Veremos neste artigo como encontrar a fórmula para o volume da esfera utilizando o conceito de integral definida.
Iniciamos construindo uma circunferência de raio $r$ centrada na origem de um sistema de coordenadas ortogonais.
Se rotacionarmos a circunferência em torno do eixo dos $x$, obteremos uma esfera de raio $r$ centrada na origem.
Para encontrarmos a fórmula para o volume da esfera, vamos supor que a esfera seja composta por infinitos cilindros de larguras infinitesimais $dx$ e raio $y$:
Se tomarmos a fórmula do cilindro e somarmos esses infinitos cilindros, teremos o volume da esfera.
O volume do cilindro é dado pelo produto da área da base por sua altura:
V = A_b \cdot h = \pi\ r^2\ h \tag{1}
$$
Como o raio do cilindro de altura infinitesimal é $dx$ e seu raio é igual a $y$, podemos reescrever a fórmula $(1)$ como:
$$V = \pi \ y^2\ h \tag{2}
$$
Como a esfera é composta por infinitos cilindros infinitesimais, o raio $y$ varia para cada cilindro. E a soma dos volumes desses cilindros pode ser calculada utilizando a integral definida:
$$V = \int_{-r}^{r} \pi \ y^2\ dx \tag{3}
$$
Por outro lado, sabemos que a equação da circunferência é dada por:
$$x^2 + y^2 = r^2
$$
Isolando $y$, obtemos:
$$y = \sqrt{r^2-x^2} \tag{4}
$$
Substituindo $(4)$ em $(3)$, teremos:
$$V = \pi \int_{-r}^{r} \left( \sqrt{r^2-x^2}\right)^2\ dx\\
\ \\
V = \pi \int_{-r}^{r} \left( r^2-x^2 \right)\ dx
$$
A integral de uma subtração é a diferença dos integrais, de modo que:
$$V = \pi \int_{-r}^{r} r^2\ dx - \pi \int_{-r}^{r} x^2\ dx\ \\
V = \pi \Big[ r^2\ x \Big]_{-r}^{r} - \pi \Big[ \frac{x^3}{3} \Big]_{-r}^{r}\\
\ \\
V = \pi \left( r^2\ r - r^2\ (-r)\right) - \pi \left( \frac{r^3}{3} - \frac{(-r)^3}{3} \right)\\
\ \\
V = \pi \left( r^3 + r^3 \right) - \pi \left( \frac{r^3}{3} + \frac{r^3}{3} \right)\\
\ \\
V = 2\ \pi \ r^3 - \frac{2\ \pi \ r^3}{3}\\
\ \\
V = \frac{ 6\ \pi\ r^3 - 2\ \pi\ r^3}{3}\\
$$
Finalmente encontrando:
$$V = \frac{4\ \pi\ r^3}{3}
$$
huuooll bom, me ajudou bastante vlw
ResponderExcluirÔpa!! Que bom!
ResponderExcluircomo é demonstrada a área da esfera??
ResponderExcluirFaz do mesmo jeito que o volume praticamente. Só que no lugar da da área da circunferência vc põe o perímetro da circunferência com isso faz a soma integral e vc chega até a área da esfera. Aqui no ita eles ensinam assim.
ExcluirOlá,
ResponderExcluirVeja só: Eu tenho aqui a demonstração da área da esfera feita por um amigo que me encaminhou após ver esta demosntração do volume. Não postei ainda, porque esse amigo quer tentar uma publicação em alguma revista, por ser algo original, já que não encontramos em nenhum site pela net.
Uma maneira que eu tentaria demosntrar seria muito parecida com a demonstração do volume:na terceira figura acima, ao invés de considerar o volume da fatia infinitesimal, considere sua área e faça a integral definida A= integral[-r,r](2PIy.dx), onde y=sqrt(r^2-x^2)
Resolva a integral e aplique os limites.
Vou tentar fazer por aqui, estando pronto faço um novo post.
Obrigado e um abraço!
Até +
pow isso ae cai em uma indeterminação q ainda não consegui resolver, bom se os calcs estiverem certos .., mas vou continuar tentando...
