Matemática Essencial

Ensino Fundamental, Médio e Superior no Brasil

Geometria
Cilindros
Ulysses Sodré

Material desta página

1 Introdução aos cilindros

O conceito de cilindro é muito importante. Nas cozinhas encontramos muitas aplicações do uso de cilindros. Nas construções, observamos caixas para água, ferramentas, objetos, vasos de plantas, todos eles com formas cilíndricas.

Existem outras formas cilíndricas diferentes das comuns, como por exemplo o cilindro sinusoidal obtido pela translação da função seno.

Aplicações práticas: Os cilindros abaixo sugerem alguma aplicação importante em sua vida?

2 A Construção de cilindros

Seja \(P\) um plano e nele vamos construir um círculo de raio \(r\) e tomar também um segmento de reta \(AB\) que não seja paralelo ao plano \(P\) e nem esteja contido neste plano \(P\). Um cilindro circular é a reunião de todos os segmentos congruentes e paralelos a \(AB\) com uma extremidade no círculo.

Um cilindro é uma superfície no espaço \(R^3\), mas muitas vezes vale a pena considerar o cilindro como a região sólida contida dentro do cilindro. Quando nos referirmos ao cilindro como um sólido usamos a palavra negritada, isto é, cilindro e quando é uma superfície, apenas escrevemos cilindro.

A reta que contém o segmento \(AB\) recebe o nome de geratriz e a curva que fica no plano do chão é a diretriz.

Em função da inclinação do segmento \(AB\) em relação ao plano do chão, o cilindro é denominado reto ou oblíquo, respectivamente, se o segmento \(AB\) é perpendicular ou oblíquo ao plano que contém a curva diretriz.

3 Objetos geométricos em um cilindro

Em um cilindro, podemos identificar vários elementos:

  1. Base: É a região plana contendo a curva diretriz e todo o seu interior. Em um cilindro existem duas bases.
  2. Eixo: É o segmento de reta que liga os centros das bases do cilindro.
  3. Altura: A altura de um cilindro é a distância entre os dois planos paralelos que contêm as bases do cilindro.
  4. Superfície Lateral: É o conjunto de todos os pontos do espaço, que não estão nas bases, obtidos pelo deslocamento paralelo da geratriz sempre apoiada sobre a curva diretriz.
  5. Superfície Total: É o conjunto de todos os pontos da superfície lateral reunido com os pontos das bases do cilindro.
  6. Área lateral: É a medida da superfície lateral do cilindro.
  7. Área total: É a medida da superfície total do cilindro.
  8. Seção meridiana de um cilindro: É uma região poligonal obtida pela interseção de um plano vertical que passa pelo centro do cilindro com o cilindro.

4 Extensão do conceito de cilindro

As características apresentadas antes para cilindros circulares, são também possíveis para outros tipos de curvas diretrizes, como: elipse, parábola, hipérbole, seno ou outra curva simples e suave num plano.

Mesmo que a diretriz não seja uma curva conhecida, ainda assim existem cilindros obtidos quando a curva diretriz é formada por uma reunião de curvas simples. Por exemplo, se a diretriz é uma curva de formato retangular, temos uma situação patológica e o cilindro recebe o nome especial de prisma.

Em função da curva diretriz, o cilindro recebe o nome de cilindro: elíptico, parabólico, hiperbólico, sinusoidal (telha de cimento).

5 Classificação dos cilindros circulares

  1. Cilindro circular oblíquo: Apresenta as geratrizes oblíquas em relação aos planos das bases.
  2. Cilindro circular reto: As geratrizes são perpendiculares aos planos das bases. Este tipo de cilindro é também denominado cilindro de revolução, pois é gerado pela rotação de um retângulo.
  3. Cilindro equilátero: É um cilindro de revolução cuja seção meridiana é um quadrado.

6 Volume de um sólido cilíndrico

Em um cilindro, o volume é dado pelo produto da área da base pela altura.

\[V = A(base) \cdot h\]

Se a base é um círculo de raio \(r\) e \(\pi=3,141593...\), então:

\[V = \pi r^2 h\]

Exercício: Calcular o volume de um cilindro oblíquo com base elíptica (semi-eixos \(a\) e \(b\)) e altura \(h\). Dica: Veja nesta mesma Página Matemática Essencial, um link sobre a área da região elíptica.

7 Área lateral e área total de um cilindro circular reto

Em um cilindro circular reto, a área lateral é obtida por \(A(lat)=2\pi r h\), onde \(r\) é o raio da base e \(h\) é a altura do cilindro. A área total corresponde à soma da área lateral com o dobro da área da base.

\[A(tot) = A(lat) + 2 A(base) = 2 \pi r h + 2 \pi r^2 = 2 \pi r(h+r)\]

Exemplo: Um cilindro circular equilátero tem a altura é igual ao diâmetro da base, isto é \(h=2r\).

Para calcular a área lateral, a área total e o volume, podemos usar as fórmulas, dadas por:

  1. \(A(lat) = 4 \pi r^2\)
  2. \(A(base) = \pi r^2\)
  3. \(A(tot) = A(lateral) + 2 A(base) = 6\pi r^2\)
  4. \(V = A(base).h = \pi r^2.2r = 2\pi r^3\)

Exercício: Seja um cilindro circular reto de raio \(r=2\operatorname{cm}\) e altura \(h=3\operatorname{cm}\). Calcular a área lateral, área total e o seu volume.

  1. \(A(base) = \pi r^2 = \pi 2^2 = 4 \pi\operatorname{cm}^2\)
  2. \(A(lat) = 2\pi r h = 2\pi(2)(3) = 12\pi\operatorname{cm}^2\)
  3. \(A(tot) = A(lat) + 2 A(base) = 12\pi + 8\pi = 20\pi\operatorname{cm}^2\)
  4. \(V = A(base) \cdot h = \pi r^2 h = \pi(4)(3) = 12\pi\operatorname{cm}^3\)