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Aplicações da derivada

Taxas relacionadas: método passo a passo com escada e cone

Resolva problemas de taxas relacionadas com um método claro: escada deslizando, balão inflando e cone enchendo, resolvidos por completo, e os erros a evitar.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura

Nesta página
  1. O que são taxas relacionadas?
  2. O método das taxas relacionadas
  3. Exemplo resolvido 1: a escada deslizando
  4. Exemplo resolvido 2: o balão inflando
  5. Exemplo resolvido 3: enchendo um tanque em forma de cone
  6. Erros comuns: substituir cedo demais, e outros
  7. Resumo rápido
  8. Ganhe confiança com a prática

Ar é bombeado para dentro de um balão a uma taxa constante. O raio também cresce a uma taxa constante? Não, e descobrir exatamente com que rapidez ele cresce é um problema de taxas relacionadas. Esses problemas assustam muitos estudantes porque têm enunciados longos, mas todos seguem a mesma receita curta. Depois que você a enxerga, a escada, o balão e o cone são o mesmo problema com fantasias diferentes.

O que são taxas relacionadas?

Num problema de taxas relacionadas, duas ou mais grandezas variam com o tempo e estão amarradas por uma equação. Você sabe a rapidez com que uma delas varia e quer a rapidez com que outra varia num instante específico.

A ferramenta é a derivação implícita em relação ao tempo. Se x e y dependem ambos de t, a regra da cadeia dá, por exemplo,

\frac{d}{dt}\left(x^2 + y^2\right) = 2x\frac{dx}{dt} + 2y\frac{dy}{dt}

Cada variável ganha sua própria taxa. É essa única equação que faz as taxas ficarem "relacionadas".

O método das taxas relacionadas

  1. Faça um desenho e rotule com uma variável cada grandeza que varia. Rotule as constantes com seus valores.
  2. Liste o que você sabe e o que quer, como taxas: por exemplo, "sei \frac{dx}{dt} = 2, quero \frac{dy}{dt} quando x = 6".
  3. Escreva uma equação que relacione as variáveis (Pitágoras, uma fórmula de volume, semelhança de triângulos).
  4. Derive os dois lados em relação a t.
  5. Substitua os valores no instante pedido e resolva para a taxa desconhecida. Inclua as unidades e confira o sinal.

A regra mais importante está nos passos 4 e 5: primeiro derive, depois substitua.

Exemplo resolvido 1: a escada deslizando

Uma escada de 10 metros está apoiada numa parede. A base escorrega para longe da parede a 2 metros por segundo. Com que rapidez o topo desliza para baixo quando a base está a 6 metros da parede?

Passo 1. Desenho. Seja x a distância da parede até a base da escada e y a altura do topo. O comprimento da escada, 10, é constante.

Passo 2. Sei e quero. Sei \frac{dx}{dt} = 2 m/s. Quero \frac{dy}{dt} quando x = 6.

Passo 3. Equação. A parede, o chão e a escada formam um triângulo retângulo:

x^2 + y^2 = 100

Passo 4. Derive em relação a t.

2x\frac{dx}{dt} + 2y\frac{dy}{dt} = 0

Passo 5. Substitua e resolva. Quando x = 6, a equação dá y = \sqrt{100 - 36} = 8. Então

2(6)(2) + 2(8)\frac{dy}{dt} = 0 \quad\Longrightarrow\quad 24 + 16\frac{dy}{dt} = 0 \quad\Longrightarrow\quad \frac{dy}{dt} = -\frac{3}{2}

Resposta: o topo desliza para baixo a 1,5 metro por segundo. O sinal negativo significa que a altura está diminuindo, o que bate com o desenho.

Altura do topo da escada y = √(100 - x²) em função da distância da base, com a tangente em x = 6
Em x = 6 a curva tem inclinação \frac{dy}{dx} = -\frac{6}{8} = -0.75. Mover a base a 2 m/s faz, portanto, o topo se mover a -0.75 \times 2 = -1.5 m/s.