ResponderExcluirvlw
o volume da esfera apos calculado ele sai em que tipo de escala (cm,dm,mm)?
ResponderExcluirobrigado!
A escala do volume depende da escala do raio. No volume considera-se a figura no espaço, 3 dimensões. Logo a escala do volume é a mesma do raio elevada ao cubo.
ExcluirA saída dependerá de como o problema for colocado. Se as medidas estiverem em cm, o volume deverá ser em cm cúbicos; se for mm, deverá ser em mm cúbicos, e assim por diante. Mas lembre-se de que, se houver num mesmo problema unidades de medidas diferentes, você deverá primeiro transformá-las numa mesma unidade, ok.
ResponderExcluirObrigado por sua visita e por seu comentário!
odiei
ResponderExcluirOlá!! Parabéns pelo blog.
ResponderExcluirTem um jeito sem integral:
Considerando uma esfera de raio R;
um cilindro eqüilátero de raio de base R;
dois cones cujas bases são as do cilindro e cujos vértices situam-se no médio do eixo do cilindro;
se seccionarmos a esfera e o outro sólido formado por cilindro - cones,
percebemos que as superfícies geradas (círculo e coroa circular) possuem áreas iguais, assim os sólidos possuem volumes iguais.
Portanto, se subtrairmos o volume do cilindro pelo volume dos dois cones obtemos o volume da esfera:
V esfera = V cilindro – 2 V cones
= pi.R².2R – 2(1/3.pi.R².R)
= 2.pi.R³ - 2/3.pi.R³
= 4/3.pi. R³
Fonte: 2º Grau Matemática, Gelson Iezzi.
Olá amigo. Obrigado pelo elogio e por sua visita. A forma que você descreveu acima trata-se do Princípio de Cavalieri. A figura gerada da subtração dos cones do cilindro, chama-se anticlipsidra.
ResponderExcluirVeja um estudo que fiz aqui no blog:
http://obaricentrodamente.blogspot.com/2009/12/o-principio-de-cavalieri.html
Um abraço!!
Ih, como eu sou tapado.
ResponderExcluirDa próxima, eu vou verificar as coisas que já foram postadas. =)
Não se preocupe amigo, você expôs um problema clássico História da Matemática que nem todos conhecem que valeu seu comentário.
ResponderExcluirUm abraço!
Gostaria de elogiar o coneúdo do seu blog. É um conteúdo que todos que têm algum conhecimento de cálculo conseguem compreender. Muito bom!
ResponderExcluirOlá João. Agradeço seus elogios e seu comentário. Procuro expor o mais simples possível, pois enquanto fazia faculdade também tive muita dificuldade em encontrar material mais acessível.
ResponderExcluirForte abraço!
cara... simplesmente demais! eu até começei a fazer um blog sobre assuntos de matemática, mas aí eu conheci O BARICENTRO DA MENTE e começei a recomendá-lo a todos, parabéns...
ResponderExcluirHilquias (IFPI)
Obrigado pelas indicações e confiança em meu trabalho. Mas de qualquer forma, não desista de fazer seu blog, pois além do conheciemnto que levamos às outras pessoas, nos faz estar constantemente aprendendo.
ResponderExcluirUm abraço!
Muito bom mas, fiquei com dúvida na parte de
ResponderExcluirV = "Pi" integral de (r² - x²)dx, há mais passos ali quando vai direto para
V = "Pi"[r²x- x³/3]
desculpa há mais passos ali que não apareceu pois sei que há mais passos ali mas realmente tentei resolve aquela parte e não cheguei no mesmo resultado O.K?
Olá Victor, na verdad, nesse momento, $r$ é uma constante e $x$ é a variável. Então estamos integrando a função em $x$. Se temos:
ResponderExcluir$V=\pi \int_{-r}^r(r^2-x^2)dx$
Veja que é uma integral definida. Mas primeiro calculamos sua integral, que dá:
$V=\pi [r^2x-x^3/3]_{-r}^r$
Ok?
Abraços.
Eu uso a integração por partes para integrar?
