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Posições relativas no espaço

Incidência, ângulos, projeções e distâncias

Aprenda a transformar configurações tridimensionais em seções planas — sem confiar na perspectiva nem importar teoremas do plano sem verificar as hipóteses.

Pontos, retas, planos e incidência

Usaremos letras maiúsculas para pontos (A, B, C), minúsculas para retas (r, s, t) e gregas para planos (α, β, γ). A notação registra fatos que a perspectiva apenas sugere:

A∈r: A pertence a rr⊂α: r está contida em αr∩α={P}: P é o único ponto comum

Dois pontos distintos determinam uma única reta: se A≠B, existe uma única reta AB. Um ponto e uma reta, porém, só determinam um plano quando o ponto é exterior à reta.

Princípio de leitura: tracejado representa apenas uma parte oculta. Paralelismo, perpendicularidade e incidência precisam vir de marcas, dados ou teoremas — nunca da aparência do desenho.

Coplanaridade e determinação de um plano

Pontos ou retas são coplanares quando existe um plano que contém todos eles. Quaisquer três pontos pertencem a pelo menos um plano: se não são colineares, determinam um único plano; se são colineares, infinitos planos passam pela reta comum. Os quatro vértices de um tetraedro são um exemplo de pontos não coplanares.

DadosDeterminam plano único?Hipótese indispensável
Três pontosSimNão colineares
Uma reta e um pontoSimO ponto não pertence à reta
Duas retas concorrentesSimRetas distintas
Duas retas paralelasSimRetas distintas

Não determinam um plano único: três pontos colineares; uma reta e um ponto pertencente a ela; uma única reta. Duas retas reversas nem sequer pertencem a um mesmo plano.

Posições entre duas retas

PosiçãoCoplanaridadePontos comuns
CoincidentesSimInfinitos
Paralelas distintasSimNenhum
ConcorrentesSimUm
ReversasNãoNenhum

Retas concorrentes podem ser oblíquas ou perpendiculares. Duas retas são perpendiculares quando são coplanares, intersectam-se e formam 90°. Já ortogonais têm direções formando 90°: podem ser concorrentes ou reversas. Assim, concorrentes ortogonais são perpendiculares; reversas ortogonais não são perpendiculares na convenção escolar estrita.

O ângulo entre duas retas é o menor ângulo entre suas direções: vale 0° para paralelas ou coincidentes; para concorrentes distintas, 0°<θ≤90°; para reversas, transportam-se paralelas às duas direções por um mesmo ponto. O resultado independe do ponto escolhido.

Classificação e ortogonalidade de retas no espaço Quatro painéis mostram retas paralelas coplanares, concorrentes, reversas e a diferença entre perpendiculares concorrentes e ortogonais reversas em um cubo. paralelasconcorrentes reversas90°: duas situações P sem plano comumà esquerda: ortogonais reversasà direita: perpendiculares
A falta de ponto comum separa paralelas de reversas; a incidência separa perpendiculares de ortogonais reversas. Figura esquemática, sem escala.

Posições entre reta e plano

PosiçãoInterseçãoNotação
ContidaInfinitos pontosr⊂α
SecanteUm pontor∩α={P}
ParalelaNenhum pontor∩α=∅

Nesta aula, uma reta contida não é chamada de paralela ao plano. Alguns textos usam uma convenção inclusiva; por isso, sempre verifique a definição adotada.

Critério de paralelismo

Se s⊂α, r∥s e r não está contida em α, então r∥α. A última hipótese é indispensável: se r tivesse um ponto P em α, sua direção, já paralela a uma direção do plano, faria toda r ficar contida em α.

Recíproca útil: se r∥α, por cada ponto P∈α passa uma única reta s⊂α paralela a r; portanto, o plano contém infinitas retas paralelas a r.

Posições entre dois planos

PosiçãoInterseçãoObservação
CoincidentesInfinitos pontosα=β
Paralelos distintosNenhum pontoα∩β=∅
SecantesUma retaα∩β=r

Dois planos distintos não podem ter apenas um ponto comum: se têm um ponto, a interseção é uma reta. Se possuem três pontos comuns não colineares, são coincidentes.

