Noções de Geometria Espacial

Prévia do material em texto

Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 1 
 
 
COLÉGIO PEDRO II 
DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA 
UNIDADE ESCOLAR HUMAITÁ II 
 
Notas de aula de Matemática 
3º ano/Ensino Médio 
 
Prof. Andrezinho 
NOÇÕES DE GEOMETRIA ESPACIAL 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 2 
Superfícies 
 
Podemos obter superfícies por meio de procedimentos como os descritos a seguir: 
(a) movendo-se uma linha reta (geratriz) por uma curva passando por um ponto fixo não pertencente a ela. 
(b) movendo-se uma linha reta (geratriz) por uma curva fixada (diretriz) sempre paralelamente a uma outra linha 
reta fixa. 
(c) fazendo um giro de 360° de uma curva (geratriz) em torno de uma linha reta fixada (eixo de revolução). 
 
 
Sólidos geométricos 
São corpos contidos dentro de uma superfície fechada e limitada por uma ou mais superfícies planas que 
intersectem aquelas. Destacamos: 
- Altura do sólido: é a distância entre os planos das 
bases ou distância do vértice ao plano da base; 
- Sólido reto: é aquele cuja base ou as bases são 
perpendiculares às geratrizes (se elas forem paralelas) 
ou à linha de união do vértice com o centro da base 
(superfícies cônicas); 
- Sólido oblíquo: é o sólido que não é reto; 
- Sólido regular: é o sólido reto com faces laterais 
iguais. 
 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 3 
Superfície Cilíndrica 
É a superfície gerada por uma linha reta que se move, de maneira que é sempre paralela a uma dada reta fixa e 
passa sempre por uma curva fixa dada. 
 
A reta que se move é denominada geratriz e a curva dada fixa é a diretriz da superfície cilíndrica. Qualquer 
posição da geratriz é denominada uma geratriz da superfície cilíndrica. O sólido limitado por uma superfície 
cilíndrica recebe o nome de cilindro. O nome da superfície cilíndrica (ou do cilindro) é dado a partir da forma da 
diretriz. 
Na figura seguinte, a geratriz é destacada em negrito. Essa superfície é um cilindro elíptico reto. 
 
Se ao invés de uma elipse tivéssemos um círculo, a superfície seria um cilindro circular reto. Se no lugar da elipse 
ou do círculo tivéssemos uma poligonal simples, a superfície seria um prisma reto. 
 
Cilindro circular reto 
 
Prisma 
 
Superfície cônica 
É uma superfície gerada por uma reta r (AA´) que se move ao longo de uma curva  e que passa por um ponto 
fixo S fora da curva. A reta móvel é chamada de geratriz, a curva  é denominada de diretriz e o ponto fixo de 
vértice do cone. 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 4 
O vértice (S) separa cone em duas partes opostas pelo vértice, denominadas folhas sendo muito usual 
apresentamos apenas uma das folhas. O sólido limitado por uma superfície cônica recebe o nome de cone. O 
nome da superfície cônica (ou do cone) é dado a partir da forma da diretriz. 
 
Cone circular 
 
Pirâmide 
 
Observação: 
É chamada de cônica toda a linha que se obtém como intersecção de um plano com uma superfície cônica. 
 
Cônicas clássicas 
 
Área da superfície de um cilindro (ou de um cone) 
Planificar uma superfície cilíndrica ou cônica é a operação que consiste em cortar essa superfície ao longo de uma 
de suas geratrizes, abrindo-as e tornando-as plana. 
 
 
 
