em todo trapézio ABCD, os ângulos internos que apresentam um dos lados não paralelos com o lado comum são suplementares, ou seja, Â + D̂ = Ĉ + B̂ = 180°. Sua classificação se dá conforme os seus lados não paralelos. O trapézio será isósceles se possuir os lados não paralelos congruentes — neste caso, Construções geométricas II6 os ângulos de uma mesma base são congruentes e as diagonais também são congruentes. Ele será escaleno se os lados não paralelos não forem congruentes. E o trapézio retângulo é aquele que possui um de seus lados não paralelos perpendiculares às bases (Figura 7) (REIS, 2014). Figura 7. Trapézios: (a) isósceles; (b) escaleno; (c) retângulo. Fonte: Reis (2014, p. 78). a b c A Figura 8 mostra um trapézio qualquer em que os lados não paralelos não são congruentes e também não são perpendiculares às bases (CASTANHEIRA; LEITE, 2014). Figura 8. Trapézio qualquer. Fonte: Adaptada de Castanheira e Leite (2014). Construções geométricas II 7 Agora vamos verificar as fórmulas que nos permitirão calcular a área dos quadriláteros estudados. A área do paralelogramo é definida como o produto da base pela altura. O mesmo vale para o retângulo, pois todo retângulo é também um paralelogramo. A área do quadrado corresponde ao quadrado do seu lado. Uma das maneiras de calcular a área do losango é multiplicar suas diagonais (diagonal maior multiplicada pela diagonal menor) e dividir o resultado obtido pela metade. A área do trapézio é calculada somando-se a base maior com a base menor, dividindo esta soma por dois e, por fim, mul- tiplicando pela altura do trapézio (REIS, 2014). Na Figura 9, temos as fórmulas para realizar os cálculos de área. Figura 9. Fórmulas para o cálculo de áreas dos diferentes quadriláteros: (a) área do paralelo- gramo; (b) área do retângulo; (c) área do quadrado; (d) área do losango; (e) área do trapézio. Fonte: Reis (2014, p. 162–169). a b c e d Outro ponto interessante de ressaltar é que na geometria uma figura inscrita é entendida como aquela que se encaixa perfeitamente dentro de outra figura geométrica. Um quadrilátero está inscrito numa circunferência, Construções geométricas II8 por exemplo, quando todos os quatro vértices desse polígono de quatro lados tocam o seu segmento. Um quadrado inscrito, por exemplo, é um quadrilátero com lados e ângulos iguais cujos vértices pertencem a uma circunferência. Para ficar mais claro o conceito, vamos pensar em um quadrado inscrito em um quadrado, como mostra o exemplo a seguir. Exemplo 1 Qual é a menor área de um quadrado inscrito em um quadrado de lado a? Para encontrar a resposta, devemos perceber que, ao inscrever um quadrado em um quadrado de lado a, criamos quatro triângulos retângulos congruentes, como mostra a Figura 10. Figura 10. Quadrado inscrito em um quadrado. Fonte: Clubes de Matemática da OBMEP ([201-?], documento on-line). Indicando por x a medida de um dos catetos, ao aplicarmos o teorema de Pitágoras em um dos triângulos retângulos, obtemos que o quadrado da medida do lado do quadrado inscrito (que coincide com sua área) será: x2 + (a – x)2 = 2x2 – 2ax + a2 Note que a área do quadrado inscrito é função de x, A = A(x), assim: A(x) = 2x2 – 2ax + a2 Construções geométricas II 9 Logo, para calcular a área mínima, basta lembrar de como calcular o valor mínimo de uma função quadrática. Então a área mínima será dada por: − (−2 )2 − 4 ∙ 2 ∙ 2 4 ∙ 2 = 2 2 Portanto, a área mínima de um quadrado inscrito em um quadrado de lados com comprimento a é: = 2 2 Nesta seção, conhecemos as características de cada um dos quadriláteros: paralelogramo, retângulo, losango, quadrado e trapézio. Em relação ao último, vimos que a classificação se dá conforme os seus lados não paralelos, podendo ser isósceles, escaleno, retângulo ou ainda um trapézio qualquer. Conhece- mos as fórmulas