ExcluirÉ mais fácil a demonstração utilizando coordenadas esféricas. Parabéns pelo ótimo trabalho, tem me auxiliado muito na faculdade. Abraços.
ResponderExcluirFico feliz em saber que estes artigos tem lhe ajudado.
ResponderExcluirObrigado pelo comentário e logios!
Forte abraço!
Muito bom. Me ajudou muito, aprendi mais do que na faculdade.
ResponderExcluirValeu Kleber
Olá Rafael,
ResponderExcluirQue bom que este artigo lhe ajudou, fico feliz em saber.
Um abraço.
Kleber,teria como fazer essas demonstrações sem usar a integral?
ResponderExcluirOlá Barreto,
ResponderExcluirBem, vi num livro uma forma de demonstrção, mas não continha cálculos: o autor supôs que a área da esfera era composta por hexágonos; cada vértice dos hexágonos são ligados ao centro da esfera, formando pirâmides de base hexagonais. Então, somando todos os volumes dessas pirâmidas, obteríamos o volume da esfera.
Mas veja que para termos maior precisão, teríamos que ter infinitas pirâmides com arestas infinitesimais, e o somatório dos volumes destas pirâmides seria o mesmo que uma integral.
Não vejo como fugir disso. Antes de fazer este post, havia pensado em muitas formas e não consegui com nenhuma até cair na integral.
Se encontrar alguma solução, me avise por favor. Ficarei grato.
Um abraço.
Ok!
ResponderExcluirboa ajuda p/ resolução de um trabalho de eng.civil UNIBAN/SP
Olá Raphael,
ResponderExcluirFico feliz em saber.
Um abraço!
infelizmente eu sou do MT e nao estudo a integral. Tem alguma outra forma de eu deduzir o volume de uma esfera? Muito obrigado.
ResponderExcluirÉ bom ler antes que falar. Eu nao vi, mas tem um post seu ja que vc comentou sobre. Valeu
ResponderExcluirOlá amigo,
ResponderExcluirVeja este post no blog Fatos MAtemáticos:
http://fatosmatematicos.blogspot.com/2010/12/arquimedes-e-o-volume-da-esfera.html
Neste artigo, tem uma explicação sobre o Princípio de Cavalieri, onde é possível determinar o volume da esfera:
http://obaricentrodamente.blogspot.com/2009/12/o-principio-de-cavalieri.html
Veja o Princípio de Cavelieri aplicado no volume de um elipsóide de revolução:
http://fatosmatematicos.blogspot.com/2009/07/volume-do-elipsoide-pelo-principio-de.html
Um abraço!
Amigos pq se eu pegar 1/4 de uma circunferencia e multiplicar por duas vezes o seu comprimento, não se tem a área da esfera? Tipo 1/4*2PiR*4PiR= 2Pi²R² Quando a área correta é 4PiR²!
ResponderExcluirOlá José,
ResponderExcluirNão entendi muito bem a relação que quis demonstrar aí, mas ficou claro que não é igual a área da esfera:
$$\frac{1}{4}\cdot 2\pi R\cdot 4\pi R\neq 4\pi R^2$$
Se puder, esclareça melhor.
Um abrçao.
Olá
ResponderExcluirTenho uma dúvida em relação à integração.
Sendo "x" a variável, "r" não deveria ser considerado constante, saindo assim da integral, da mesma forma que aconteceu com "pi"?
Olá,
ResponderExcluirExatamente, x é a variável e r é uma constante (raio).
Veja que a função a ser integrada é $\pi y^2dx$
Quando impomos os limites de integração, de -r a r, note que r é um número qualquer, que é o raio da circunferência, desta forma, não tem como "sair" da integral, pois os $x$ tomarão os valores de -r e r, para qualquer r.
Espero que tenha esclarecido.
Um abraço.
Preciso saber quantas bolinhas cabem dentro de 1 carro AGILE LT 1.4 - 2011?
ResponderExcluirDetalhes do carro:
Comprimento = 3.996mm
Largura =1.939mm
Altura = 1.474mm
Entre- Eixos = 2.543mm
Bolinha = 7.0 cm de Diâmetro
Volume Porta-Malas = 327 litros
Desde ja muito obrigado
Feliz Natal de Fórmulas e Próspero Ano Matemáticos.
