Arcos, graus, radianos e circunferência trigonométrica

O movimento de uma roda, a posição dos ponteiros de um relógio, a rotação de uma engrenagem e o deslocamento de um ponto em uma pista circular envolvem ângulos e arcos. Para analisar essas situações, precisamos relacionar a abertura do ângulo, o comprimento percorrido sobre a circunferência e a posição final do ponto.

Nesta postagem, construiremos a passagem dos graus para os radianos e organizaremos os ângulos na circunferência trigonométrica. Essa base será utilizada posteriormente no estudo das funções seno, cosseno e tangente.

Conhecimentos de base

Base para funções periódicas e para as habilidades EM13MAT306 e EM13MAT404.

Para acompanhar o conteúdo, é importante reconhecer ângulos, circunferências, quadrantes, coordenadas cartesianas, proporcionalidade e o número π.

1. Arco e ângulo central

Um arco é uma parte da circunferência limitada por dois pontos. Quando os lados de um ângulo têm origem no centro da circunferência, esse ângulo é chamado de ângulo central.

A medida angular do arco menor AB é igual à medida do ângulo central AÔB que o determina. Isso não significa que o comprimento do arco e a medida do ângulo sejam a mesma grandeza. O ângulo pode ser medido em graus ou radianos, enquanto o comprimento do arco é medido em unidades de comprimento.

OAB 100°arco AB
O arco destacado e o ângulo central correspondente possuem a mesma medida angular: 100°.
Arco menor e arco maior: entre dois pontos de uma circunferência, normalmente existem dois caminhos. Se o arco menor mede 100°, o arco maior mede 360°−100°=260°.
Exemplo 1 — Setor de irrigação

Um irrigador giratório molha uma região circular entre duas posições. O ângulo central do movimento é 135°. Qual é a medida angular do arco não percorrido pelo equipamento?

A volta completa mede 360°. Portanto:

arco não percorrido=360°−135°=225°

O arco não percorrido é o arco maior entre as duas posições.

2. Sentido de rotação e ângulos orientados

Na circunferência trigonométrica, adotamos uma orientação para distinguir rotações em sentidos opostos:

  • o sentido anti-horário representa ângulos positivos;
  • o sentido horário representa ângulos negativos.
0°positivonegativo

Ângulos côngruos

Dois ângulos são côngruos quando terminam na mesma posição depois de um número inteiro de voltas. Como uma volta mede 360°, podemos escrever:

β=α+k·360°, com k inteiro

Por exemplo, 40°, 400° e −320° possuem o mesmo lado terminal:

400°=40°+360°
−320°=40°−360°
Exemplo 2 — Posição final de uma plataforma

Uma plataforma inicia na posição 0° e gira 1.110° no sentido anti-horário. Para descobrir sua posição final em uma única volta, retiramos voltas completas:

1.110°−3·360°=1.110°−1.080°=30°

A plataforma completa três voltas e termina na posição correspondente a 30°.

3. Graus e partes de uma volta

O grau divide uma volta completa em 360 partes iguais. Assim:

Volta completa

360°

Meia-volta

180°

Um quarto de volta

90°

Exemplo 3 — Ponteiro dos minutos

Às 12h, o ponteiro dos minutos aponta para o número 12. Quantos graus ele percorre até 12h35?

Em 60 minutos, o ponteiro percorre 360°. Em um minuto, percorre:

360°60=6°

Em 35 minutos:

35·6°=210°

Como o movimento é horário, poderia ser representado por −210°. Se desejarmos uma medida positiva côngrua, teremos 360°−210°=150°.

4. O radiano

Um radiano é a medida do ângulo central que determina um arco cujo comprimento é igual ao raio da circunferência. Essa unidade relaciona o ângulo diretamente ao comprimento percorrido.

raio rarco de comprimento r1 rad
Quando o comprimento do arco é igual ao raio, o ângulo central mede 1 radiano.