Um plano secante a dois planos paralelos

Se α∥β e γ corta os dois, então r=α∩γ e s=β∩γ são paralelas. Se r e s se encontrassem, esse ponto pertenceria simultaneamente a α e β, contradizendo α∩β=∅.

Posições entre reta e plano e entre dois planos À esquerda, um plano mostra reta contida, secante e paralela. À direita, um plano transversal corta dois planos paralelos e produz duas retas de interseção paralelas. reta × planoα∥β cortados por γ r⊂α P t∥αα αβγrs
À direita, r e s não podem se encontrar, pois isso criaria um ponto comum aos planos paralelos α e β. Figura esquemática, sem escala.

Critérios de paralelismo — com hipóteses completas

  • Se α contém retas concorrentes r e s, β contém concorrentes u e v, r∥u e s∥v, então os planos têm a mesma direção. Se α e β são distintos, α∥β; sem essa distinção, podem ser paralelos ou coincidentes.
  • Planos distintos perpendiculares à mesma reta são paralelos.
  • Uma reta perpendicular a um de dois planos paralelos também é perpendicular ao outro.
  • Duas retas distintas perpendiculares ao mesmo plano são paralelas.
  • Planos distintos paralelos a um mesmo plano são paralelos entre si.

O que não se transfere automaticamente do plano

Afirmação falsa no espaçoContraexemplo em um cubo
Duas retas perpendiculares a uma mesma reta são paralelas.Duas arestas adjacentes de uma face podem ser ambas perpendiculares a uma aresta vertical e não ser paralelas.
Duas retas paralelas a um plano são paralelas entre si.Sobre uma face paralela à base, escolha arestas de duas direções diferentes.
Dois planos perpendiculares a um mesmo plano são paralelos.Duas faces verticais adjacentes são perpendiculares à base e são secantes.
Duas retas sem ponto comum são paralelas.AB e CG não se encontram, mas são reversas.
Se r∥s⊂α, então r∥α.r pode estar contida em α; é preciso excluir a contenção.

Reta perpendicular a um plano

Uma reta r é perpendicular ao plano α em H quando H=r∩α e r é perpendicular a toda reta de α que passa por H. O critério fundamental permite provar isso usando somente duas direções independentes:

Se s e t são retas distintas, concorrentes em H, contidas em α, e r⊥s e r⊥t em H, então r⊥α.

Reciprocamente, r⊥α implica r⊥x para toda reta x⊂α que passe por H. Duas retas paralelas do plano não bastam: elas fornecem uma única direção.

Se uma reta x⊂α não passa pelo pé H, r e x não se intersectam. Suas direções são ortogonais, mas as retas são reversas ortogonais, não perpendiculares.

Unicidade e convenções

  • Por qualquer ponto P do espaço passa uma única reta perpendicular a α.
  • Por P exterior a α passa um único plano paralelo a α.
  • Por um ponto P passa um único plano perpendicular a uma reta r.

Se P∈α, não há plano distinto paralelo a α passando por P. Na convenção que admite coincidência como paralelismo inclusivo, o único é o próprio α.

Critério de reta perpendicular a plano A reta vertical r encontra o plano alfa em H e é perpendicular às retas concorrentes s e t. Uma reta x do plano que não passa por H é reversa e ortogonal a r. rstHxα r⊥s e r⊥t em H ⇒ r⊥α; r e x são reversas ortogonais
As retas s e t passam pelo pé H; x não passa. Por isso, r⊥s e r⊥t, mas r e x apenas têm direções ortogonais. Figura esquemática, sem escala.

Teorema das Três Perpendiculares

Considere P exterior a α, PH⊥α, A∈α e AH como projeção da oblíqua PA sobre α. Se r⊂α passa por A, então:

r⊥AH ⇔ r⊥PA.

De fato, a direção de r é ortogonal a PH porque r está no plano; por hipótese, também é ortogonal a AH. Logo é ortogonal à direção resultante de PH e HA, que determina PA. Como r e PA se encontram em A, são perpendiculares. O argumento invertido prova a recíproca.