 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 5 
Observação: 
A figura obtida por meio da planificação de uma superfície fechada cilíndrica reta é sempre um retângulo cujas 
dimensões são a altura do cilindro e o perímetro de sua base. A figura obtida por meio da planificação de uma 
superfície fechada cônica reta é um setor circular cujo raio é a geratriz e cujo arco correspondente é o perímetro 
de sua base. 
A área da figura obtida por meio da planificação de uma superfície fechada é denominada área total e a área da 
superfície cilíndrica (ou cônica) que limita o sólido é denominada área lateral. 
Nos exemplos acima: 
- Cone circular reto: 
A área lateral corresponde à área de um setor circular 
e, a área total corresponde à área do setor acrescida 
da área da base que é um círculo. 
- Cilindro circular reto: 
A área lateral corresponde à área de um retângulo de 
dimensões dadas pelo perímetro da base, que é um 
círculo (perímetro: 2.π.raio), e pela altura do sólido e, 
a área total corresponde à área do retângulo acrescida 
das áreas das bases que são dois círculos de mesmo 
raio (área: π.raio.raio). 
- Prisma triangular regular: 
A área lateral corresponde área de um retângulo de 
dimensões dadas pelo perímetro da base, que é um 
triângulo equilátero (perímetro: 3.lado), e pela altura 
do sólido e, a área total corresponde à área do 
retângulo acrescida das áreas das bases que são dois 
triângulos equiláteros de mesmo raio. 
- Pirâmide quadrangular regular: 
A área lateral corresponde área de quatro triângulos 
equiláteros de mesmo lado, e a área total corresponde 
à área dos quatro triângulos acrescida da área da base 
que é um quadrado. 
 
Volume de um sólido 
Grosso modo, o volume de um sólido corresponde à porção do espaço ocupada pelo sólido ou a capacidade que 
ele possui de armazenar substâncias. A unidade de volume é o volume de um cubo de aresta unitária. Assim, 
calcular o volume de um sólido significa determinar quantas vezes um cubo unitário cabe nesse sólido. 
Considere o seguinte exemplo: 
Um aquário possui o formato de um paralelepípedo 
com as seguintes dimensões: 
Determine quantos litros de água são necessários para 
encher o aquário. 
 
Note que, pelo conceito que expressamos, nesse paralelepípedo cabem 50 x 20 x 15 = 15 000 cubos de aresta 1 
cm. Logo, o volume desse paralelepípedo será 15 000cm3. Lembrando que, cada cm3 corresponde a 1 litro, temos 
que a quantidade pedida é 15 litros. 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 6 
 
Esse exemplo nos permite intuir que, dado um paralelepípedo de dimensões medindo respectivamente a, b e c, o 
volume do paralelepípedo será o produto a.b.c. 
𝑽𝒑𝒂𝒓𝒂𝒍𝒆𝒍𝒆𝒑í𝒑𝒆𝒅𝒐 = 𝒂. 𝒃. 𝒄 
 
Observação (Princípio de Cavalieri) 
 
Considere que as figuras acima sugiram formatos que podemos visualizar em um pacote de pão de forma, desses 
que são vendidos em padarias e supermercados. Na primeira figura, as fatias estariam bem arrumadas, enquanto 
que a demais figuras representam deformações da posição inicial. Em qualquer das três posições, o volume do 
sólido obtido é a soma dos volumes das fatias. Essa, em essência é a idéia do Princípio de Cavalieri que diz o 
seguinte: 
Se a interseção de dois sólidos com planos paralelos a um plano fixo resultar em 
figuras de mesma área, então, esses sólidos têm mesmo volume. 
 
 
Antes de aplicarmos esse resultado para obter os volumes de outros sólidos, faremos algumas considerações: 
1ª) Esse plano fixo a que nos referimos no princípio de Cavalieri costuma estar na posição horizontal, como se os 
sólidos repousassem sobre uma mesa. 
2ª) Esse princípio afirma que se há uma maneira de dispormos os sólidos, de modo que as secções tenham 
mesma área, então eles têm mesmo volume. Isso não quer dizer que sólidos de mesmo volume tenham, 
necessariamente, secções de mesma área, quando interceptados por planos paralelos. 
3ª) Para aplicarmos o princípio de Cavalieri, temos que dispor os sólidos emposições convenientes, de maneira 
que as hipóteses sejam confirmadas. 
Ainda com relação às figuras, imaginadas como um pacote de pão de forma, observamos que os sólidos foram 
cortados em um mesmo número de fatias, todas com mesma altura (espessura) e bases de mesma área. Esse 
mesmo procedimento poderia ser reproduzido com uma pilha de CD`s. Isso nos leva a intuir que o volume de 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 7 
qualquer prisma (mais genericamente, qualquer cilindro) será obtido por meio do produto da área de sua base 
pela sua altura. 
 