HO HO HO - Calc Calc Calc
Olá amigo,
ResponderExcluirBem, este problema não é tão fácil de resolver, pois, apesar das dimensões do veículo que passou, o volume interno não tem tais dimensões, além de ser irregular, pois tem os bancos, a parte sob o console, ...
Problema resolvido 30000 bolinhas.
ResponderExcluirComo foi resolvido, através de cálculos ou por introdução física das bolinhas no carro?
ExcluirObrigado pelo retorno. Abraços.
Kleber, se nao for incomodá-lo, gostaria que me mandasse algum material de Probabilidade e Função - ficarei muito grato.
ResponderExcluirwbscherner@hotmail.com
Abraços
Olá amigos.
ResponderExcluirFiz uma pesquisa sobre o Teorema de Arquimedes onde ele demonstra o volume e a área da Esfera, mas, Fiquei descontente com o comentário de Arquimedes;
"Deste Teorema, segundo o qual o volume da Esfera é quatro vezes o do Cone tendo por base um círculo máximo e altura igual ao raio da Esfera, eu concebi a idéia de que a superfície da Esfera é quatro vezes a de um de seus círculos máximos; pois, a julgar pelo fato de que a área do círculo máximo da Esfera é igual a de um triângulo retângulo que tem por base a circunferência da Esfera e a altura igual ao raio da mesma, vejo que, do mesmo modo, o volume da Esfera é igual ao do Cone com base igual a área ou superfície da Esfera e altura igual ao raio".
Estas afirmações acima citadas por Arquimedes não teriam valor algum se ele não tivesse como as comprovar, porém, Arquimedes não revelou as suas pesquisas.
Como Arquimedes chegou a conclusão que a área da Esfera é quatro vezes a área de um de seus círculos máximos?
Boa pergunta;
A teoria de Aquimedes:
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
A área lateral de um Cone com o diâmetro da sua base o dobro de sua altura multiplicada por um valor X é sempre a área de uma Esfera. Deixo esta tese para analizarmos e chegarmos à conclusão final ocultada por Arquimedes!
Atenciosamente,
Édison Martins da Silva.
e-mail: edi.exemplo@hotmail.com
Site: http://rendiexame1961.com.br/
Compartilhando conhecimentos em Matemática
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
08 / 09 / 2012.
Olá Edison,
ResponderExcluirVou checar o que disse logo acima e chegando numa conclusão, posto aqui.
Abraços!
Olá, Professor Kleber Kilhian.
ExcluirEstamos divulgando uma das maiores descobertas da Matemática Avançada. O Método Geral da Radiciação é o método pelo qual encontramos a raiz "n" de qualquer número. Vejam alguns exemplos de raízes complexas que encontramos usando o MGR: a raiz 7ª de 0,2013 é = 0,79533319796... infinita. A raiz 7ª de 2,013 é = 1,105111895103... infinita. A raiz 5ª de 1,026 é = 1,00514674859... infinita. A raiz 5ª de 352 é = 3,2307885324...infinita. A raiz 7ª de 250 é = 2,20071021028... infinita. A raiz 17ª de 1,9968683524 é = 1,04151999946... infinita. A raiz 11ª de 2013 é = 1,9968683524... infinita. A raiz 7557733ª de 6859 é = 1,000001168779328351164... infinita. A raiz 7ª de 9973 é = 3,723154267655... infinita. A raiz 23ª de 7399 é = 1,473075187225... infinita. A raiz 47ª de 3979 é = 1,1928640079... infinita. Essas raízes complexas foram encontradas pelo Método Geral da Radiciação. Gostaria de enviar para o professor Kleber Kilhian o "ARQUIVO UNIVERSAL DAS RAÍZES "n" BRASILEIRO". Este arquivo foi criado para as pesquisas escolares e para ajudar aos alunos resolverem as questões que envolvem a matéria da Radiciação. Atenciosamente, edinho silva. Édison Martins da Silva. Compartilhando conhecimentos em Matemática Avançada. 25 / 12 / 2013.