Teorema das Três Perpendiculares P está fora do plano alfa, PH é perpendicular ao plano, PA é oblíqua, AH é sua projeção e a reta r do plano, passando por A, é perpendicular a AH e a PA. PHArα PH⊥α e r⊥AH ⇒ r⊥PA
A perpendicularidade com a projeção AH permite concluir a perpendicularidade com a oblíqua PA. Essa construção é recorrente em provas militares.

Planos perpendiculares, diedros e seções normais

Se um plano β contém uma reta r perpendicular a α, então β⊥α. Na recíproca, se α⊥β e s=α∩β, a reta de β perpendicular a s por um ponto H∈s é perpendicular a α. Isso não vale para qualquer reta de β.

Um diedro é formado por dois semiplanos com a mesma reta de origem: os semiplanos são as faces, a reta comum é a aresta e a abertura é sua medida angular. Um plano perpendicular à aresta produz uma seção normal; o ângulo plano dessa seção mede o diedro. Cortes oblíquos podem produzir outros ângulos e não servem para medi-lo.

Para planos secantes, escolha H na interseção s e trace, em cada plano, uma reta perpendicular a s em H. O menor ângulo entre elas é o ângulo entre os planos. Para planos paralelos ou coincidentes, θ=0°. Sempre 0°≤θ≤90°; se θ=90°, os planos são perpendiculares.

Ângulo entre reta e plano

Se AP é secante a α em A, P é exterior e H é a projeção ortogonal de P, então AH é a projeção de AP. O ângulo entre AP e α é θ=∠PAH.

contida ou paralela: θ=0°oblíqua: 0°<θ<90°perpendicular: θ=90°

Quando AP⊥α, sua projeção degenera no ponto A, portanto esse caso é tratado separadamente. No triângulo retângulo APH, com denominadores não nulos:

cos θ=AH/AP   ·   sen θ=PH/AP   ·   tan θ=PH/AH

Exemplo: se AP=10 e AH=6, então PH=√(10²−6²)=8, cos θ=3/5, sen θ=4/5 e tan θ=4/3. O ângulo com a normal PH é complementar ao ângulo com o plano.

Projeções ortogonais e distâncias

Projeções

  • A projeção de P sobre α é o pé H da perpendicular.
  • A projeção do segmento AB é A'B', formado pelas projeções dos extremos.
  • A projeção de uma reta não perpendicular ao plano é uma reta; se ela é perpendicular, a projeção é um ponto.
  • A projeção de uma figura é o conjunto das projeções de todos os seus pontos.

Projeções podem reduzir comprimentos e degenerar. Se um segmento mede L e forma ângulo θ com o plano, sua projeção mede L·cos θ.

Distância é o menor comprimento perpendicular

ObjetosDistância
Ponto P e plano αd(P,α)=|PH|, com PH⊥α. Para Q∈α, PQ²=PH²+HQ², logo PQ≥PH, com igualdade apenas em Q=H.
Reta r e plano αZero se r é secante ou contida. Se r∥α, d(r,α)=d(P,α) para qualquer P∈r.
Planos α e βZero se secantes ou coincidentes. Se paralelos distintos, é qualquer perpendicular comum entre eles.
Retas concorrentes ou coincidentesZero.
Retas paralelas distintasPerpendicular comum no plano que as contém.
Retas reversasComprimento da única perpendicular comum no espaço euclidiano tridimensional.

Ângulo e distância são informações diferentes: retas reversas ortogonais podem formar 90° entre suas direções e, ao mesmo tempo, ter distância positiva.

Aplicações em cubos e paralelepípedos

No cubo ABCD–EFGH, ABCD é a base, EFGH é a face paralela correspondente e AE, BF, CG e DH são arestas laterais. Assim, cada letra superior está sobre a correspondente inferior.

cubo: face=a√2cubo: espacial=a√3paralelepípedo: d=√(a²+b²+c²)

No paralelepípedo retângulo de dimensões a, b e c, faça duas etapas: a diagonal da base é db=√(a²+b²); depois, d=√(db²+c²)=√(a²+b²+c²).

Se θ é o ângulo da diagonal espacial com a base, sua projeção é db e a altura é c:

cos θ=√(a²+b²)/√(a²+b²+c²)   e   sen θ=c/√(a²+b²+c²).

