Matemática

Esferas e circunscrição

Resumo

Esfera é um sólido limitado por uma superfície esférica fechada e que tem todos os seus pontos à mesma distância de um

ponto em seu interior.

Área da superfície esférica:

Seja uma esfera de centro O e raio R. A área da superfície esférica é dada pela fórmula:

4 ²esfS R=

Volume de uma esfera:

Como Arquimedes deduziu a fórmula da esfera?

Arquimedes pegou um cilindro de raio r e encheu-o de líquido. Colocou um recipiente por baixo do cilindro e, em seguida

colocou dentro do cilindro uma esfera de raio r. Ao fazê-lo o líquido que estava dentro do cilindro transbordou para o

recipiente. Deitou fora o líquido que sobrou (dentro do cilindro) e colocou o líquido do recipiente novamente dentro do

cilindro verificou assim que o líquido da esfera ocupava 2/3 do cilindro:

22 2 2 4 ³2

3 3 3 3esfera cilindro b

rV V A h r r

= = = =

Logo:

Matemática

4 ³

3esf

RV

=

Secção em uma esfera:

Toda seção plana de uma esfera é um círculo. Sendo R o raio da esfera, d a distância do plano secante ao centro e r o raio

da seção, observe:

Assim, pelo triângulo pitagórico, temos que:

² ² ²R d r= +

Inscrição e circunscrição de sólidos

Esfera e Cubo

Esfera inscrita em cubo

O diâmetro da esfera será igual a aresta do cubo

22

ar a r= =

Esfera circunscrita em cubo

O diâmetro da esfera será igual a diagonal do cubo

3

2 32

ar a r= =

Prisma e cilindro

Prisma inscrito em cilindro

Matemática

O raio da base do cilindro é o raio da circunferência

circunscrita à base do prisma.

Prisma circunscrito em cilindro

O raio da base do cilindro é o raio da circunferência

inscrita à base do prisma.

Pirâmide e cone

Pirâmide inscrita em cone

O raio da base do cone é o raio da circunferência

circunscrita à base da pirâmide.

Pirâmide circunscrita em cone

O raio da base do cone é a apótema da base da pirâmide.

A geratriz do cone é o apótema da pirâmide.

Cilindro e cone

Cilindro Circular reto inscrito em cone reto

Matemática

Usando os elementos indicados nas figuras, temos:

g r H hADE ABC

G R H

G g R r hEDF ABC

G R H

g r H hADE EFC

G g R r h

− = =

− − = =

− = =

− −

Cilindro e esfera

Cilindro inscrito numa esfera

O raio da base r e a altura h de um cilindro inscrito

numa esfera de raio R possuem a seguinte relação:

( ) ( )2 222 2r h R+ =

Cilindro circunscrito a uma esfera

O cilindro circunscrito a uma esfera é um cilindro

equilátero cujo raio da base é igual ao raio da esfera

2h r=

1

Matemática

Exercícios

1. Para decorar uma mesa de festa infantil, um chefe de cozinha usará um melão esférico com diâmetro medindo 10

cm, o qual servirá de suporte para espetar diversos doces. Ele irá retirar uma calota esférica do melão, conforme

ilustra a figura, e, para garantir a estabilidade deste suporte, dificultando que o melão role sobre a mesa, o chefe

fará o corte de modo que o raio r da seção circular de corte seja de pelo menos 3 cm. Por outro lado, o chefe

desejará dispor da maior área possível da região em que serão afixados os doces.

Para atingir todos os seus objetivos, o chefe deverá cortar a calota do melão numa altura h, em centímetro, igual a

a) 5 - √91/2

b) 10 - √91

c) 1

d) 4

e) 5

2. Oscar Niemayer é um arquiteto brasileiro, considerado um dos nomes mais influentes na arquitetura moderna

internacional. Ele contribuiu, através de uma doação de um croqui, para a construção do planetário da UFSM, um

marco arquitetônico importante da cidade de Santa Maria.

2

Matemática

Suponha que a cobertura da construção seja uma semiesfera de 28 m de diâmetro, vazada por 12 partes iguais, as

quais são aproximadas por semicírculos de raio 3 m. Sabendo que uma lata de tinta é suficiente para pintar 39 m2

de área, qual a quantidade mínima de latas de tinta necessária para pintar toda a cobertura do planetário? (Use π =

3)

a) 20.

b) 26.

c) 40.

d) 52.

e) 60.

3. A tira seguinte mostra o Cebolinha tentando levantar um haltere, que é um aparelho feito de ferro, composto de

duas esferas acopladas a um bastão cilíndrico.

3

Matemática

Suponha que cada esfera tenha 10,5cm de diâmetro e que o bastão tenha 50cm de comprimento e diâmetro da base

medindo 1,4cm. Se a densidade do ferro é 7,8g/cm³, quantos quilogramas, aproximadamente, o Cebolinha tentava

levantar? (Use: π = 22/7)

a) 8

b) 16

c) 15

d) 12

e) 10

4. Em um casamento, os donos da festa serviam champanhe aos seus convidados em taças com formato de um

hemisfério (Figura 1), porém um acidente na cozinha culminou na quebra de grande parte desses recipientes.

Para substituir as taças quebradas, utilizou-se um outro tipo com formato de cone (Figura 2). No entanto, os noivos

solicitaram que o volume de champanhe nos dois tipos de taças fosse igual.

