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CÁLCULO III AULA 3 – Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura Conteúdo Programático 1. Vetor tangente 2. Reta tangente 3. Vetor tangente unitário 4. Vetor Normal principal 5. Curvatura Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III FUNÇÃO LOGARÍTMICA - AULA 6 VETOR TANGENTE Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLOS 1. Determinar o vetor tangente da seguinte função, no ponto indicado. Inicialmente devemos identificar o valor do parâmetro t que satisfaz a curva. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Agora podemos calcular a derivada da f(t) no ponto t0 = -1. 2. Determinar o vetor tangente da seguinte função, no ponto indicado. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Inicialmente devemos identificar o valor do parâmetro t que satisfaz a curva. Agora podemos calcular a derivada da g(t) no ponto t0 = 1. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III 3. Determinar o vetor tangente da seguinte função, no ponto indicado. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Agora podemos calcular a derivada da f(t) no ponto t0 = π. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III RETA TANGENTE Vamos considerar P(x,y,z) um ponto de C e to um parâmetro. Conforme estudamos na aula 1 o vetor é tangente à curva no ponto P. Seja C uma curva representada por Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III O vetor σ’(to ) determina a reta tangente em cada ponto da curva. Considerando σ(to ) = P e σ’(to ) = o vetor tangente a curva em P. A reta passa por um ponto P com direção Tem como equação r(t) = σ(to ) + t. σ’(to ) , t é um parâmetro real. Podemos escrever: Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO 1 Determinar a reta tangente da seguinte função, no ponto indicado. Inicialmente devemos identificar o valor do parâmetro t que satisfaz a curva. Vamos considerar t0 = 1. Derivamos a função vetorial dada. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Esta função nos leva ao vetor diretor ou seja, o vetor v = (3,2,1). A reta tangente será: Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III OBSERVAÇÃO P Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO 2 Determinar a reta tangente da seguinte função, no ponto indicado. Para obter o valor de t0, correspondente ao ponto P, usamos as equações paramétricas da curva. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III A equação da reta tangente será dada por Podemos também escrever Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III VETOR TANGENTE UNITÁRIO Dada a curva C, desejamos encontrar, em cada ponto dessa curva, um vetor tangente à curva, que seja unitário. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III C é uma curva representada por r (t) = (x(t),y(t), z(t)) e vimos que o vetor r’(t) é tangente à curva C. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III DEFINIÇÃO O vetor é chamado de vetor tangente unitário à curva C. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Observação: Quando uma partícula se move ao longo de uma curva C, o vetor T(t), sendo de comprimento constante, muda somente de direção, conforme pode ser visto na figura abaixo. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO 1 Encontre o vetor T(t) a curva (t) = ( cos t, sen t), t ≥0 Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO 2 Encontre o vetor T(t) a curva (t) = (et + 1, e-t – 1,t) no ponto P(2,0,0). Para obter o valor de t0, correspondente ao ponto P, usamos as equações paramétricas da curva. x(t) = et + 1 → et + 1 = 2 → et = 1 → t = 0 y(t) = e-t - 1 → e-t - 1 = 0 → e-t = 1 → t = 0 z(t) = t→ t = 0 Portanto t0 = 0. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III (t) = (et + 1, e-t – 1,t) ’(t) = (et, -e-t,1) ’(0) = (e0, -e0,1) = (1,-1,1) T0 = 0 Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Portanto, Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III VETOR NORMAL PRINCIPAL ...quando uma partícula se move ao longo de uma curva C, o vetor T(t), sendo de comprimento constante, muda somente de direção. A variação desta direção é medida pela derivada. Podemos concluir que T(t) é perpendicular a T’(t). Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III DEFINIÇÃO Considerando T’(t) ≠ 0, o vetor unitário na direção de T’(t) é chamado normal principal à curva C. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Geometricamente o vetor Normal unitário é perpendicular a ’(t) apontando para parte interna da curva, onde a curva muda de direção. Veja. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Vamos encontrar o vetor N(t) a curva (t) = ( cos t, sen t), t ≥0 EXEMPLO 1 ’(t) = (-sent, cos t) ’’(t)= (-cos t, -sent) Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO 2 Vamos escrever o vetor normal principal da curva Calculando as derivadas: Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Agora precisamos escrever o vetor normal principal no ponto dado inicialmente, isto é, precisamos determinar N(t0). Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Determinando t0: Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III APLICAÇÕES Teorema Considere uma partícula se movendo com vetor posição σ(t). Se v(t) = ||σ’(t)||≠ 0 é a velocidade da partícula , então o vetor aceleração A(t) é dado pelo modelo Componentes tangencial e normal da aceleração No teorema abaixo veremos que o vetor aceleração é formado pela soma de dois vetores. A(t) = v’(t).T(t) + v(t).T’(t) Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III A(t) = v’(t).T(t) + v(t).T’(t) Considerando: Podemos escrever A(t) = v’(t).T(t) + v(t).||T’(t)||.N(t) Substituindo Agora temos Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III OBSERVAÇÃO SOBRE O TEOREMA A(t) = v’(t).T(t) + v(t).||T’(t)||.N(t) O teorema apresentado mostra através do modelo abaixo o vetor aceleração A(t) está sempre no plano definido pelos vetores T(t) e N(t). T(t) é chamado de componente tangencial da aceleração Notação: A T N(t) é chamado de componente normal da aceleração Notação: A N Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO 1 Uma partícula se move ao longo da involuta de equações paramétricas Vamos determinar as componentes tangencial e normal da aceleração. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Vamos recordar algumas definições da aula 2. Vetor velocidade → Velocidade escalar → v(t) = ||σ’(t)|| = ||V(t)|| Vetor aceleração → Vetor velocidade → Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Vetor aceleração Velocidade escalar → v(t) = ||σ’(t)|| = ||V(t)|| Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura– Aula 3 CÁLCULO III Componente Tangencial Componente Normal Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO 2 Uma partícula se move ao longo da curva C dada por Determinar: Os vetores velocidade e aceleração; b) A velocidade escalar; c) As componentes tangencial e normal da aceleração. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Os vetores velocidade e aceleração; A velocidade escalar; RESPOSTA Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III c) As componentes tangencial e normal da aceleração. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III CURVATURA Definição A curvatura de uma curva é a taxa de variação de sua direção, ou seja, a velocidade com que a tangente à curva muda de direção por unidade de comprimento. A expressão acima nos diz que a curvatura é a taxa de variação do vetor tangente unitário em relação ao comprimento de arco. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Cálculo da curvatura Exemplo 1 Determine a curvatura da circunferência de raio a e centro na origem. A parametrização de tal curva será: () = ( a cos , a sen ), 0 ≤ ≤ 2 Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III RESOLUÇÃO () = ( a cos , a sen ), 0 ≤ ≤ 2 ’() = (-a sen , a cos ) Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III TEOREMA Se uma partícula em movimento possui vetor velocidade V(t), velocidade escalar v(t), vetor aceleração a(t) e curvatura k(t), então Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III RAIO DE CURVATURA DA TRAJETÓRIA EM UM DADO PONTO P Seja C uma curva e P um ponto em C tal que k(t) existe e k(t) ≠ 0. O inverso da curvatura (k(t) é o raio de curvatura. Vamos chamá-lo de ρ(t) = 1/k(t) O círculo passando por P de raio ρ(t) e cujo centro está na semi-reta normal que contém N(t) é chamando de círculo de curvatura ou círculo osculador. Ele é tangente a C em P. Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III EXEMPLO Determinar o raio de curvatura da parábola r(t) = (t,t2). A curvatura da parábola é dada por Considerando r(t) na origem, t = 0. Assim, o raio de curvatura é ρ(t) = 1/k(t) → ρ(0) = 1/k(0) = 1/2 Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III RESUMINDO Vetor tangente 2. Reta tangente 3. Vetor tangente unitário 4. Normal principal 5. Curvatura Os Vetores Tangente Unitário, Normal Principal e Curvatura – Aula 3 CÁLCULO III ( ) ® ` ft ) 1 , 1 , 1 ( ), , , ( ) ( 3 2 - - = ® P t t t t f 1 1 1 , 1 1 1 3 3 0 2 - = - = Þ = - = ± = ± = Þ = - = Þ = t t z t considerar vamos t t y t t x ) 3 , 2 , 1 ( ) 1 ´( 1 ), 3 , 2 , 1 ( ) ´( 0 2 - = - - = = ® ® f f t t t t ) , 1 ( ), , ( ) ( e P e t t t g = ® 1 , 1 1 0 = = Þ = Þ = = Þ = t considerar vamos t e e e y t t x t t t e y = t x = ( ) e e t e t g g t , 1 ) , 1 ( ) 1 ´( 1 ), , 1 ( ) ´( 1 0 = = = = ® ® ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = ® 2 3 , 2 1 , 0 , 2 3 , cos 2 1 , 2 1 ) ( P t sent t f sent x 2 1 = t x cos 2 1 = p p p = = Þ = Þ = = Þ = 0 , 1 cos 2 1 cos 2 1 0 2 1 t considerar vamos t t t t sent ( ) ( ) ÷ ø ö ç è æ = ÷ ø ö ç è æ - = ÷ ø ö ç è æ - = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = ® ® ® 0 , 0 , 2 1 0 , 2 1 , cos 2 1 ) ( 0 , 2 1 , cos 2 1 ) ( 2 3 , 2 1 , 0 , 2 3 , cos 2 1 , 2 1 ) ( ' ' 0 p p p sen sent t t P t sent t f f f ( ) ( ) ( ) [ ] b a t k t z j t y i t x t r , , ) ( Î + + = ® ® ® ® ( ) t ' ® s ® v ) ( ' z . ) ( z z ) ( ' . ) ( ) ( ' . ) ( 0 0 0 0 0 0 t t t t y t t y y t x t t x x + = + = + = ) 1 , 1 , 1 ( ), , , ( ) ( 2 3 P t t t t f = ® 1 ), 1 , 2 , 3 ( ) ´( 0 2 = = ® t t t t f ( ) ( ) ( ) 1 , 2 , 3 ) 1 , 1 2 , 1 3 ( ) 1 ´( 1 ), 1 , 2 , 3 ( ) ´( 2 0 2 = = = = ® ® f f t t t t t t y t x + = + = + = 1 z 2 1 3 1 ( ) ( ) ( ) 0 0 ' t. t r t t s s + = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = + = + = t 3t,2t, 1,1,1 3,2,1 t. 1,1,1 t r ) 2 , 2 ( , 2 cos 2 ) ( P j sent i t t f ® ® ® + = ( ) 4 2 2 2 2 2 ) ( 4 2 2 cos 2 cos 2 cos 2 p p = Þ = Þ = Þ = = Þ = Þ = Þ = t sent sent sent t y t t t t t x 4 0 p = t ( ) 2 2 2 . 2 4 cos 2 4 ' cos 2 ) ( ' 2 2 2 . 2 4 2 4 ' 2 ' = = = ÷ ø ö ç è æ Þ = - = - = - = ÷ ø ö ç è æ Þ - = p p p p y t t y sen x sent t x ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = - + = - + = t t 2 , 2 2 , 2 2 , 2 t. 2 , 2 t r t y t x 2 2 2 2 + = - = ( ) ( ) ® ® + + - = j t i t t r 2 2 2 2 ) ( ( ) ( ) t t t T ® ® = ' ' ) ( s s ( ) 0 ' ¹ ® t s ( ) ( ) ( ) ( ) t sent t sent t t t T cos , 1 cos , ' ' ) ( - = - = = ® ® s s ) cos , ( ) ( ' t sent t - = s ( ) ( ) 1 cos ) ( ' 2 2 = + - = t sent t s ( ) ( ) ( ) 1 1 ) ( ' 2 2 2 2 2 + + = + - + = - t t t t e e e e t s ( ) ( ) 3 1 1 ) 0 ( ' 0 0 0 2 0 2 = + + = + + = - e e e e s ( ) ( ) t t t T ® ® = ' ' ) ( s s ( ) ( ) ( ) ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - = = ÷ ø ö ç è æ - = - = = ® ® 3 3 , 3 3 , 3 3 3 1 , 3 1 , 3 1 3 1 , 1 , 1 0 ' 0 ' ) 0 ( s s T ( ) ( ) ( ) ( ) 0 ' , ' ' ¹ = t T onde t T t T t N ( ) ( ) t t ' ' ' ' s s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sent t t sen t sent t sent t sent t t t t N - - = + - - = = - + - - - = = , cos cos , cos cos , cos ' ' ' ' 2 2 2 2 s s ( ) ( ) 4 , 1 , 1 4 2 cos 2 P ponto no k j sent i t t r ® ® ® ® + + = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 , 2 , cos 2 ' ' 0 , cos 2 , 2 ' 4 , 2 , cos 2 sent t t r t sent t r sent t t r - - = - = = ® ® ® ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 0 , 2 , cos 2 2 cos 2 0 , 2 , cos 2 2 , cos 2 0 , 2 , cos 2 ' ' ' ' 2 2 2 2 sent t t sen t sent t sent t sent t t t t N - - = + - - = = - - - - = = s s ( ) ( ) 4 , 4 2 1 1 2 2 ) ( 4 2 1 cos 1 cos 2 cos 2 ) ( ) 4 , 1 , 1 ( 4 , 2 , cos 2 0 p p p = = Þ = Þ = Þ = = Þ = Þ = Þ = = ® t Logo t sent sent sent t y t t t t t x P ponto sent t t r ( ) ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - - = = - - = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - - = = ÷ ø ö ç è æ ÷ ø ö ç è æ - ÷ ø ö ç è æ - = ÷ ø ö ç è æ 0 , 2 2 , 2 2 2 0 , 1 , 1 2 0 , 2 2 . 2 , 2 2 . 2 2 0 , 4 2 , 4 cos 2 4 p p p sen N ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) t T t N t T t T t T t N ' . 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