Matemática

A corda em volta da Terra

O raio não entra na conta: dois pi metros de corda para cada metro de altura.

Quadro do vídeo “A corda em volta da Terra” Vídeo pronto — em breve no canal
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A pergunta

Imagine uma corda em volta da Terra, no equador, encostada no chão: são 40.075 km de corda. Agora levante essa corda um metro do chão — o anel inteiro, na mesma altura. Quantos metros de corda a mais você precisa?

Quase todo mundo chuta em quilômetros. A corda é gigante, então a correção tem de ser gigante. A resposta é 6,28 metros: um pedaço de corda que cabe numa sala levanta um metro um anel que dá a volta no planeta. E tem uma coisa mais estranha que essa: o tamanho da Terra não entra na conta. Uma bola de futebol, o Sol, o universo inteiro — os mesmos 6,28 metros.

A conta

Um círculo de raio tem comprimento

É a única coisa que a conta usa, e é a definição de ao contrário: divida o comprimento de qualquer círculo pelo diâmetro e você cai sempre no mesmo número. Levantar a corda metros é desenhar um segundo círculo, com raio . A corda nova mede

O primeiro pedaço é exatamente a corda velha. Então a corda a mais é

O termo que carrega o raio aparece nas duas cordas e vai embora na subtração. Não é que o raio seja pequeno ou desprezível: ele não está lá. E o que sobra, , mostra o papel da altura: levante dois metros e são 12,57 m; levante dez e são 62,83 m. Dois pi metros de corda para cada metro de altura.

O desenho está na proporção verdadeira; quando o vão some, a lupa amplia o topo. Embaixo, as duas cordas com todos os algarismos.

Qualquer círculo

Depois da conta o resultado continua parecendo errado, então vale ver acontecendo. A tabela vai do átomo de hidrogênio ao universo observável — quase 37 ordens de grandeza de diferença entre o menor e o maior raio.

círculoraioa voltacorda nova ÷ velhacorda a mais
átomo de hidrogênio0,053 nm0,332 nm1,89 × 10¹⁰6,28 m
bola de futebol11,0 cm69,1 cm10,096,28 m
Terra (equador)6.378 km40.075 km1 + 1,6 × 10⁻⁷6,28 m
Sol695.700 km4.371.212 km1 + 1,4 × 10⁻⁹6,28 m
universo observável4,65 × 10¹⁰ anos-luz2,92 × 10¹¹ anos-luz1 + 2,3 × 10⁻²⁷6,28 m

A coluna da razão vai de quase vinte bilhões no átomo a praticamente 1 na Terra. A coluna da direita não muda uma casa decimal. Não é aproximação: é igualdade, e vale para todo raio.

Por que parece errado

Porque a gente ouve que a Terra é gigante e conclui que a correção também tem de ser gigante. E em porcentagem ela é mesmo minúscula:

Dezesseis milionésimos de um por cento. Só que a pergunta não foi em porcentagem.

Ponha o raio num eixo e o comprimento no outro: é uma reta. Reta quer dizer inclinação constante — andar um metro para a direita sobe sempre a mesma altura, no começo da reta ou a seis milhões de metros dali. Em linguagem de cálculo, a derivada do comprimento em relação ao raio é constante:

A intuição não é burra: ela está respondendo a outra pergunta. Se você perguntasse pela área, o tamanho importaria muitíssimo. A faixa de largura em volta de um disco de raio tem área

e esse não vai embora. Com m, a faixa em volta da Terra tem 4,01 × 10⁷ m² — quarenta milhões de metros quadrados —, e a faixa em volta de uma bola de futebol, 3,83 m². Área cresce com o quadrado do raio; a derivada dela, , é o próprio comprimento, e depende do tamanho. Comprimento cresce com o raio, e só.

A mesma escala vertical nos dois quadros. Mova o raio do círculo: o degrau da reta não muda; o da área foge do quadro.

A pista de atletismo

Isso aparece toda vez que você assiste a uma corrida. Numa pista de 400 m os corredores largam escalonados, cada um à frente do vizinho de dentro, porque a raia de fora é mais comprida. Mais comprida quanto? Nas retas as raias são paralelas e valem o mesmo, então a diferença inteira está nas curvas — e as duas curvas, juntas, fecham um círculo. A raia tem 1,22 m de largura:

É o escalonamento que a norma manda desenhar. E repare no que decide esse número: a largura da raia. O tamanho da pista, não — uma pista olímpica e uma pistinha coberta escalonam igual.

