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“Nossa Missão é formar cidadãos compromissados com o avanço do conhecimento em benefício do desenvolvimento da realidade em que vivem e de futuras gerações.” Página 1 Curso: Engenharia de produção Ano: 2016-1° semestre Disciplina: Vetores e Geometria Analítica Turma: PRO215AN/MEC215AN Professor: Alice Lima de Souza da Cruz AULA 14 Conteúdo: UNIDADE III – Produtos com vetores Temas: Produto vetorial Produto vetorial Definição do produto vetorial Chama-se produto vetorial de dois vetores �⃗� = 𝑥1𝑖 + 𝑦1𝑗 + 𝑧1�⃗� e 𝑣 = 𝑥2𝑖 + 𝑦2𝑗 + 𝑧2�⃗� , tomados nesta ordem, e se representa por �⃗� × 𝑣 , ao vetor �⃗� × 𝑣 = | 𝑦1 𝑧1 𝑦2 𝑧2 | 𝑖 − | 𝑥1 𝑧1 𝑥2 𝑧2 | 𝑗 + | 𝑥1 𝑦1 𝑥2 𝑦2 | �⃗� (1) O produto vetorial �⃗� por 𝑣 também é indicado por �⃗� ∧ 𝑣 e lê-se “�⃗� vetorial 𝑣 ”. Observemos que a definição de �⃗� × 𝑣 dada em (1) pode ser obtida do desenvolvimento segundo o Teorema de Laplace, substituindo a primeira linha pelo vetores unitários 𝑖 , 𝑗 𝑒 �⃗� , como sugere a notação: �⃗� × 𝑣 = | 𝑖 𝑗 �⃗� 𝑥1 𝑦1 𝑧1 𝑥2 𝑦2 𝑧2 | (2) O símbolo à diretia de (2) não é um determinante, pois a primeira linha contém vetores em vez de escalares. No entanto, usaremos esta notação pela facilidade de memorização que ela propicia no cálculo do produto vetorial. Exemplos: 1) Calcular �⃗� × 𝑣 para �⃗� = 5𝑖 + 4𝑗 + 3�⃗� e 𝑣 = 𝑖 + �⃗� . �⃗� × 𝑣 = | 𝑖 𝑗 �⃗� 5 4 3 1 0 1 | = | 4 3 0 1 | 𝑖 − | 5 3 1 1 | 𝑗 + | 5 4 1 1 | �⃗� = (4 − 0)𝑖 − (5 − 3)𝑗 + (0 − 4)�⃗� = 4𝑖 − 2𝑗 − 4�⃗� Obs.: pode-se usar o método de Sarrus para calcular o determinante. Levando-se em conta as considerações feitas sobre as propriedades dos determinantes, concluímos de imediato que: 1) 𝑣 × �⃗� = −(�⃗� × 𝑣 ), isto é, os vetores 𝑣 × �⃗� e �⃗� × 𝑣 são opostos, pois a troca de ordem dos vetores no produto vetorial �⃗� × 𝑣 implica troca de sinal de todas as suas componentes. Por outro lado, como �⃗� × 𝑣 ≠ 𝑣 × �⃗� conclui-se que o produto vetorial “Nossa Missão é formar cidadãos compromissados com o avanço do conhecimento em benefício do desenvolvimento da realidade em que vivem e de futuras gerações.” Página 2 não é comutativo (ao contrário do produto escalar: 𝑣 ∙ �⃗� = �⃗� ∙ 𝑣 ). Portanto, no produto vetorial a ordem dos fatores é importante. 2) �⃗� × 𝑣 = 0⃗ se, e somente se, �⃗� ∥ 𝑣 , pois neste caso, todos os determinantes de ordem 2 têm suas linhas constituídas por elementos proporcionais. Também inclui-se os casos particulares: I) �⃗� × 𝑣 = 0⃗ (determinantes de ordem 2 com linhas iguais) II) �⃗� × 0⃗ = 0⃗ (determinantes de ordem 2 com uma linha de zeros) Exemplos de produto vetorial de vetores paralelos: a) �⃗� × 3�⃗� = 0 b) (2�⃗� ) × (−7�⃗� ) c) (�⃗� − 𝑣 ) × (𝑣 − �⃗� ) Sabemos que um vetor está bem definido quando conhecemos sua direção, sentido e seu comprimento. A seguir