No cubo, cos θ=√6/3 e sen θ=√3/3. Não confunda θ com o ângulo entre a diagonal e a normal à base: eles são complementares.

Cubo ABCD–EFGH e sua diagonal espacial O cubo tem ABCD como base, EFGH como face superior, AG como diagonal espacial, AC como projeção na base e CG como altura. ABCD EFGH θAGAC AG é a hipotenusa; AC é a projeção na base; CG é a altura
A seção plana ACG contém a diagonal espacial, sua projeção e a altura. Ela é o triângulo retângulo correto para calcular θ. Figura esquemática, sem escala.

Pegadinhas e estratégia de prova

  • Perspectiva não prova coplanaridade, paralelismo, incidência nem 90°.
  • Retas sem ponto comum podem ser paralelas ou reversas.
  • Reversas com direções a 90° são ortogonais, não perpendiculares.
  • Duas retas perpendiculares à mesma reta não precisam ser paralelas no espaço.
  • Dois planos perpendiculares ao mesmo plano não precisam ser paralelos.
  • De r∥s⊂α só se conclui r∥α após excluir r⊂α.
  • Critérios entre planos devem preservar a possibilidade de coincidência quando a distinção não é dada.
  • Uma só reta do plano, ou duas retas paralelas, não provam r⊥α.
  • Uma reta perpendicular a α não é perpendicular a uma reta de α que não passe pelo pé.
  • Segmento oblíquo não mede distância; projeções podem degenerar em ponto.
  • Ângulo com o plano e ângulo com a normal são complementares.
Roteiro seguro: registre as incidências → classifique os objetos → escolha a projeção ou seção plana adequada → marque os ângulos retos justificados → só então use Pitágoras ou trigonometria.

Dez questões resolvidas

1. Quando há plano único?

Uma reta r e um ponto P determinam um plano?

Se P∉r, sim: há um único plano que contém r e P.

Se P∈r, os dados se reduzem à reta r; infinitos planos a contêm.

Conclusão: a exterioridade do ponto é indispensável.

2. Arestas do cubo

No cubo ABCD–EFGH, classifique AB com CD, BF, CG e DH.

AB∥CD: são coplanares e não se encontram. AB e BF são concorrentes e perpendiculares em B.

AB e CG são reversas; suas direções são ortogonais. AB e DH também são reversas ortogonais.

A classificação vem das faces e incidências declaradas, não da perspectiva.

3. Ângulo reta–plano

AP=10 e sua projeção AH=6. Determine PH e as razões trigonométricas de θ=∠PAH.

Na seção APH, PH⊥AH e AP é a hipotenusa.

PH=√(10²−6²)=8.

cos θ=6/10=3/5, sen θ=8/10=4/5 e tan θ=8/6=4/3.

4. Menor caminho até o plano

PH=12 é perpendicular a α; Q∈α e HQ=5. Calcule PQ.

PH⊥α implica PH⊥HQ. Logo, PHQ é retângulo em H.

PQ=√(12²+5²)=13.

Assim, PQ=13>12=PH: a oblíqua não é a distância.

5. Distância entre reversas

Num cubo de aresta 6, calcule a distância entre AB e CG.

BC liga B∈AB a C∈CG.

Na base, BC⊥AB; na face BCGF, BC⊥CG.

BC é a perpendicular comum. Portanto, d(AB,CG)=BC=6.

6. Diagonal de 3×4×12

Determine a diagonal espacial do paralelepípedo.

Na base 3×4, db=√(3²+4²)=5.

Na seção vertical com a altura 12, d=√(5²+12²)=13.

Resultado: 13 unidades.

7. Ângulo da diagonal com a base

No paralelepípedo anterior, determine seno e cosseno do ângulo θ da diagonal espacial com a base.

A projeção mede 5, a altura mede 12 e a diagonal mede 13.

cos θ=5/13 e sen θ=12/13.

O ângulo com a normal teria seno e cosseno trocados.

8. Diagonal do cubo

Num cubo de aresta a, calcule o cosseno do ângulo entre AG e a base ABCD.