Largadas calculadas pela norma. Aperte Correr: todos correm a mesma distância e chegam juntos.

E se a corda for puxada por um ponto só?

Uma variante clássica deixa a intuição em pedaços pela segunda vez. Pegue a corda justa em volta da Terra e acrescente 1 metro. Distribuída por igual, essa folga levanta o anel inteiro só 15,9 cm — dá para um gato passar por baixo, e pouco mais. Agora, em vez disso, puxe a corda para cima num ponto só, como uma tenda, até ela ficar esticada. Qual a altura do pico?

As duas pernas da tenda são tangentes à Terra. Cada uma troca um arco de comprimento por um segmento de comprimento , em que é o ângulo, visto do centro, entre o pico e o ponto onde a corda volta a encostar. A folga é a soma das duas trocas, e a altura do pico sai do triângulo retângulo:

Para ângulos pequenos, e , o que dá

Com km e 1 m de folga, o pico fica a 121,46 m do chão (a aproximação dá 121,46 m), e a corda só volta a encostar a 39,3 km de distância, para cada lado. O mesmo metro: 16 cm por igual, ou um prédio de quarenta andares num ponto só. Aqui o raio entra na conta — a altura cresce como .

O chão é a curva do planeta; a escala vertical é exagerada e o exagero está escrito. A folga vai de 1 cm a 100 m.

Os números do episódio

O que o vídeo diz Valor De onde sai
corda a mais para levantar 1 m 6,28 m 2π × 1 m
… 2 m 12,57 m 2π × 2 m
… 10 m 62,83 m 2π × 10 m
volta da Terra no equador 40.075 km 2π × 6.378 km
aumento relativo, na Terra 0,0000157% 1 m ÷ raio da Terra
faixa de 1 m em volta da Terra 4,01 × 10⁷ m² π(2R + 1)
… em volta de uma bola de futebol 3,83 m² π(2 × 0,11 + 1)
escalonamento por raia (1,22 m) 7,67 m 2π × 1,22 m
1 m de folga puxado num ponto 121,46 m 2R(tg θ − θ) = 1 m

Desafios

Desafio 1 · aquecimento

A prova de 200 m tem uma curva só. Quanto cada raia larga à frente da vizinha de dentro?

Ver a solução

Uma curva é meia volta: m por raia. Na prova de 400 m são duas curvas, uma volta inteira, e o dobro: 7,67 m.

Desafio 2 · pede uma ideia

Um planeta quadrado, de lado , tem uma corda justa em volta (comprimento ). Você afasta a corda 1 m do planeta em todos os pontos, mantendo a distância de 1 m também nos cantos. Quanto de corda a mais?

Ver a solução

Nos lados, a corda corre paralela, com o mesmo comprimento . Nos quatro cantos, para ficar a 1 m do vértice, ela faz quatro quartos de círculo de raio 1 m — que juntos fecham um círculo inteiro. Corda a mais: m de novo. Vale para qualquer forma convexa (é a fórmula de Steiner): a curva paralela a distância tem a mais, porque nas curvas a corda dá, no total, exatamente uma volta.

Desafio 3 · pede uma ideia

Com 1 m de folga distribuído por igual em volta da Terra, a corda sobe uns 16 cm. E em volta de uma bola de futebol?

Ver a solução

Os mesmos cm: a conta não tem raio. Só a versão “puxada num ponto” depende do tamanho.

Desafio 4 · pede várias

Mostre que a altura da tenda cresce como e confira: com a mesma folga de 1 m, quanto fica o pico em volta do Sol ( km)?

Ver a solução

Da aproximação, (em metros, com folga de 1 m). Então : o pico em volta do Sol fica a uns 580,55 m.

Para ir além

  • A fórmula de Steiner generaliza a corda: para qualquer forma convexa, a curva paralela a distância mede o perímetro original mais , e a área cresce — o mesmo par “comprimento sem tamanho, área com tamanho”.
  • O "" é uma derivada constante; a área ter derivada é o começo de o que é uma derivada.
  • No laboratório, as quatro vistas juntas.

No laboratório

As figuras deste episódio, em tamanho grande e com todos os controles.

Shorts deste episódio

Cortes verticais com a mesma narração — e as provas sem palavras que acompanham o tema.

1:23

O raio não entra na conta

Em breve no canal

0:33

Quanta corda para levantar um metro?

Para assistir depois

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