O gráfico mostra algo que a fórmula esconde. A curva fica mais íngreme quando x se aproxima de 10, então, mesmo com a base se movendo a constantes 2 m/s, o topo cai cada vez mais rápido perto do fim.

Exemplo resolvido 2: o balão inflando

Ar é bombeado para dentro de um balão esférico a 100 centímetros cúbicos por segundo. Com que rapidez o raio está aumentando quando o raio mede 5 cm?

Passo 1. Desenho. Uma esfera de raio r e volume V, ambos variando.

Passo 2. Sei e quero. Sei \frac{dV}{dt} = 100 cm³/s. Quero \frac{dr}{dt} quando r = 5.

Passo 3. Equação. O volume da esfera:

V = \tfrac{4}{3}\pi r^3

Passo 4. Derive em relação a t.

\frac{dV}{dt} = 4\pi r^2\frac{dr}{dt}

Passo 5. Substitua e resolva.

100 = 4\pi(5)^2\frac{dr}{dt} = 100\pi\frac{dr}{dt} \quad\Longrightarrow\quad \frac{dr}{dt} = \frac{1}{\pi} \approx 0.318 \text{ cm/s}

Resposta: nesse instante, o raio cresce cerca de 0,32 cm por segundo.

Isso responde à pergunta do início. Resolver o passo 4 de forma geral dá \frac{dr}{dt} = \frac{100}{4\pi r^2} = \frac{25}{\pi r^2}, que diminui quando r cresce. O ar entra a uma taxa constante, mas precisa se espalhar por uma superfície cada vez maior, então o raio cresce mais devagar.

Taxa de crescimento do raio dr/dt = 25/(πr²) para um balão enchido a 100 cm³/s
Quanto maior o balão, mais devagar o raio cresce. Em r = 5, \frac{dr}{dt} = \frac{1}{\pi} \approx 0.32 cm/s.

Dá para levar o mesmo exemplo mais longe. A área da superfície é S = 4\pi r^2, então \frac{dS}{dt} = 8\pi r\frac{dr}{dt} = 8\pi(5)\cdot\frac{1}{\pi} = 40 cm²/s nesse mesmo instante.

Exemplo resolvido 3: enchendo um tanque em forma de cone

Um tanque é um cone de cabeça para baixo, com 12 metros de altura e raio de 4 metros no topo. A água entra a 2 metros cúbicos por minuto. Com que rapidez o nível da água sobe quando a água tem 6 metros de profundidade?

Passo 1. Desenho. A água forma um cone menor, com profundidade h e raio da superfície r, ambos variando.

Passo 2. Sei e quero. Sei \frac{dV}{dt} = 2 m³/min. Quero \frac{dh}{dt} quando h = 6.

Passo 3. Equação. O volume do cone é V = \frac{1}{3}\pi r^2 h, que tem duas variáveis que mudam. Elimine r com semelhança de triângulos: o cone de água tem o mesmo formato do tanque, então

\frac{r}{h} = \frac{4}{12} \quad\Longrightarrow\quad r = \frac{h}{3}

Substitua essa relação (ela vale em todo instante, então é seguro usá-la agora):

V = \frac{1}{3}\pi\left(\frac{h}{3}\right)^2 h = \frac{\pi h^3}{27}

Passo 4. Derive em relação a t.

\frac{dV}{dt} = \frac{3\pi h^2}{27}\frac{dh}{dt} = \frac{\pi h^2}{9}\frac{dh}{dt}

Passo 5. Substitua e resolva. Com h = 6:

2 = \frac{\pi(36)}{9}\frac{dh}{dt} = 4\pi\frac{dh}{dt} \quad\Longrightarrow\quad \frac{dh}{dt} = \frac{1}{2\pi} \approx 0.159 \text{ m/min}

Resposta: o nível da água sobe cerca de 0,16 metro por minuto, ou seja, uns 16 centímetros por minuto.

Dica: em problemas com cone, elimine o raio com semelhança de triângulos antes de derivar. Caso contrário, você fica com \frac{dr}{dt} e \frac{dh}{dt} e uma única equação.

