Enunciado

Utilize coordenadas cilíndricas.

  1. Ache o volume da região E limitada pelo paraboloide z = 24 - x 2 - y 2 e o cone z = 2 x 2 + y 2 .
  2. Encontre o centroide do E (centro de massa no caso em que a densidade é constante).

Passo 1

Faaaala galera, tudo bem?

Vamos começar!

Precisamos usar coordenadas cilíndricas para resolver o item (a) e (b).

No item (a) precisamos achar o volume da região E , que é limitada por um paraboloide e um cone, com suas expressões respectivamente:

z = 24 - x 2 - y 2

z = 2 x 2 + y 2

Já no item (b), precisamos achar o centroide de E (que é o centro de massa, considerando a densidade constante).

Bastante informação né? Vamos com calma pensar juntos, beleza!?

Para o item (a), vamos lembrar da expressão do volume:

V = ∭ D d V

Onde, d V = d z d x d y

Do enunciado temos a variação de z , que é do cone até o paraboloide:

2 x 2 + y 2 ≤ z ≤ 24 - x 2 - y 2

Como saber quem esta acima? É só você fazer x = 0 e y = 0 em cada expressão, e ver qual tem o maior valor de z .

Para obter os intervalos em x e y , temos que igualar as expressões em z . Porque isso? Assim vamos obter uma expressão de dependa apenas de x e y , ficando mais fácil de expressão os intervalos de variação.

Logo vamos perceber que precisamos aplicar uma mudança para coordenadas cilíndricas do tipo:

x = r cos ⁡ θ

y = r   s e n   θ

Você vai cair em uma expressão do segundo grau para o raio, ai é so você fazer baskara e achar as raízes. Nesse caso, você deve considerar apenas o raio positivo.

Feito isso, você terá o intervelo de variação do raio, que vai de 0 até o valor encontrado. Para o ângulo temos:

0 ≤ θ ≤ 2 π

Para o item (b) precisamos lembra das definiçoies de centroide. Então temos que:

Basta aplicarmos essas equações e encontramos o centroide. Lembre-se que a dendidade é constante.

E que a densidade, massa e volume estão relacionados pela equação:

ρ = m V

Sabendo disso, vamos colocar mão na massa!

Bora lá!!!

Passo 2

Vamos começar pelo item (a).

Como quem estará por cima é o paraboloide, temos que z varia do cone até o paraboloide:

2 x 2 + y 2 ≤ z ≤ 24 - x 2 - y 2

Substituindo na integral do volume:

V = ∭ D d V

Onde, d V = d z d x d y

Então, temos:

V = ∬ D ∫ 2 x 2 + y 2 24 - x 2 - y 2 d z d x d y

Para saber que região D é essa, precisamos igualar os z ’s:

24 - x 2 - y 2 = 2 x 2 + y 2

24 - ( x 2 + y 2 ) = 2 x 2 + y 2

Fazendo a mudança de coordenadas cilíndricas, onde temos:

x = r cos ⁡ θ

  y = r   s e n ⁡ ( θ )

Substituindo, temos:

24 - ( r 2 cos 2 ⁡ θ + r 2   s e n 2 ⁡ ( θ ) ) = 2 r 2 cos 2 �� θ + r 2   s e n 2 ⁡ ( θ )

Utilizando a relação trigonométrica:

s e n 2   θ + cos 2 ⁡ θ = 1

Vamos ter:

24 - r 2 = 2 r 2

24 - r 2 = 2 r

r 2 + 2 r - 24 = 0

Resolvendo essa equação por baskara, temos que as raízes são:

r 1 = 4

r 2 = - 6

Mas não temos valores negativos para r . Então, a região de integração é dada por coordenadas cilíndricas:

E = r , θ , z |   0 ≤ θ ≤ 2 π ,   0 ≤ r ≤ 4 ,   2 r ≤ z ≤ 24 - r 2

Passo 3

Agora precisamos calcular a integra do volume:

V = ∬ D ∫ 2 x 2 + y 2 24 - x 2 - y 2 d z d x d y

Escrevendo tudo em coordenadas cilíndricas, temos:

V = ∫ 0 2 π ∫ 0 4 ∫ 2 r 24 - r 2 r d z d r d θ

Lembre-se, começamos integrando de dentro para fora. Integrando em d z , temos:

V = ∫ 0 2 π ∫ 0 4 r z 2 r 24 - r 2 d r d θ

Aplicando os limites de integração, vai ficar:

V = ∫ 0 2 π ∫ 0 4 r ( 24 - r 2 - 2 r ) d r d θ

V = ∫ 0 2 π ∫ 0 4 24 r - r 3 - 2 r 2 d r d θ

Integrando em d r , vamos ter:

V = ∫ 0 2 π 12 r 2 - r 4 4 - 2 r 3 3 0 4 d θ

Aplicando os limites de integração, ficamos com:

V = ∫ 0 2 π 12 ( 4 ) 2 - 4 4 4 - 2 ( 4 ) 3 3 d θ

Simplificando, temos:

V = ∫ 0 2 π 256 3 d θ

Integranndo em d θ , vamos ter:

V = 256 3 θ 0 2 π

Aplicando os limites de integração, obtemos como resposta:

V = 512 π 3

Passo 4

Agora vamos resolver o item (b).

Sabemos que densidade, massa e volume estão relacionados, certo?

Podemos escrever a massa como:

m = ρ V

Sabemos que a densidade é constante, e volume encontramos no item (a).

Logo temos que:

m = ρ 512 π 3

Agora vamos calcular os centroides, mas antes precisamos determinar os momentos:

Aqui vamos dar uma pausa nos cálculos e analisar um pouco nossa região.

Sabemos que nossa região varia do cone até o paraboloide:

2 x 2 + y 2 ≤ z ≤ 24 - x 2 - y 2

Com o auxilio do Geogebra, temos a seguinte região:

Em roxo temos o cone, e em vermelho o paraboloide.

Observe que em relação ao plano y z e ao plano x z temos simetria. E quando isso acontece o momento em relação a esse plano é zero.

Sabendo disso, podemos concluir que:

M y z = M x z = 0

Logo, nos resta calcular o momento M x y :

M x y = ∭ E z ρ d V

Substituindo em cordenadas cilíndricas, temos:

M x y = ∫ 0 2 π ∫ 0 4 ∫ 2 r 24 - r 2 z ρ r d z d r d θ

Passo 5

Agora precisamos começar a integrar. Mas lembre-se, que começamos de dentro para fora.

Integrando em d z , temos:

M x y = ρ ∫ 0 2 π ∫ 0 4 r z 2 2 2 r 24 - r 2 d r d θ

Aplciando os limites de integração:

M x y = ρ 2 ∫ 0 2 π ∫ 0 4 r 24 - r 2 2 - 4 r 2 d r d θ

M x y = ρ 2 ∫ 0 2 π ∫ 0 4 r 576 - 52 r 2 + r 5 d r d θ

Integrando em d r agora. Vamos ter:

M x y = ρ 2 ∫ 0 2 π 288 r 2 - 13 r 4 + r 6 6 0 4 d θ

Aplicando os limites, temos:

M x y = ρ 2 ∫ 0 2 π 5888 3 d θ

Por fim, ficamos com umaintegral simples em d θ . Integrando, ficamos com:

M x y = ρ 2 5888 3 θ 0 2 π

Aplicando novamente os limites de integração, temos:

M x y = ρ 2 2 π 5888 3

M x y = 5888 3 π ρ

Logo, podemos escrever nossos centroide como:

x , - y , - z - = M y z m , M x z m , M x y m

Como concluímos que M y z e M x z vão ser zeros devido a simetrianos planos y z e x z , temos que o centroide é:

x , - y , - z - = 0,0 , 5888 3 π ρ 512 3 π ρ  

x , - y , - z - = 0,0 , 5888 512  

x , - y , - z - = 0,0 , 11.5  

Resposta

  1. V = 512 π 3
  2. x , - y , - z - = 0,0 , 11.5  
Ver Outros Exercícios desse livro

Exercícios de Livros Relacionados

Calcule a integral, transformando para coordenadas cilíndricas.27. ∫ - 2 2 ∫ - 4 - y 2 4 - y 2 ∫ x 2 + y 2 2 x zd z d x d y
Faça o esboço do sólido cujo volume é dado pela integral e calcule essa integral.16. ∫ 0 π 2 ∫ 0 2 ∫ 0 9 - r 2 r d z d r d θ
Calcule ∭ E z d V , onde E está acima do parabolóide z = x 2 + y 2 e abaixo do plano z = 2 y .
Use uma ferramenta gráfica para desenhar o sólido delimitado pelos paraboloides z = x 2 + y 2 e z = 5 - x 2 - y 2 .
Utilize coordenadas cilíndricas para mostrar que o volume do sólido limitado por cima pela esfera r 2 + z 2 = a 2 , e por baixo pelo cone z = r cotg ⁡ ϕ 0 , onde 0ϕ 0π / 2 é V = 2 π a 3 3 ( 1 - cos ⁡