A projeção de AG é AC=a√2; AG=a√3.

cos θ=AC/AG=√2/√3=√6/3.

A seção utilizada é o triângulo retângulo ACG.

9. Três Perpendiculares

PH⊥α, AH é a projeção de PA e r⊂α passa por A. Sabe-se que r⊥AH. O que concluir?

Como r está em α, sua direção é ortogonal a PH.

Ela também é ortogonal a AH. Pelo Teorema das Três Perpendiculares, r⊥PA.

A incidência em A permite dizer perpendicular, e não apenas ortogonal.

10. Contraexemplo lógico

Dois planos perpendiculares a um mesmo plano são necessariamente paralelos?

Não. Considere a base ABCD de um cubo.

As faces ABFE e BCGF são ambas perpendiculares à base, mas se cortam na aresta BF.

Logo, são planos secantes; a imagem em perspectiva apenas ilustra o contraexemplo.

Exercícios

Resolva pela incidência e pelas hipóteses. A perspectiva das figuras não constitui prova.

Fácil

1. Qual configuração determina um único plano?

A) Três pontos colineares.B) Uma reta e um ponto pertencente a ela.C) Duas retas paralelas distintas.D) Uma única reta.
Fácil

2. Duas retas não coplanares são:

A) paralelas.B) reversas.C) coincidentes.D) necessariamente perpendiculares.
Fácil

3. Se r∩α={P}, a reta r é:

A) secante a α.B) paralela a α.C) contida em α.D) coincidente com α.
Fácil

4. Dois planos distintos possuem um ponto comum. A interseção deles é:

A) somente esse ponto.B) vazia.C) todo o espaço.D) uma reta.
Médio

5. As direções de duas retas reversas formam 90°. Na convenção escolar estrita, elas são:

A) paralelas e perpendiculares.B) concorrentes oblíquas.C) ortogonais, mas não perpendiculares.D) coincidentes.
Médio

6. Para provar r⊥α em H, é suficiente mostrar que r é perpendicular, em H, a:

A) uma reta qualquer de α.B) duas retas distintas de α, concorrentes em H.C) duas retas paralelas de α.D) uma reta que não pertence a α.
Médio

7. PH=12 é a distância de P ao plano α; Q∈α e HQ=5. Quanto mede PQ?

A) 7.B) 12.C) 13.D) 17.
Médio

8. Um segmento de comprimento 10 forma 60° com um plano. Sua projeção ortogonal mede:

A) 5.B) 5√3.C) 10√3.D) 20.
Médio

9. A medida correta de um diedro é obtida por:

A) qualquer corte que atravesse suas faces.B) uma reta paralela à aresta.C) uma projeção oblíqua de uma face.D) uma seção por plano perpendicular à aresta.
Difícil · nível militar

10. Analise: I. Planos distintos perpendiculares à mesma reta são paralelos. II. Se β contém uma reta perpendicular a α, então β⊥α. III. Planos perpendiculares a um mesmo plano são sempre paralelos. IV. Retas paralelas a um mesmo plano são sempre paralelas entre si. São verdadeiras:

A) somente I.B) I e II.C) II e III.D) I, III e IV.
Difícil · nível militar

11. P∉α, PH⊥α, AH é a projeção de PA, e r⊂α passa por A. Se r⊥AH, então:

A) r∥PA.B) r e PA são reversas.C) r⊥PH apenas.D) r⊥PA.
Difícil · nível militar

12. No cubo ABCD–EFGH de aresta 6, a classificação de AB e CG e a distância entre elas são, respectivamente:

A) paralelas; 6√2.B) reversas ortogonais; 6.C) perpendiculares; 0.D) reversas oblíquas; 6√3.
Difícil · nível militar

13. No cubo ABCD–EFGH de aresta a, seja φ o ângulo entre AG e o plano diagonal BDFH. O valor de sen φ é:

A) √3/3.B) √2/2.C) √6/3.D) √3/2.
Difícil · nível militar

14. Num paralelepípedo 6×8×24, considere a diagonal espacial e seu ângulo θ com a base 6×8. A terna (diagonal, projeção na base, cos θ) é:

A) (24, 10, 12/13).B) (26, 24, 12/13).C) (26, 10, 5/13).D) (28, 14, 1/2).
Difícil · nível militar

15. No cubo ABCD–EFGH de aresta 6, analise: I. AB e CG são reversas ortogonais. II. BC é a perpendicular comum entre AB e CG. III. As faces ABFE e BCGF, ambas perpendiculares à base, são paralelas. IV. O cosseno do ângulo entre AG e a base é √6/3. São verdadeiras:

A) I, II e IV.B) I e III.C) II, III e IV.D) todas.

