Lição
A teoria — Theorema Egregium de Gauss
A curvatura gaussiana K num ponto de uma superfície é o produto das suas duas curvaturas principais nesse local. Elas correspondem ao máximo e ao mínimo que a superfície se curva em todas as direções passando por esse ponto, cada uma com um sinal referente ao lado para onde se curva. O Theorema Egregium (1827) de Gauss afirma que K depende apenas de comprimentos medidos por dentro da própria superfície. Modificar a forma de uma superfície sem a esticar vai manter o K inalterado. Uma das medições capazes de o descobrir por dentro: o anel de pontos à distância r do centro tem o comprimento C = 2πr − (π/3)K r³ + …, logo K é o limite de 3(2πr − C)/(πr³) quando r encolhe.
O que significa cada símbolo
K- a curvatura de Gauss no centro, o produto κ1κ2 das duas curvaturas principais; 1/R² numa esfera de raio R
C- comprimento do anel de pontos à distância r do centro, medido ao longo da superfície
r- distância percorrida a partir do centro ao longo da superfície
Problema resolvido na íntegra
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De que tamanho tem de ser um círculo para que a fita métrica sinta a curvatura da Terra? 4 passos
A fita de um topógrafo tem uma precisão de uma parte por milhão, ou seja, um milímetro por quilômetro. Qual deve ser a dimensão do círculo medido na Terra para que o perímetro fique visivelmente menor que 2πr? Pressione primeiro em A Terra, 1.000 km. A página vai indicar o valor C/2πr para um disco desse tamanho.
Abrir este problema na ferramenta
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Aos 1.000 km o perímetro fica 1 − 0,99590 menor que 2πr. Numa esfera temos C = 2πR sin(r/R), e sin x / x = 1 − x²/6 + …, logo a fração é (r/R)²/6 em primeira ordem:
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Iguale essa fração a uma parte por milhão e resolva em função de r/R:
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e o raio na Terra equivale a esse valor multiplicado por R:
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Tire a prova. A circunferência do círculo plano é 2π × 15,606 km, e um milionésimo dela é
Resposta
Um círculo com cerca de 15,6 km de raio, o que dá 31 km de diâmetro. O seu perímetro de 98 km fica 9,8 cm menor do que 2πr, altura em que a fita métrica começa a notar o erro. A falha cresce de forma cúbica com o raio. Um círculo com um décimo desse tamanho tem um desvio mil vezes mais pequeno, ou um décimo de milímetro. Num levantamento local de uma cidade, o chão pode ser tratado como uma folha inteiramente plana.
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Percurso de aprendizagem
Geometria numa superfície curva
Referências (3)
- The measure of curvature as one over the product of the two extreme radii of curvature (Art. 8), and the theorem that it stays unchanged when a surface is developed upon another, with surfaces developable on a plane having curvature zero everywhere (Art. 12): C. F. Gauss, General Investigations of Curved Surfaces of 1827 and 1825, translated by J. C. Morehead and A. M. Hiltebeitel, Princeton University Library, 1902, Arts. 8 and 12, pp. 15 and 20–21 (Project Gutenberg ebook 36856).
- The length of the ring traced by a short thread of length s turned about a point on a surface, 2πs − πs³/(3R₁R₂) to fourth order, from which the product of the principal radii, and so Gauss's curvature, is recovered by a measurement made on the surface: J. Bertrand, "Démonstration d'un théorème de M. Gauss", Journal de mathématiques pures et appliquées, 1re série, 13 (1848), 80–82; and V. Puiseux, "Sur le même théorème", same volume, 87–90.
- The folded pizza slice as the theorem in the kitchen: a surface with zero Gaussian curvature bent one way must stay flat the other way, so curling the crust stiffens the slice along its length: A. Bhatia, "How a 19th Century Math Genius Taught Us the Best Way to Hold a Pizza Slice", WIRED, 5 September 2014.