que são utilizadas para calcular a área dos quadriláteros estudados e, por fim, o conceito de figura e quadrado inscrito. Na próxima seção, por meio de exemplos detalhados, veremos como combinar diferentes entidades para construir uma forma geométrica complexa. Construção de formas geométricas complexas Agora que conhecemos as características e propriedades dos diferentes quadriláteros, vamos aplicar os conhecimentos em problemas envolvendo tais formas geométricas. Exemplo 2 Imagine uma caixa de papelão que tenha 15 cm de comprimento, 7 cm de largura e 10 cm de altura, como mostra a Figura 11. Calcule a quantidade de papelão que foi utilizada para fazer essa caixa. Construções geométricas II10 Figura 11. Representação da caixa de papelão. Fonte: Adaptada de Castanheira e Leite (2014). Solução Note que, para calcularmos a quantidade de papelão gasta para fazer a caixa, será necessário calcular a área de um retângulo de 34 cm por 15 cm e soma-la com a área de um retângulo de 14 cm por 10 cm, como mostra a Figura 12. Figura 12. Representação para a resolução. Fonte: Adaptada de Castanheira e Leite (2014). Assim: A = 34 cm ∙ 15 cm + 14 cm ∙ 10 cm A = 510 cm2 + 140 cm2 = 650 cm2 Construções geométricas II 11 Portanto, para fazer a caixa, foi gasta a quantidade de 650 cm2 de papelão. Exemplo 3 Para fazer uma pipa na forma de losango, similar àquela mostrada na Figura 13, Ana dispõe de duas varetas com as seguintes medidas: 70 cm e 50 cm. Qual é a quantidade de papel de seda que ela irá utilizar? Figura 13. Representação da pipa que Ana deseja construir. Fonte: Clker-Free-Vector-Images/Pixabay.com. Solução Para conhecer a quantidade de papel a ser utilizada por Ana, basta calcular a área do losango, que é dada pela metade do produto das diagonais do losango (a medida das varetas). = ∙ 2 = 70 cm ∙ 50 cm 2 = 1750 cm2 Ou seja, Ana utilizará 1750 cm2 de papel de seda para cobrir sua pipa. Construções geométricas II12 Exemplo 4 A área de uma sala em forma de retângulo é de exatos 9,1 m2. Nessas condi- ções, se a medida de um dos lados da sala é de 325 cm (Figura 14), qual é a medida do outro lado? Figura 14. Representação da sala. Solução Transformando a medida do lado conhecido em metros, teremos 325 cm ÷ 100 = 3,25 m. A partir daí: = ∙ ℎ 9,1 = 3,25 ∙ ℎ ℎ = 9,1 3,25 ℎ =2,8 m = 280 cm Sendo assim, a medida do outro lado da sala é 2,8 m, ou 280 cm. Exemplo 4 Uma rampa de skate foi projetada sobre o perfil de um trapézio de área total igual a 12 m2, altura de 3 m e base maior de 6 m (Figura 15). Tendo a rampa 5 m de largura, qual é a área da parte superior da rampa? Construções geométricas II 13 Figura 15. Representação da rampa de skate. Fonte: Qconcursos.com (2021, documento on-line). Solução Para resolver este problema, começamos pelo cálculo da área do trapézio, que é dada por: = ( + ) ℎ 2 12 = (6 + ) 3 2 24 = 18 + 3 24 − 18 = 3 3 = 6 = 2 m Agora, conhecendo a base menor do trapézio, é possível calcular a área da parte superior da rampa, que é um retângulo: S = b ∙ h S = 2 ∙ 5 S = 10 m2 Construções geométricas II14 Nesta seção, você acompanhou a aplicação de conhecimentos a respeito dos quadriláteros em problemas de ordem prática. Para isso, revisitou as formas geométricas retângulo, losango e trapézio estudadas nas seções ante- riores, bem como constatou a aplicabilidade das fórmulas de cálculo de área. Referências BOYER, C.; MERZBACH, U. C. História da matemática. São Paulo: Blucher, 2012. CASTANHEIRA, N. P.; LEITE, Á. E. Geometria plana e trigonometria. Curitiba: InterSaberes, 2014. CLUBES DE MATEMÁTICA DA OBMEP. Problema: quadrado inscrito em quadrado. [S. l.: s. n., 201-?]. Disponível em: http://clubes.obmep.org.br/blog/problema-quadrado- -inscrito-em-quadrado/. Acesso em: 23 jun. 2021. MLODINOW, L. A janela de Euclides: a história da geometria, das linhas paralelas ao hiperespaço. São Paulo: Geração Editorial, 2004. OMAR KHAYYAM. In: BRITANNICA. [S. l.: s. n., 201-?]