O comprimento de uma circunferência de raio r é 2πr. Como cada radiano corresponde a um arco de comprimento r, uma volta completa contém 2π radianos:

360°=2π rad
180°=π rad
Parte da voltaGrausRadianos
Volta completa360°2π
Meia-volta180°π
Um quarto de volta90°π2
Um sexto de volta60°π3
Um oitavo de volta45°π4
Um décimo segundo de volta30°π6

Conversão entre graus e radianos

As conversões podem ser obtidas pela proporção:

medida em graus180°=medida em radianosπ
Exemplo 4 — Converter 150° para radianos
150°·π180°=150π180=5π6

Portanto, 150°=5π6 rad.

Exemplo 5 — Converter 7π4 rad para graus
7π4·180°π=7·45°=315°

O fator π é simplificado, restando uma medida em graus.

5. Comprimento de um arco

Quando o ângulo central θ está em radianos, o comprimento s do arco pode ser calculado diretamente por:

s=r·θ

Essa fórmula vem da definição de radiano. Se θ=1 rad, então s=r. Se o ângulo corresponde a duas vezes essa abertura, o arco também terá duas vezes o raio, e assim sucessivamente.

Atenção: na fórmula s=r·θ, o ângulo deve estar em radianos. Se a medida estiver em graus, converta-a antes do cálculo.
Exemplo 6 — Deslocamento na borda de uma roda

Uma marca foi feita na borda de uma roda de raio 30 cm. A roda gira 240°. Qual é o comprimento do arco percorrido pela marca em relação ao centro?

Primeiro, convertemos 240° para radianos:

240°·π180°=4π3

Agora aplicamos s=r·θ:

s=30·4π3=40π cm≈125,7 cm
Exemplo 7 — Ângulo de giro de uma polia

Uma correia permanece em contato com uma polia de raio 18 cm durante um arco de 45 cm. Qual é o ângulo central correspondente?

s=r·θ
45=18θ
θ=4518=2,5 rad

Em graus, esse ângulo mede aproximadamente:

2,5·180°π≈143,2°

Pratique 1

Questão 1. Uma câmera de segurança gira 1.035° no sentido anti-horário a partir da posição inicial. Quantas voltas completas ela realiza e em qual ângulo da primeira volta termina?
Questão 2. O ponteiro dos minutos desloca-se durante 22 minutos. Determine a medida do giro em graus e em radianos. Considere o sentido horário como negativo.
Questão 3. Uma pista circular possui raio de 24 m. Um atleta percorre um arco correspondente a 135°. Qual é o comprimento percorrido sobre a pista?
Questão 4. Uma engrenagem de raio 12 cm faz uma marca percorrer 10π cm em sua borda. Determine o ângulo de rotação em radianos e em graus.
Respostas comentadas

Questão 1

1.035°−2·360°=315°

A câmera realiza duas voltas completas e ainda percorre 315° da terceira volta.

Questão 2

22·6°=132°

Como o movimento é horário, o giro é −132°. Convertendo:

−132°·π180°=−11π15 rad

Questão 3

135°=3π4 rad
s=24·3π4=18π m≈56,5 m

Questão 4

10π=12θ
θ=5π6 rad
5π6·180°π=150°

6. Velocidade angular e velocidade na borda

Quando um corpo gira, podemos analisar a rapidez com que o ângulo varia. A velocidade angular média é dada por:

ω=ΔθΔt

Se θ estiver em radianos e o tempo em segundos, a unidade será rad/s. Um ponto localizado a uma distância r do centro percorre um arco s=rθ. Por isso, a velocidade na borda é:

v=r·ω
Exemplo 12 — Ventilador industrial

Uma pá de ventilador gira 15 voltas em 6 segundos. A extremidade da pá está a 0,4 m do centro. Determine a velocidade angular média e a distância percorrida pela extremidade em 6 segundos.

Quinze voltas correspondem a 15·2π=30π rad. Assim:

ω=30π6=5π rad/s

O arco total percorrido pela extremidade é:

s=rθ=0,4·30π=12π m≈37,7 m
Exemplo 13 — Duas crianças em um carrossel

Duas crianças estão em um carrossel que gira com velocidade angular constante de 0,5 rad/s. Uma está a 2 m do centro e a outra a 3,5 m. Embora ambas completem cada volta no mesmo tempo, suas velocidades na trajetória são diferentes:

v₁=2·0,5=1 m/s
v₂=3,5·0,5=1,75 m/s

A criança mais distante do centro percorre um arco maior no mesmo intervalo de tempo.