Sabendo que a taça com o formato de hemisfério e servida completamente cheia, a altura do volume de champanhe

que deve ser colocado na outra taça, em centímetros, é de

a) 1,33.

b) 6,00.

c) 12,00.

d) 56,52.

e) 113,04.

5. Na fotografia abaixo, observam-se duas bolhas de sabão unidas.

4

Matemática

Quando duas bolhas unidas possuem o mesmo tamanho, a parede de contato entre elas é plana, conforme ilustra o

esquema:

Considere duas bolhas de sabão esféricas, de mesmo raio R, unidas de tal modo que a distância entre seus

centros A e B é igual ao raio R.

A parede de contato dessas bolhas é um círculo cuja área tem a seguinte medida:

a)

b)

c)

d)

6. Uma esfera de raio R está inscrita em um cilindro. O volume do cilindro é igual a:

a) ³

3

r

b) 2 ³

3

r

c) ³r

d) 2 ³r

e) 2 ³r

7. Uma metalúrgica recebeu uma encomenda para fabricar, em grande quantidade, uma peça com o formato de um

prisma reto com base triangular, cujas dimensões da base são 6 cm, 8 cm e 10 cm e cuja altura e 10 cm. Tal peça

5

Matemática

deve ser vazada de tal maneira que a perfuração na forma de um cilindro circular reto seja tangente as suas faces

laterais, conforme mostra a figura. O raio da perfuração da peça é igual a:

a) 1 cm

b) 2 cm

c) 3 cm

d) 4 cm

e) 5 cm

8. Uma esfera de centro A e raio igual a 3dm é tangente ao plano de uma mesa em um ponto T. Uma fonte de luz

encontra-se em um ponto F de modo que F, A e T são colineares.

Observe a ilustração. Considere o cone de vértice F cuja base é o círculo de centro T definido pela sombra da

esfera projetada sobre a mesa. Se esse círculo tem área igual à da superfície esférica, então a distância FT, em

decímetros, corresponde a:

a) 10

b) 9

c) 8

d) 7

9. Uma embalagem em forma de prisma octogonal regular contém uma pizza circular que tangencia as faces do

prisma.

6

Matemática

Desprezando a espessura da pizza e do material usado na embalagem, a razão entre a medida do raio da pizza e a

medida da aresta da base do prisma é igual a:

a) 2 2

b)

3 2

4

c)

2 1

2

+

d) ( )2 2 1−

10. Um cone circular reto está inscrito em um paralelepípedo reto retângulo, de base quadrada, como mostra a figura.

A razão b/a entre as dimensões do paralelepípedo é 3

2 e o volume do cone é π.

Então, o comprimento g da geratriz do cone é

a) 5

b) 6

c) 7

d) 10

e) 11

7

Matemática

Gabarito

1. C

Observando o triângulo pitagórico OAB, temos 4OA = O.

Logo, h + 4 = 5.

h = 1.

2. B

Observe:

3. E

O volume de cada esfera é

24 10,5

606,37 cm³3 2

e o volume do bastão é

21,4

. .50 77,00 cm³2

.

Assim o haltere tem volume igual a 606,37 ⋅ 2 + 77,00 = 1 289,74 cm³ e que corresponde a 1 289,74 ⋅ 7,8 ≅ 10 kg .

4. B

Sendo o volume E de uma semiesfera igual a e o volume C de um cone igual a, e tendo os noivos solicitado que

ambos os formatos de taça tenham o mesmo volume, tem-se: 4 ³ ²

6 3

R R =

Substituindo na equação os dados fornecidos pela questão, obtém-se h = 6 cm.

5. C

Considerando um ponto C pertencente à circunferência de contato das duas bolhas, têm-se AB AC BC R= = = e

o triângulo equilátero ABC.

Prolongando-se a altura relativa ao vértice C até o ponto D da mesma circunferência, tem-se o diâmetro CD do círculo

de contato. O raio X desse círculo corresponde à altura do triângulo equilátero ABC.

8

Matemática

Assim, 3

2

Rx = .

Portanto, a área do círculo é

2

3 3 ². ²

2 4

R RS x

= = =

6. E

De acordo com a figura, o raio da esfera possui a mesma medida do raio da base do cilindro e a altura do cilindro

vale o dobro do raio.

² ²(2 ) 2 ³cilindroV R h R R R = = =

7. B

8. C

9

Matemática

Considere-se o raio do círculo definido pela sombra igual a x. A área desse círculo será igual a ²x .

A esfera possui raio r = 3 dm. Logo, a área de sua superfície corresponde a:

4 ² 36r =

Como a área do círculo é igual à da superfície esférica:

² 36 6 dmx x = =

Observe agora a figura:

Os triângulos FMT e AFN são semelhantes. Sua razão de semelhança é expressa por:

Sabe-se assim que cada lado do triângulo maior equivale ao dobro do lado correspondente do triângulo menor. Pode-

se estabelecer a seguinte equivalência:

No triângulo AFN:

Então:

9. C

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Matemática

A figura abaixo representa a vista superior da pizza na embalagem.

Como o octógono é regular, e o triângulo AOB é isósceles, têm-se os seguintes ângulos:

Considere no triângulo OMB:

Portanto:

10. D

11

Matemática

==

=

b 3xb 3

a 2xa 2

Aplicando Pitágoras em ABC: g²= x² + 9x², =g x 10

O volume do cone é . Logo:

= = =x².3x

x³ 1 x 13

.

Assim =g 10