De fato, seja o plano que contém a base do cilindro. Construindo ao seu lado um paralelepípedo com área da 
base igual a S e altura h, notamos que as áreas das secções obtidas no cilindro e no paralelepípedo por planos 
paralelos são iguais às das bases dos respectivos sólidos. Pelo princípio de Cavalieri, os dois sólidos têm o mesmo 
volume. Como o volume do paralelepípedo é S.h, o do cilindro também é S.h. 
𝑽𝒄𝒊𝒍𝒊𝒏𝒅𝒓𝒐 = 𝑺𝒃𝒂𝒔𝒆. 𝒉 
Ademais, seja ABCD uma pirâmide de base ABC. Vamos construir o prisma ABCDEF a partir da base ABC, 
considerando a aresta CD como geratriz. Veja a figura a seguir. 
 
É evidente que a altura do prisma construído é igual à altura da pirâmide que o gerou. Além disso, podemos 
dividir a parte que foi acrescentada à pirâmide em duas outras pirâmides, conforme mostra a figura seguinte. 
 
Assim, o prisma é formado por três pirâmides ABCD, DEFB e ABED, as quais possuem em comum algumas arestas. 
Como podemos deduzir a partir de nossa intuição, o volume do prisma é igual à soma dos volumes das pirâmides. 
Ocorre que V(ABCD)=V(DEFB), pois suas alturas são iguais (CD e FB) e as áreas das bases também (S(ABC)=S(EFD)). 
Da mesma forma, V(DEFB)=V(ABED), já que e S(BDF)=S(ADE). Portanto, V(ABCD)=V(DEFB)= V(ABED). Dessa forma, 
o volume do prisma é igual a três vezes o volume da pirâmide que o gerou. Portanto, como o volume do prisma é 
o produto da área da base pela altura correspondente, temos que, o volume de uma pirâmide de base triangular 
é igual a um terço do produto da área da base pela altura. 
 
De modo geral, dada uma pirâmide cuja base é um polígono de n 
lados (n > 2), decompondo essa base em [n – 2] triângulos, teremos 
que o volume será igual a um terço do produto da área da base pela 
altura. 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 8 
Generalizando, consideremos o plano que contém a base de um cone. Construindo ao seu lado uma pirâmide 
com área da base igual a S e altura h, notamos que as áreas das secções obtidas no cone e na pirâmide por planos 
paralelos são iguais às das bases dos respectivos sólidos. Pelo princípio de Cavalieri, os dois sólidos têm o mesmo 
volume, ou seja: 
𝑽𝒄𝒐𝒏𝒆 =
𝟏
𝟑
. 𝑺𝒃𝒂𝒔𝒆. 𝒉 
 
Superfícies de revolução 
São superfícies geradas pelo movimento de rotação completa (3600) de uma linha qualquer (eixo de rotação ou 
de revolução) em torno de um eixo (diretriz). Pertencem a este tipo de superfícies os cones e cilindros retos, a 
esfera, o toro, ogivas, e muitas outras. Este tipo de superfície tem grande aplicação prática e pode ser encontrado 
em uma variedade muito grande de objetos, tais como: utensílios domésticos, embalagens, componentes 
mecânicos, elementos arquitetônicos, fuselagens de foguetes e mísseis. 
Exemplos: 
Curva geratriz 
 
Sólido 
 
Curva geratriz 
 
Superfície 
 
Superfície geratriz 
 
Sólido 
 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 9 
Superfície geratriz (retângulo) 
 
Sólido (cilindro circular reto) 
’ 
Superfície geratriz (triângulo retângulo) 
 
Sólido (cone circular reto) 
 
Superfície geratriz (semicírculo) 
 
Sólido (esfera) 
 
 
Área de superfícies de revolução (teorema de Pappus-Guldin) 
Observe a figura: 
 
d = distância do centro de gravidade (CG) da curva ao eixo e 
L = comprimento da curva 
𝑨𝒔𝒖𝒑𝒆𝒓𝒇í𝒄𝒊𝒆 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒗𝒐𝒍𝒖çã𝒐 = 𝟐𝝅. 𝒅. 𝑳 
 
 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 10 
Volume de sólidos de revolução (teorema de Pappus-Guldin) 
 
d = distância do centro de gravidade (CG) da superfície ao 
eixo e 
S = área da superfície 
𝑽𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒗𝒐𝒍𝒖çã𝒐 = 𝟐𝝅. 𝒅. 𝑺 
 
 
 
Observação: 
O centro de gravidade (CG) de um sólido é, grosso modo, uma posição média da distribuição da força peso. 
 