7. Circunferência trigonométrica

A circunferência trigonométrica, também chamada de ciclo trigonométrico, tem centro na origem do plano cartesiano e raio igual a 1. O ponto de partida dos arcos é o ponto A=(1,0), localizado no eixo horizontal positivo.

Cada número real pode representar um ângulo em radianos e, consequentemente, uma posição na circunferência. Ângulos maiores que uma volta e ângulos negativos também podem ser localizados.

0 ou 2π π2 π 3π2 1º quadrante2º quadrante3º quadrante4º quadrante xyO
Os eixos dividem a circunferência em quatro quadrantes. Os pontos sobre os eixos não pertencem a nenhum quadrante.
RegiãoIntervalo em grausIntervalo em radianosSinal de xSinal de y
1º quadrante0°<α<90°0<α<π2positivopositivo
2º quadrante90°<α<180°π2<α<πnegativopositivo
3º quadrante180°<α<270°π<α<3π2negativonegativo
4º quadrante270°<α<360°3π2<α<2πpositivonegativo

Pontos sobre os eixos

  • 0 ou 2π: ponto (1,0);
  • π2: ponto (0,1);
  • π: ponto (−1,0);
  • 3π2: ponto (0,−1).

8. Como localizar qualquer ângulo

Para localizar um ângulo, podemos seguir quatro passos:

  1. verificar se a medida está em graus ou radianos;
  2. retirar ou acrescentar voltas completas, quando necessário;
  3. identificar entre quais eixos a medida está;
  4. determinar o quadrante ou o eixo que contém o lado terminal.
Exemplo 8 — Localizar 135°

Como 90°<135°<180°, o lado terminal está no 2º quadrante. A distância angular até 180° é:

180°−135°=45°

Portanto, 135° está 45° acima do semieixo horizontal negativo.

Exemplo 9 — Localizar −60°

O sinal negativo indica giro horário. Uma medida positiva côngrua é:

−60°+360°=300°

Como 270°<300°<360°, o lado terminal está no 4º quadrante.

Exemplo 10 — Localizar 17π6

Uma volta completa mede 2π=12π6. Retirando uma volta:

17π6−12π6=5π6

Como 5π6 corresponde a 150°, o lado terminal está no 2º quadrante.

135°300° ou −60°150°

9. Coordenadas e simetria

Se um ponto P está na circunferência trigonométrica, suas coordenadas são P=(x,y). Como o raio vale 1, essas coordenadas satisfazem:

x²+y²=1

Neste momento, o mais importante é observar os sinais das coordenadas e as simetrias. Pontos refletidos em relação aos eixos ou à origem possuem valores absolutos iguais, mas podem apresentar sinais diferentes.

Exemplo 11 — Posição de um sensor

Um sensor está sobre uma circunferência trigonométrica no 3º quadrante. Sabe-se que o valor absoluto de sua coordenada horizontal é 0,8. Determine as possíveis coordenadas do ponto.

x²+y²=1
(−0,8)²+y²=1
0,64+y²=1
y²=0,36
|y|=0,6

No 3º quadrante, x e y são negativos. Logo, P=(−0,8;−0,6).

Pratique 2

Questão 1. Um braço mecânico parte do semieixo horizontal positivo e gira 765° no sentido anti-horário. Determine o número de voltas completas, uma medida entre 0° e 360° côngrua ao giro e o quadrante final.
Questão 2. Uma plataforma gira −13π6 rad. Determine uma medida positiva côngrua entre 0 e 2π e identifique o quadrante ou eixo final.
Questão 3. Um ponto P=(−0,6;y) pertence à circunferência trigonométrica e está no 2º quadrante. Determine y.
Questão 4. Dois pontos estão associados aos ângulos 140° e 220°. Explique a simetria entre suas posições e compare os sinais de suas coordenadas.
Respostas comentadas

Questão 1

765°−2·360°=45°

O braço completa duas voltas e termina em 45°, no 1º quadrante.

Questão 2

Somamos múltiplos de 2π, escritos com denominador 6:

−13π6+24π6=11π6

11π6 corresponde a 330°, no 4º quadrante.

Questão 3

(−0,6)²+y²=1
0,36+y²=1
y²=0,64
|y|=0,8

No 2º quadrante, y é positivo. Portanto, y=0,8.