Erros comuns: substituir cedo demais, e outros

1. Substituir os números antes de derivar. Esse é o maior de todos. No problema da escada, suponha que você substitua x = 6 primeiro:

36 + y^2 = 100

Derivar agora dá 2y\frac{dy}{dt} = 0, então \frac{dy}{dt} = 0. Isso diz que o topo da escada não se move, o que é absurdo. Ao substituir x = 6, você congelou x e apagou \frac{dx}{dt}. Os valores no "instante pedido" são uma fotografia; substitua-os só depois de calcular a derivada.

A exceção é uma constante de verdade. O comprimento da escada, 10, e as dimensões do tanque, 4 e 12, nunca mudam, então você pode usá-los desde o começo. A relação r = \frac{h}{3} também é segura, porque vale em todo instante.

2. Esquecer um fator de taxa. \frac{d}{dt}(r^3) = 3r^2\frac{dr}{dt}, não 3r^2. Toda variável que muda carrega sua própria taxa.

3. Sinais errados. Se uma grandeza está diminuindo (um tanque esvaziando, o topo de uma escada caindo), sua taxa é negativa. Coloque-a assim e confira o sinal da resposta com o desenho.

4. Valores faltando. No problema da escada você recebe x, mas também precisa de y. Use a equação original para encontrá-lo.

5. Misturar unidades. Taxas têm unidades como m/s ou cm³/s. Se uma taxa estiver em minutos e outra em segundos, converta antes de substituir.

Resumo rápido

Tipo de problema Equação Depois de derivar
Escada, distância x^2 + y^2 = L^2 x\frac{dx}{dt} + y\frac{dy}{dt} = 0
Volume da esfera V = \frac{4}{3}\pi r^3 \frac{dV}{dt} = 4\pi r^2\frac{dr}{dt}
Área do círculo A = \pi r^2 \frac{dA}{dt} = 2\pi r\frac{dr}{dt}
Cone, r = kh V = \frac{1}{3}\pi k^2 h^3 \frac{dV}{dt} = \pi k^2 h^2\frac{dh}{dt}
Cilindro, r fixo V = \pi r^2 h \frac{dV}{dt} = \pi r^2\frac{dh}{dt}

Ganhe confiança com a prática

Taxas relacionadas só parecem difíceis até o método virar hábito: desenho, equação, derivar e depois substituir. A lição interativa abaixo divide cada problema nesses passos e dá feedback imediato, para você aprender a pegar uma substituição precoce ou uma taxa esquecida antes que isso custe pontos numa prova.

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Taxas relacionadas

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Perguntas frequentes

O que são taxas relacionadas em cálculo?

Problemas de taxas relacionadas envolvem duas ou mais grandezas que variam com o tempo e estão ligadas por uma equação. Você sabe a rapidez com que uma delas varia e usa a derivada da equação em relação ao tempo para descobrir a rapidez com que outra varia num instante específico.

Como resolver problemas de taxas relacionadas?

Faça um desenho, liste as taxas conhecidas e a desconhecida, escreva uma equação que relacione as grandezas, derive os dois lados em relação a t, depois substitua os valores no instante pedido e resolva para a taxa desconhecida.

Por que não posso substituir os números antes de derivar?

Porque as grandezas estão variando. Se você substituir x = 6 antes de derivar, x vira uma constante e sua derivada é zero, o que joga fora justamente a taxa de que você precisa. Só grandezas realmente constantes, como o comprimento de uma escada, podem ser substituídas antes.

Por que a taxa é negativa no problema da escada?

O topo da escada se move para baixo, então sua altura está diminuindo. Uma grandeza que diminui tem derivada negativa. A resposta \frac{dy}{dt} = -1.5 metros por segundo significa que o topo desliza para baixo a 1,5 metro por segundo.

Taxas relacionadas é o mesmo que derivação implícita?

Usa a mesma técnica, mas deriva em relação ao tempo t em vez de x. Cada variável é tratada como função de t, então cada uma ganha seu próprio fator de taxa, como \frac{dx}{dt} ou \frac{dr}{dt}.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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