Centro de gravidade de algumas figuras planas 
Segmento de reta 
 
𝐿 = 𝐴𝐵 𝑮 = 
𝑨 + 𝑩
𝟐
 
Semicircunferência 
 
𝐿 = 𝜋. 𝑅 𝑮 = 𝟎; 
𝟐𝑹
𝝅
 
 
𝑆 = 𝐵.ℎ 𝑮 = 
𝑩
𝟐
; 
𝑯
𝟐
 
 
𝑆 =
𝐵.ℎ
2
 𝑮 = 
𝑩
𝟑
; 
𝑯
𝟑
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 11 
 
𝑆 =
𝜋.𝑅2
2
 𝑮 = 𝟎; 
𝟒𝑹
𝟑𝝅
 
 
𝑆 = 𝜋.𝑅2 𝑮 = 𝟎;𝟎 
 
Aplicações 
1ª) Área lateral do cone circular 
 
Por semelhança: 
𝑥 =
𝑅
2
 
𝐴𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 −𝑐𝑜𝑛𝑒 = 2𝜋.
𝑅
2
. 𝐻2 + 𝑅2 
𝑨𝒍𝒂𝒕𝒆𝒓𝒂𝒍−𝒄𝒐𝒏𝒆 = 𝝅. 𝑹. 𝑯𝟐 + 𝑹𝟐 
 
2ª) Área da superfície esférica 
 
𝐴𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓 í𝑐𝑖𝑒 𝑒𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 = 2𝜋.
2𝑅
𝜋
.𝜋𝑅 
𝑨𝒔𝒖𝒑𝒆𝒓𝒇í𝒄𝒊𝒆 𝒆𝒔𝒇é𝒓𝒊𝒄𝒂 = 𝟒𝝅. 𝑹
𝟐 
 
 
3ª) Volume da esfera 
 
𝑉𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 = 2𝜋.
4𝑅
3𝜋
.
𝜋. 𝑅2
2
 
𝑽𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 =
𝟒
𝟑
. 𝝅. 𝑹𝟑 
 
 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 12 
Exercícios de fixação 
1- Determine a área total e o volume do 
paralelepípedo ao lado. 
 
 
2- Achar a área total da superfície de um cilindro reto, sabendo que o raio da base é de 10cm e a altura é de 
20cm. 
 
3- A altura de um prisma triangular regular é o dobro da aresta da base. Calcule a área lateral desse sólido 
sabendo que seu volume é 
3108
cm3. 
 
4- A casquinha de um sorvete tem a forma de um cone reto. Sabendo que o raio da base mede 3cm e a altura é 
de 12cm. Qual é o volume da casquinha? 
5- Uma pirâmide quadrangular foi construída com quatro triângulos isósceles iguais tendo cada um deles base 
igual a 2 m e dois lados iguais a 
6
 m. Calcule o volume dessa pirâmide. 
 
6- Considere a Terra como uma esfera de raio 6.370km. Qual é sua área superficial? Descobrir a área da superfície 
coberta de água, sabendo que ela corresponde a aproximadamente 3/4 da superfície total. 
 
7- Calcule o volume e a área total de um cilindro equilátero (a altura é igual ao diâmetro) cuja área lateral mede 
144 cm2. 
 
8- Calcule a área da superfície e o volume de um prisma hexagonal regular cujo apótema da base mede 
cm 34
. 
 
9- O volume de uma pirâmide triangular regular é 
348
 m3. Sabe-se ainda que a base desta pirâmide está 
inscrita em um círculo de raio 8 m. Calcular a área total dessa pirâmide. 
 
10- As áreas das bases de um cone circular reto e de um prisma quadrangular reto são iguais. O prisma tem altura 
12 cm e volume igual ao dobro do volume do cone. Determinar a área do cone. 
 
11- A geratriz de um cone circular reto mede 20 cm e forma um ângulo de 60 graus com o plano da base. 
Determinar a área lateral, área total e o volume do cone. 
 
12- Qual o volume de uma esfera de 30 cm de raio? 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página13 
13- Uma esfera está inscrita num cubo cuja aresta mede 20 cm. Calcule a área da superfície esférica. 
 