Gabarito comentado

1-C. Duas paralelas distintas são coplanares e determinam um único plano. Pontos colineares, uma reta com ponto nela e uma reta isolada pertencem a infinitos planos.

2-B. “Não coplanares” é a condição definidora de retas reversas. Paralelas precisam ser coplanares.

3-A. Um único ponto comum caracteriza uma reta secante. Paralela teria interseção vazia e contida teria infinitos pontos comuns.

4-D. Dois planos distintos que se encontram têm uma reta comum; três pontos não colineares comuns os fariam coincidir.

5-C. O ângulo entre as direções é 90°, logo são ortogonais; sem interseção e sem plano comum, não são perpendiculares.

6-B. As duas retas precisam ser distintas, concorrentes, contidas em α e passantes pelo pé H. Retas paralelas não fornecem duas direções independentes.

7-C. Na seção PHQ, PH⊥HQ: PQ=√(12²+5²)=13. Somar ou subtrair os catetos ignora Pitágoras.

8-A. Projeção=L·cos θ=10·cos60°=5. A distância entre as projeções dos extremos na direção normal seria 10·sen60°=5√3.

9-D. A seção normal é perpendicular à aresta do diedro. Um corte oblíquo pode produzir ângulo diferente.

10-B. I e II são critérios válidos. III falha para duas faces verticais adjacentes de um cubo; IV falha para retas de direções diferentes num plano paralelo ao plano dado.

11-D. Na seção espacial, r é ortogonal a PH por estar em α e é perpendicular a AH por hipótese; o Teorema das Três Perpendiculares dá r⊥PA. Como ambas passam por A, há incidência.

12-B. AB e CG não se encontram nem são paralelas: são reversas. Suas direções formam 90°. A seção pelas faces mostra BC⊥AB e BC⊥CG, com B∈AB e C∈CG; logo d=BC=6.

13-C. No plano BDFH, uma normal tem direção de AC. A componente de AG nessa normal mede a√2, enquanto AG=a√3. Para ângulo entre reta e plano, sen φ=(componente normal)/(diagonal)=√2/√3=√6/3.

14-C. Na base, db=√(6²+8²)=10. Na seção vertical, d=√(10²+24²)=26; então cos θ=10/26=5/13.

15-A. I e II seguem da perpendicular comum BC; IV segue de AC=6√2 e AG=6√3. III é falsa: ABFE e BCGF são secantes em BF. A perspectiva só ilustra, enquanto incidências e faces quadradas provam os fatos.

Resumo final

  • Plano único: três pontos não colineares; reta e ponto exterior; duas concorrentes distintas; duas paralelas distintas.
  • Paralelas são coplanares; reversas não são. Ortogonalidade trata das direções; perpendicularidade exige incidência.
  • Reta–plano: contida, secante ou paralela. Plano–plano: coincidentes, paralelos distintos ou secantes numa reta.
  • Todo critério precisa das hipóteses completas, inclusive distinção, concorrência e exclusão da contenção.
  • Reta perpendicular a plano pode ser reconhecida por duas retas concorrentes do plano, ambas passando pelo pé.
  • Ângulos entre planos usam seção normal; ângulos reta–plano usam projeção ortogonal.
  • Distância é o comprimento mínimo perpendicular. Segmentos oblíquos são maiores.
  • O Teorema das Três Perpendiculares liga uma oblíqua à sua projeção.
  • No cubo, diagonais de face e espacial medem a√2 e a√3; no paralelepípedo, d=√(a²+b²+c²).
  • Uma perspectiva ajuda a visualizar, mas nunca substitui a prova.