Antônio Acra Freiria
FFCL - USP, Ribeirão Preto
André Costa Freiria
FCAV - UNESP, Jaboticabal

     Introdução

A erosão do solo constitui a principal causa do depauperamento das terras e das estradas. O grande desgaste que as águas das chuvas provocam nas terras e nas estradas pode, porém, ser amenizado com o uso de algumas medidas práticas. Uma dessas medidas é a captação das águas dos pântanos e das chuvas em cacimbas, que são como poços. Uma vez captadas adequadamente, as águas, ao invés de causar erosão, irão infiltrar-se nas camadas do solo, abastecendo o lençol freático e enriquecendo as minas de águas, que servirão de bebedouro ao gado e fonte de irrigação para culturas agrícolas.

Tal procedimento tem sido adotado no município de Batatais, SP. A partir do mapa pluviométrico do Estado, verifica-se que a maior concentração de chuvas ocorre no período de outubro a março, com precipitações entre 60 a 150 mm. Um levantamento topográfico permite estimar o volume das bacias de exposição das águas nas estradas.

     O problema matemático

Captar as águas das chuvas é tirá-las da estrada e colocá-las nas cacimbas. A questão agora é dimensionar as cacimbas a serem construídas.

Considera-se, para efeito de modelagem, que o trecho da estrada em questão seja um paralelepípedo retângulo de dimensões conhecidas. Em particular, a altura do paralelepípedo é a precipitação das chuvas (Figura 1). Portanto, o volume VP do paralelepípedo é também conhecido facilmente, pois o volume de um paralelepípedo retângulo é dado pelo produto de suas dimensões.


Figura 1

As cacimbas são concebidas na forma de um segmento esférico de uma base, que é a seção de uma esfera (sólida) por um plano. No nosso caso, consideraremos sempre um segmento esférico de uma base contido em um hemisfério.

O segmento esférico de uma base pode ser caracterizado pelo raio R da esfera da qual foi tirado e por sua altura h, que é a distância do plano seccionador ao polo da esfera mais próximo, ou então pelo raio r da circunferência de sua base e pela mesma altura h (ver Figura 2a). Cada um destes raios pode ser deduzido do outro, pois uma conhecida relação métrica no triângulo retângulo mostra que r2 = h(2R - h). A figura 2b é uma seção da Figura 2a.

             
                               Figura 2a                                                      Figura 2b

Naturalmente, se a água da estrada, que ocupa o volume VP, vai ser transferida para n cacimbas de mesmo tamanho, o problema consiste agora em determinar as dimensões de cada cacimba de modo que a soma de seus volumes seja igual a VP, isto é, que nVc = VP, onde é o volume de cada cacimba.

     O volume de um segmento esférico de uma base

O volume de um segmento esférico de uma base pode ser calculado de diversas maneiras, nenhuma das quais é trivial. Um procedimento possível usa o Princípio de Cavalieri e está desenvolvido no Apêndice a este artigo. Para maiores detalhes sobre o Princípio de Cavalieri, ver Referência [1] ou [2].

O resultado é:

     Determinação das dimensões das cacimbas

A prática sugere que seja fixado o raio r da base da cacimba, ficando a altura h como incógnita.

A equação resultante será: ,

ou seja: , lembrando que a constante é um dado do problema.

A equação h3 + 3r2h - k = 0 é uma equação do terceiro grau, que não costuma freqüentar os problemas usuais do Ensino Médio. O artigo citado na referência [3] já mencionava outros problemas de Geometria que recaíam naturalmente em equações do terceiro grau e sugeria resolvê-las pelo método de Newton, que tem uma versão “elementar” (sem usar Cálculo Diferencial) para equações polinomiais.

Se o leitor preferir, pode também usar métodos algébricos (ver [4]), ou utilizar métodos gráficos aproximados, como, por exemplo, procurar graficamente a interseção da curva y = x3 e y = -3r2h + k a reta , equivalente à solução da equação .

Em um exemplo realista, a precipitação pluviométrica pode ser de 100 mm, sendo a área de exposição de 100 m de comprimento por 10 m de largura. A análise experimental recomenda a construção de 4 cacimbas, cada uma com raio da base igual a 3 m.

Portanto: n = 4  e  r = 3, enquanto   VP = 100 x 10 x 0,1 = 100m3 (equivalente a 100 mil litros de água).

Logo: .

A equação resultante é, pois:  ,   para  a  qual  a  única  solução   positiva é: h = 1,613m. Portanto, 4 cacimbas com 3 metros de raio da base e 1,613 m de altura captariam os 100 mil litros das águas das chuvas. Para a construção efetiva de cada cacimba, é necessário também conhecer o raio da esfera da qual ela é parte.

No caso: .

Nota da RPM: Volume de um segmento esférico de uma base

A figura da página seguinte apresenta, na parte de cima, à esquerda, uma seção reta de uma esfera de centro O e raio R, com seu segmento esférico de uma base de altura h, cujo ponto mais baixo é o pólo sul S. A base do segmento esférico, que na figura aparece, em perspectiva, como o segmento CD, está contida no plano P. Uma seção genérica por um plano Q, perpendicular a OS, determina no segmento esférico um círculo de centro M e raio MB. Esse círculo aparece na figura superior, em perspectiva, como o segmento AB, e aparece rebatido na figura inferior.

Chamando OM = x, temos e, portanto, a área do círculo é .

À direita da figura, na parte de cima, aparece a seção reta de um correspondente cilindro circular reto, com raio da base e altura ambos iguais ao mesmo R anterior. Inscrito nesse cilindro, está um cone circular reto, com base e altura coincidentes com as do cilindro. O mesmo plano P anterior determina nesses sólidos a seção EFGH, que dista h da base comum. Esse plano delimita, no cilindro, o círculo que vemos como EH e, no cone, o círculo que vemos como FG, surgindo então um cilindro menor, com a mesma base anterior e altura h, e um tronco de cone, com altura h, cuja base maior é a mesma anterior e cuja base menor é o círculo FG, o qual tem raio R - h.

A partir de agora, nosso interesse vai concentrar-se no sólido , que é a diferença entre este novo cilindro e o tronco de cone. O mesmo plano Q anterior determina no sólido uma seção em forma de coroa circular, cujo rebatimento aparece na parte inferior direita da Figura 3. Como O´M´ = M´N´ = OM = x, a área desta coroa é , ou seja, a mesma área da seção da esquerda. Mas então, pelo Princípio de Cavalieri, o volume procurado do segmento esférico de uma base é o mesmo que o do sólido, o qual pode ser obtido por fórmulas mais conhecidas, já que é a diferença entre um cilindro de raio da base R e altura h e um tronco de cone de altura h, com raios das bases iguais a R e R - h. Ficamos com:


Referências bibliográficas:
[1] Lima, E.L., Carvalho, P.C.P., Wagner, E., Morgado, A.C., A Matemática do Ensino Médio, Sociedade Brasileira de Matemática, Coleção do Professor de Matemática, 1998
[2] Lima, E.L., Medida e Forma em Geometria, IMPA-VITAE, 1993
[3] Carneiro, J.P., Equações algébricas de grau maior que dois: assunto para o Ensino Médio? - RPM 40; 2º quadrimestre de 1999 – pp.31-40
[4] Milies, C.P., A solução de Tatrtaglia para a equação do 3º grau, RPM 25; 1994