14- Duas esferas de chumbo, uma de 3 cm e outra de 6 cm de raio, fundem-se e formam outra esfera. Calcule o 
raio dessa nova esfera. 
 
15- Calcule o volume de uma esfera de 100 cm2 de área. 
 
11- Determine a área de uma esfera, sendo 2304 cm3 o seu volume. 
 
16- Quantos brigadeiros (bolinhas de chocolate) de raio 0,5 cm podemos fazer a partir de um brigadeiro de raio 1 
cm? 
 
17- Duas bolas metálicas, cujos raios medem 1 cm e 2 cm, são fundidas e moldadas em forma de um cilindro cuja 
altura mede 3 cm. Obtenha a medida do raio da base do cilindro. 
 
18- Determinar o raio de uma esfera, sabendo que um plano determina na esfera um círculo de raio 20 cm, sendo 
de 21 cm a distância do plano ao centro da esfera. 
 
19- Um pedaço de cartolina possui a forma de um semicírculo de raio 20 cm. Com essa cartolina, um menino 
constrói um chapéu cônico e o coloca com a base apoiada sobre uma mesa. Qual a distância do bico do chapéu à 
mesa? 
 
20- Considere o sólido obtido pela rotação completa 
do triângulo equilátero da figura em torno do eixo e. 
Determine a área da superfície e o volume deste 
sólido. 
 
21- Considere um trapézio isósceles de altura igual à base menor e de base maior igual ao triplo da menor. Sendo 
a a medida de cada um dos lados não-paralelos, calcule o volume e a área do sólido gerado pela rotação completa 
desse trapézio em torno de sua base maior. 
 
22- Um aquário tem a forma de um paralelepípedo reto-retângulo e 
contém água até uma certa altura. As medidas internas da base do 
aquário são 40cm por 25cm. Uma pedra é colocada dentro do aquário, 
ficando totalmente submersa e fazendo com que o nível da água suba 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 14 
0,8cm. Qual é o volume dessa pedra? 
 
23- Um tanque em forma de bloco retangular tem por base um retângulo horizontal de lados 0,8 m e 1,2 m. Um 
indivíduo, ao mergulhar completamente no tanque, faz o nível da água subir 0,075 m. Calcule o volume do 
indivíduo. 
 
24- Chama-se octaedro regular o sólido obtido justapondo-se as bases de duas pirâmides regulares 
quadrangulares, cujas faces são triângulos equiláteros. Determine o volume de um octaedro regular cuja aresta 
mede a centímetros. 
 
25- Calcule o volume de um tetraedro regular cujo apótema mede 
3
 cm. 
 
26- Uma pirâmide hexagonal regular tem 10 cm de apótema. Sabendo que a base tem perímetro 
324
cm, 
calcule: 
a) a altura desta pirâmide; b) a medida da aresta lateral desta pirâmide; c) o volume desta pirâmide; 
 
27- A figura ao lado representa um cubo de 4 cm de aresta. 
Retirando-se do interior desse cubo a pirâmide A-BCDE obtém-se 
um sólido S. 
Determine: 
a) a área total da pirâmide; 
b) volume que resta do cubo. 
 
28- Uma pirâmide hexagonal regular tem 
53
 cm de apótema. Sabendo que o apótema da base mede 3 cm, 
calcule: 
a) a medida da aresta da base desta pirâmide; c) a medida da aresta lateral desta pirâmide; 
b) a altura desta pirâmide; d) o volume desta pirâmide; 
 
29- A figura ao lado representa um cubo de 3 cm de aresta, que tem 
no seu interior uma pirâmide cujo vértice é o centro de uma face do 
cubo e a base é a face oposta. 
Determine: 
a) a área total desta pirâmide; 
b) o volume que resta do cubo se retirarmos dele esta pirâmide. 
 
 
Notas de aula de Matemática – Prof. André Luiz R. Chaves (Andrezinho) Assunto: Noções de Geometria Espacial Página 15 
30- Considere um tronco de cone de bases circulares de raios R e r cuja altura é H. Determine a área da superfície 
lateral que é gerada pela rotação de sua geratriz AB girando 2𝜋 radianos em torno do eixo OY conforme ilustrado 
na figura.