passaremos a definir o vetor �⃗� × 𝑣 no caso de �⃗� 𝑒 𝑣 serem não nulos e não paralelos. Características do vetor �⃗⃗� × �⃗⃗� Consideremos os vetores �⃗� = (𝑥1, 𝑦1, 𝑧1) e 𝑣 = (𝑥2, 𝑦2, 𝑧2). a) A direção de �⃗⃗� × �⃗⃗� O vetor �⃗⃗� × �⃗⃗� é simultamenamente ortogonal a �⃗⃗� 𝒆 �⃗⃗� . Tendo em vista que dois vetores são ortogonais quando o produto escalar entre eles é zero, basta mostrar que ( �⃗� × 𝑣 ) ∙ �⃗� = 0 e ( �⃗� × 𝑣 ) ∙ 𝑣 = 0 Temos, então ( �⃗� × 𝑣 ) ∙ �⃗� = | 𝑦1 𝑧1 𝑦2 𝑧2 | 𝑥1 − | 𝑥1 𝑧1 𝑥2 𝑧2 | 𝑦1 + | 𝑥1 𝑦1 𝑥2 𝑦2 | 𝑧1 = | 𝑥1 𝑦1 𝑧1 𝑥1 𝑦1 𝑧1 𝑥2 𝑦2 𝑧2 | = 0 (primeira e segunda linhas iguais) Logo, �⃗� × 𝑣 é ortogonal a. De forma análoga, demonstra-se que ( �⃗� × 𝑣 ) ∙ 𝑣 = 0. Como o vetor 𝑣 × �⃗� tem a mesma direção de �⃗� × 𝑣 (apenas sentidos opostos), também é ortogonal tanto a �⃗� quanto a 𝑣 . A figura ao lado representa os vetores �⃗� × 𝑣 e 𝑣 × �⃗� ortogonais ao plano 𝜋 determinado por �⃗� 𝑒 𝑣 . Exemplo: Dados os vetores �⃗� = (3,1,2) 𝑒 𝑣 = (−2,2,5), tem-se �⃗� × 𝑣 = | 𝑖 𝑗 �⃗� 3 1 2 −2 2 5 | = (1,−19,8) ( �⃗� × 𝑣 ) ∙ �⃗� = (1,−19,8) ∙ (3,1,2) = 3 − 19 + 16 = 0 ( �⃗� × 𝑣 ) ∙ 𝑣 = (1,−19,8) ∙ (−2,2,5) = −2 − 38 + 40 = 0 b) Sentido de �⃗⃗� × �⃗⃗� “Nossa Missão é formar cidadãos compromissados com o avanço do conhecimento em benefício do desenvolvimento da realidade em que vivem e de futuras gerações.” Página 3 O sentido de �⃗� × 𝑣 poderá ser determinado utilizando-se da regra da mão direita. Sendo 𝜃 o ângulo entre �⃗� 𝑒 𝑣 , suponhamos que �⃗� (1º vetor) sofra uma rotação de ângulo de 𝜃 até coincidir com 𝑣 . E os dedos da mão direita forem dobrados na direção da rotação, então o polegar estendido indicará o sentido de �⃗� × 𝑣 . A segunda figura mostra que o produto vetorial muda de sentido quando a ordem dos vetores é invertida. Observemos que só será possível dobras os dedos na direção de 𝑣 para �⃗� se invertermos a posição da mão, quando então o dedo polegar estará apontado para baixo. c) O comprimento de �⃗⃗� × �⃗⃗� Se 𝜽 é o ângulo entre os vetores �⃗⃗� 𝒆 �⃗⃗� não nulos, então |�⃗⃗� × �⃗⃗� | = |�⃗⃗� ||�⃗⃗� | 𝐬𝐞𝐧𝜽 (3) Interpretação geométrica do Módulo do produto vetorial Observando que no paralelogramo determinado pelos vetores não nulos �⃗� 𝑒 𝑣 , a medida da base é |�⃗� | e a altura é |𝑣 |𝑠𝑒𝑛 𝜃, a área A deste paralelogramo é 𝐴 = (𝑏𝑎𝑠𝑒)(𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎) = |�⃗� ||𝑣 |𝑠𝑒𝑛 𝜃, ou seja, 𝐴 = |�⃗� × 𝑣 | (7) O resultado dado em (7) poderá ser expresso por: “a área do paralelogramo determinado pelos vetores �⃗� 𝑒 𝑣 é numericamente igual ao comprimento do vetor �⃗� × 𝑣 ”. Vamos comprovar este resultado por meio de um exemplo particular tomando os vetores �⃗� = 2𝑖 e 𝑣 = 3𝑗 . Temos, então �⃗� × 𝑣 = | 𝑖 𝑗 �⃗� 2 0 0 0 3 0 | = (0,0,6) = 6�⃗� E |�⃗� × 𝑣 | = 6 A figura ao lado mostra claramente que o paralelogramo