Olá Prof. Edison. Envie o arquivo para meu e-mail:
Excluirkleberkilhian@gmail.com
Obrigado e um abraço.
Olá Edson,
ResponderExcluirCheguei ao valor de:
$\displaystyle V= \sqrt{\frac{15625}{2\cdot \pi}}$
$V \approx 49,87 cm^3$
Olá Édison, veja este artigo sobre a área do pentágono:
ResponderExcluirhttp://obaricentrodamente.blogspot.com.br/2010/03/uma-demonstracao-para-area-do-pentagono.html
Parabéns pelo seu blog, ele é ÓTIMO! :D
ResponderExcluirSó fique com dúvida em como vc integrou o (r²-x²)??? Poderia me demonstrar este passo por favor? :D
Grande Abraço!0////
Este passo está em $\displaystyle \int_-r^r(r^2-x^2)dx$
Corrigindo rsrs'
Excluir$\displaystyle \int-r,r(r^2-x^2)dx$
vixi, deixa quieto, acho que vc entendeu onde está rsrsrs'
ExcluirOlá, acho que é esta parte que quer saber:
ResponderExcluir$\displaystyle V=\pi \int_{-r}^r(r^2-x^2)dx$
Veja que estamos integrando em relação a $x$ e $r$ é uma constante. Assim, fazemos:
$\displaystyle V=\pi\left[r^2x-\frac{x^3}{3}\right]_{-r}^r$
Depois aplicamos os limites.
Espero ter esclarecido esta dúvida.
Abraços.
Adorei,esse conteudo me ajudou muito.Muito bom mesmo!!!
ResponderExcluirKléber po que os meus comentários e dúvidas não aparecem aqui?
ResponderExcluirOu eu fui excluído de enviar comentários? Por favor me de uma resposta porque o sistema aí está fazendo alguns passarem pela peneira ( exclusão)
Hamilton. Eu publuco todos seus comentários. Não sei pq vc não os vê. inclusive o anterior a este contendo a mesma reclamação, que respondi.
ExcluirAbraços
uma duvida.... é possivel derivar e integral( a circunferencia,circulo e esfera) em relação ao raio, pq no exemplo ele deriva o volume(4/3pir^3) na area da esfera(4pir^2), mas derivando a area da esfera encontramos 8pir... o que representa esse 8pir, pois nao é o comprimento da cinfunferencia(2pir)
ResponderExcluirNão sei se tem alguma relação a derivada do área ser igual a $2\pi r$. Acredito ser mera coincidência de que a derivada do volume em relação ao raio seja a área. Procurei na internet para ver se encontrava alguma explicação, mas não vi nada. Abraços.
ExcluirObrigado, gosto de coisas simples e objetivas e o site proporcionou isso.
ResponderExcluirAbraços Edu
parabéns pela iniciativa, dentro em breve concluo minha graduação em mecatrônica e este seu esforço contribuiu para aprimorar meus conhecimentos. Muito obrigado my brother
ResponderExcluirFico muito grato em saber disso! Parabéns pela conquista!
ExcluirUm abraço!
A demonstração do volume da esfera que vc fez também ficou top, mas foi noutro post.
ResponderExcluirAgora neste, você chama o cone de "pirâmide de base circular". Achei um tanto engraçado, pois sabemos que o cone vem de um cilindro, cuja base é um círculo, como sabemos. Se o cone pode ser denominado "pirâmide de base circular", então, por abstração lógica, o cilindro é um prisma de base circular.
E a esfera?
Bom, vou arriscar: um poliedro de infinitas faces. Que tal "infinitoedro", em vez de esfera kkk...
Olá. Sim, o cone é uma pirâmide de base circular. Assim como o cilindro é um prisma de base circular. Recebem nomes específicos por possuírem propriedades especiais. Sim, e você pode pensar que um círculo é um polígono de infinitos lados, e por analogia, uma esfera é um poliedro de infinitas faces. Quanto ao nome, você pode dar o nome que quiser, desde que as propriedades sejam mantidas.
Excluir