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O Princípio de Cavalieri

1635
  • Bonaventura Cavalieri
Mathematical derivation of Cavalieri's Principle with geometric shapes in a historical study setting.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Also known as the método of indivisibles, this principle states that if two solids lying between two parallel planes have the property that every plane parallel to the two given planes intersects them in cross-sections of equal area, then the two solids have equal volumes. It provides a powerful method for calculating volumes of complex shapes without calculus.

O princípio de Cavalieri oferece uma maneira elegante e intuitiva de determinar o volume de objetos tridimensionais. Ele formaliza a ideia de dividir um sólido em um número infinito de seções transversais infinitesimalmente finas, ou "indivisíveis". A ideia central é que, se você tem dois sólidos e, para cada altura possível, a área da seção transversal do primeiro sólido é igual à área da seção transversal do segundo sólido, então seus volumes totais devem ser iguais. É como comparar duas pilhas de moedas; se cada moeda em uma pilha tem a mesma área que a moeda correspondente na outra pilha, o volume total de metal é o mesmo, independentemente de como as pilhas estejam inclinadas ou organizadas.

Uma aplicação clássica desse princípio é encontrar o volume de uma esfera. Considere um hemisfério de raio r. Sua área de seção transversal a uma altura h da base é um círculo com área A = π(r)². Pelo teorema de Pitágoras, h² + (r)² = r², então (r)² = r²h². Assim, a área é A = π(r²h²). Agora, considere um cilindro de raio r e altura r, com um cone invertido de mesmo raio e altura removido de seu centro. A área da seção transversal desta forma na altura [latex]h[/latex] é a área do círculo maior (do cilindro) menos a área do círculo menor (do cone). Isso resulta em [latex]A = pi r^2 – pi h^2 = pi(r^2 – h^2)[/latex].

Since the cross-sectional areas are identical at every height [latex]h[/latex], Cavalieri’s principle states that the volume of the hemisphere is equal to the volume of the cylinder-minus-cone shape. The volume of the cylinder is [latex]\pi r^2 \cdot r = \pi r^3[/latex], and the volume of the cone is [latex]\frac{1}{3}\pi r^2 \cdot r = \frac{1}{3}\pi r^3[/latex]. Therefore, the hemisphere’s volume is [latex]\pi r^3 – \frac{1}{3}\pi r^3 = \frac{2}{3}\pi r^3[/latex]. The volume of the full sphere is twice this, or [latex]\frac{4}{3}\pi r^3[/latex]. This method, developed by Bonaventura Cavalieri in the 17th century, was a significant step towards the development of integral calculus by Newton and Leibniz.

UNESCO Nomenclature: 1204
Geometria

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Método de exaustão de Arquimedes
  • Obra de Zu Gengzhi, na China do século V, sobre o cálculo do volume de uma esfera.
  • O conceito de infinitesimais na matemática antiga

Aplicações

  • Calculando o volume de uma esfera
  • Dedução da fórmula do volume de cones e pirâmides
  • cálculo integral (como conceito precursor)
  • Análise de tomografia computadorizada (TC) para medição de volume
  • Engenharia geotécnica para estimativa de volumes de terraplenagem

Patentes:

NA

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Relacionado a: princípio de Cavalieri, método dos indivisíveis, cálculo de volume, cálculo integral, seção transversal, volume da esfera, geometria espacial, cilindro.

Contexto histórico

O Princípio de Cavalieri

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1736
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150
1640
1650
1747
1758

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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