determinado por �⃗� 𝑒 𝑣 tem 6 u.a. (unidades de área) e o vetor �⃗� × 𝑣 tem 6 u.c. (unidades de comprimento) Quer dizer, numericamente estas medidas são iguais. Para encerrar o estudo do produto vetorial, as conclusões finais: “Nossa Missão é formar cidadãos compromissados com o avanço do conhecimento em benefício do desenvolvimento da realidade em que vivem e de futuras gerações.” Página 4 1) O produto vetorial não é associativo, isto é, em geral (�⃗� × 𝑣 ) × �⃗⃗� ≠ �⃗� × (𝑣 × �⃗⃗� ), basta considerar, por exemplo, (𝑖⃗⃗ × 𝑗 ) × 𝑗 = �⃗� × 𝑗 = −𝑖 Enquanto que 𝑖 × (𝑗⃗⃗⃗ × 𝑗 ) = 𝑖 × 0⃗ = 0⃗ 2) Para quaisquer vetores �⃗� , 𝑣 𝑒 �⃗⃗� o escalar 𝛼, são válidas as propriedades I) �⃗� × (𝑣 + �⃗⃗� ) = (�⃗� × 𝑣 ) + (�⃗� × �⃗⃗� ) e (�⃗� + 𝑣 ) × �⃗⃗� = (�⃗� × �⃗⃗� ) + (𝑣 × �⃗⃗� ) II) 𝛼(�⃗� × 𝑣 ) = (𝛼�⃗� ) × 𝑣 = �⃗� × (𝛼𝑣 ) III) �⃗� ∙ (𝑣 × �⃗⃗� ) = (�⃗� + 𝑣 ) ∙ �⃗⃗� Exemplos: 1) Determinar o veto𝑥 r, tal que 𝑥 seja ortogonal ao eixo dos y e �⃗� = 𝑥 × 𝑣 , sendo �⃗� = (1,1,−1)𝑒 𝑣 = (2,−1,1). Como 𝑥 ⊥ 𝑦, não existe componente de 𝑥 no eixo y, portanto temos 0y, o que faz com que 𝑥 = (𝑥, 0, 𝑧). Então, �⃗� = 𝑥 × 𝑣 equivale a (1,1,−1) = | 𝑖 𝑗 �⃗� 𝑥 0 𝑧 2 −1 1 | = | 𝑖 𝑗 �⃗� 𝑥 0 𝑧 2 −1 1 | | 𝑖 𝑗 𝑥 0 2 −1 | (0𝑖 + 2𝑧𝑗 − 𝑥�⃗� + 𝑧𝑖 − 𝑥𝑗 ) = (𝑧, −𝑥 + 2𝑧,−𝑥) Ou (1,1,−1) = (𝑧,−𝑥 + 2𝑧,−𝑥) Pela condição de igualdade de dois vetores resulta o sistema { 𝑧 = 1 −𝑥 + 2𝑧 = 1 −𝑥 = −1 Cuja solução é x=1 e z=1. Portanto, 𝑥 = (1, 0,1). 2) Sejam os vetores �⃗� = (1,−1,−4)𝑒 𝑣 = (3,2, −2).Determinar um vetor que sejaa. Ortogonal a �⃗� 𝑒 𝑣 ; b. Ortogonal a �⃗� 𝑒 𝑣 e unitário; c. Ortogonal a �⃗� 𝑒 𝑣 e tenha o módulo 4; Solução a. Sabe-se que o vetor �⃗� × 𝑣 é simultaneamente ortogonal a �⃗� 𝑒 𝑣 . Como multiplicar um vetor por número real não altera sua direção, todos os vetores do tipo 𝛼(�⃗� × 𝑣 ), 𝛼 𝜖 𝑅, são também ortogonais a �⃗� 𝑒 𝑣 . Portanto, este problema tem infinitas soluções. �⃗� × 𝑣 = | 𝑖 𝑗 �⃗� 1 −1 −4 3 2 −2 | = (10,−10,5) Logo, as infinitas soluções são 𝛼(10,−10,5), 𝛼 𝜖 𝑅. b. A partir de �⃗� × 𝑣 (ou qualquer 𝛼(�⃗� × 𝑣 ), 𝛼 ≠ 0), obt=em-se dois vetores unitários: �⃗� 1 = �⃗� × 𝑣 |�⃗� × 𝑣 | = 10,−10,5 15 = ( 2 3 ,− 2 3 , 1 3 ) “Nossa Missão é formar cidadãos compromissados com o avanço do conhecimento em benefício do desenvolvimento da realidade em que vivem e de futuras gerações.” Página 5 e �⃗� 2 = −�⃗� 1 = (− 2 3 , 2 3 ,− 1 3 ). c. Para obter um vetor de módulo 4 que seja ortogonal a �⃗� × 𝑣 , basta multiplicar por 4 um vetor unitário: 4 ( 2 3 ,− 2 3 , 1 3 ) = ( 8 3 , − 8 3 , 4 3 ) Ou 4 (− 2 3 , 2 3 ,− 1 3 ) = (− 8 3 , 8 3 ,− 4 3 ) 3) Seja um triângulo equilátero ABC de lado 10. Calcular |𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ × 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗|. É uma aplicação direta da relação (3): |𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ × 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗| = |𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗||𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗|𝑠𝑒𝑛  Como Â=60°, vem |𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ × 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗| = (10)(10) ( √3 2 ) = 50√3 Mas este resultado apresenta a área do paralelogramo determinado pelos vetores 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ 𝑒 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗, logo a área do triângulo é a metade , ou seja 25√3. 4) Dados os vetores �⃗� = (1,−1,1)𝑒 𝑣 = (2,−3,4), calcular: a. A área do paralelogramo determinado por �⃗� 𝑒 𝑣 ; b. A altura do paralelogramo relativa à base definida pelo vetor �⃗� . Solução a. Sabemos de (7) que a área A é definida por 𝐴 = |�⃗� × 𝑣 | Como |�⃗� × 𝑣 | = | 𝑖 𝑗 �⃗� 1 −1 1 2 −3 4 | = (−1,−2,−1) Tem-se 𝐴 = |(−1,2,−1)| = √1 + 4 + 1 = √6 u.a. “Nossa Missão é formar cidadãos compromissados com o avanço do conhecimento em benefício do desenvolvimento da realidade em que vivem e de futuras gerações.” Página 6 b. A figura a baixo ilustra outra vez o significado geométrico de |�⃗� × 𝑣 | e indica a altura h que se pede para calcular. De 𝐴 = (𝑏𝑎𝑠𝑒)(𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎) = |�⃗� |. ℎ Vem ℎ = 𝐴 |�⃗� | = |�⃗� × 𝑣 | |�⃗� | ou seja ℎ = √6 |(1,−1,1)| = √6 √3 = √2 = 𝑢. 𝑐. Uma aplicação na física O produto vetorial é uma importante ferramenta matemática utilizada na Física. Dentre algumas de suas aplicações, pode-se citar o torque. O torque é uma grandeza vetorial, representado por 𝜏, e está relacionada com a possibilidade de um corpo sofre uma torção ou alterar seu movimento de rotação. A equação para o cálculo do torque é 𝜏 = 𝑟 × 𝐹 Onde |𝑟 | é a distância do ponto de aplicação da força 𝐹 ao eixo de rotação, ao qual o corpo está vinculado. Lembrando o cálculo do modulo do produto vetorial visto em (3) tem-se |𝜏 | = |𝑟 ||𝐹 | 𝑠𝑒𝑛 𝜃 Onde 𝜃 é o ângulo entre 𝑟 𝑒 𝐹 . Exemplo: Calcular o torque sobre a barra 𝐴𝐵̅̅ ̅̅ onde 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 𝑟 = 2𝑗 (em metros), 𝐹 = 10𝑖 (em newtons) e o eixo de rotação é o eixo z. Solução: O vetor torque, para o caso desta figura, é dado por “Nossa Missão é formar cidadãos compromissados com o avanço do conhecimento em benefício do desenvolvimento da realidade em que vivem e de futuras gerações.” Página 7 𝜏 = (0𝑖 + 2𝑗 + 0�⃗� )𝑚 × (10𝑖 + 0𝑗 + 0�⃗� )𝑁 Ou 𝜏 = (0𝑖 + 0𝑗 − 20�⃗� )𝑚𝑁 Ou 𝜏 = (−20�⃗� )𝑚𝑁 A intensidade (módulo) do torque pode ser calculado por |𝜏 | = |𝑟 ||𝐹 | 𝑠𝑒𝑛 90° = 20𝑚𝑁 Ou por |𝜏 | = √(−20)2 = 20𝑚𝑁 Exercícios: Exercícios da lista semipresencial III serem entregues até 06/06 impreterivelmente.
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