. Disponível em: https://www.britan- nica.com/science/mathematics/Omar-Khayyam. Acesso em: 23 jun. 2021. QCONCURSOS.COM. Questões de matemática: quadriláteros para concurso. [S. l.: s. n.], 2021. Disponível em: https://www.qconcursos.com/questoes-de-concursos/disciplinas/ matematica-matematica/quadrilateros/questoes?page=3. Acesso em: 23 jun. 2021. REIS, A. G. Geometrias plana e sólida: introdução e aplicações em agrimensura. Porto Alegre: Bookman, 2014. Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. Construções geométricas II 15 Dica do professor Veremos nesta Unidade de Aprendizagem as principais características dos quadriláteros. Mesmo quando utilizamos ferramentas e técnicas de CAD, o conhecimento das técnicas de desenho geométrico se mostra de grande valia. Assista ao vídeo a seguir e identifique algumas das principais construções geométricas. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/a4dafc20dc3655d55346f590a01d6856 Exercícios 1) Considerando os quadriláteros, o que é um trapézio? A) É um paralelogramo com dois lados paralelos. B) É um paralelogramo com lados iguais e ângulos opostos iguais. C) É um paralelogramo com lados opostos paralelos e iguais e ângulos iguais. D) É um paralelogramo com lados opostos paralelos e iguais e ângulos opostos iguais. E) É um paralelogramo sem lados paralelos. 2) Considerando um quadrilátero qualquer, podemos dizer que: A) É uma forma geométrica com quatro lados sem que nenhum seja paralelo. B) É uma forma geométrica com quatro lados sem que nenhum seja paralelo; todos os ângulos diferem. C) É uma forma geométrica com quatro lados sem que nenhum seja igual ao outro. D) É uma forma geométrica com quatro lados, sendo que dois são paralelos. E) É qualquer quadrilátero que se inscreva em uma circunferência. 3) Qual afirmação está correta? A) Dentro de um quadrado há dois triângulos retângulos. B) Só é possível inserir triângulos retângulos em retângulos. C) O trapézio escaleno é assim chamado por ter todos os lados paralelos. D) O losango tem lados opostos iguais e paralelos. E) O paralelogramo possui lados opostos paralelos e iguais. 4) O que é um quadrado inscrito? A) Quadrilátero com lados e ângulos iguais cujos vértices pertencem a uma circunferência. B) Quadrilátero com lados e ângulos iguais cujos vértices não pertencem a uma circunferência. C) Quadrilátero com lados e ângulos iguais cujos lados são tangentes a uma circunferência. D) Quadrilátero com lados e ângulos iguais, sendo que um dos lados define o diâmetro da circunferência e passa pelo seu centro. E) Quadrilátero com lados e ângulos iguais de mesma área de uma circunferência. 5) O que chamamos de paralelogramo? A) Todos os quadriláteros cujos lados opostos são paralelos e congruentes, e os ângulos opostos também são congruentes. B) Apenas os quadrados cujos lados são paralelos e iguais e os ângulos opostos também são iguais. C) Apenas os quadrados e retângulos cujos lados são paralelos e os ângulos opostos também são iguais. D) Apenas quadrado, retângulo e losango, cujo lados são paralelos e os ângulos opostos são iguais. E) Apenas o paralelogramo propriamente dito, pois é um erro comum usar o termo para outras formas semelhantes. Na prática Veja como um profissional conseguiu solucionar uma questão que parecia impossível de ser resolvida no primeiro momento. Saiba + Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor: Construções geométricas Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. Construções geométricas Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://pt.khanacademy.org/math/geometry-home/geometric-constructions https://canal.cecierj.edu.br/012016/18eede3bbd190a6067bf195ffa355673.pdf