Questão 4

Os ângulos estão à mesma distância de 180°: 180°−140°=40° e 220°−180°=40°. Os pontos são simétricos em relação ao eixo horizontal. Em 140°, x é negativo e y é positivo; em 220°, x e y são negativos.

10. Estratégia para resolver problemas

1. Identifique a grandeza

O problema pede ângulo, posição final, comprimento de arco, número de voltas ou velocidade?

2. Observe a unidade

Verifique se o ângulo está em graus ou radianos e converta apenas quando necessário.

3. Considere a orientação

Anti-horário é positivo; horário é negativo.

4. Reduza as voltas

Use múltiplos de 360° ou de 2π para encontrar uma medida na primeira volta.

5. Localize a posição

Compare a medida com os eixos e identifique o quadrante correto.

6. Verifique o resultado

Confira sinais, unidades e se a posição final corresponde ao sentido do giro.

11. Erros frequentes

Usar graus em s=rθ

A fórmula exige θ em radianos.

Confundir arco e corda

O arco acompanha a circunferência; a corda é um segmento reto.

Ignorar o sentido

Um giro horário deve ser representado por uma medida negativa.

Classificar eixos como quadrantes

Os pontos 0, π2, π e 3π2 ficam sobre os eixos.

Retirar π indevidamente

Na conversão, π só é simplificado quando aparece como fator no numerador e no denominador.

Esquecer voltas completas

Ângulos maiores que 360° ou 2π continuam válidos e indicam rotações adicionais.

12. Revisão e aprofundamento

Questão 1 — Antena giratória

Uma antena inicia apontando para o leste, posição associada a 0°. Durante uma varredura, gira 1.290° no sentido anti-horário. Determine quantas voltas completas foram realizadas, a menor medida positiva côngrua e o quadrante ou eixo da posição final.

Questão 2 — Movimento de um ponteiro

O ponteiro dos segundos parte do número 12 e se desloca durante 47 segundos. Represente esse giro por uma medida negativa em graus e em radianos. Depois, determine a medida positiva côngrua entre 0° e 360°.

Questão 3 — Curva de uma pista

Uma curva circular de raio 50 m corresponde a um ângulo central de 72°. Determine o comprimento da curva em forma exata e aproximada.

Questão 4 — Roda de bicicleta

Uma roda possui raio de 35 cm. Durante um deslocamento, ela gira 8π rad sem deslizar. Determine o número de voltas completas e a distância percorrida pela bicicleta.

Questão 5 — Conversão e localização

Converta 225° para radianos e identifique o quadrante de seu lado terminal.

Questão 6 — Painel rotativo

Um painel gira −19π6 rad a partir da posição inicial. Encontre uma medida positiva côngrua no intervalo de 0 a 2π e identifique sua posição final.

Questão 7 — Ponto na circunferência

Um ponto P=(x;0,8) pertence à circunferência trigonométrica e está no 2º quadrante. Determine x e explique a escolha do sinal.

Questão 8 — Arco percorrido por uma polia

Uma polia de raio 16 cm gira 210°. Determine o comprimento do arco percorrido por um ponto de sua borda.

Questão 9 — Comparação de posições

Os ângulos 50°, 410° e −310° determinam posições diferentes ou a mesma posição na circunferência? Justifique usando voltas completas.

Questão 10 — Esteira circular

Uma marca em uma esteira circular percorre 28 cm sobre uma roda de raio 8 cm. Determine o ângulo correspondente em radianos e uma aproximação em graus.

Questão 11 — Localização em radianos

Sem converter inicialmente para graus, retire as voltas completas de 29π4 e identifique o quadrante da posição final.

Questão 12 — Rotor de laboratório

Um rotor realiza 24 voltas em 8 segundos. Determine sua velocidade angular média em rad/s. Se uma amostra está a 0,12 m do centro, determine sua velocidade ao longo da trajetória.

Questão 13 — Análise de procedimento

Para calcular o arco determinado por 60° em uma circunferência de raio 15 cm, um estudante escreveu s=15·60=900 cm. Identifique o erro e apresente o cálculo correto.

Questão 14 — Simetria no ciclo

Dois pontos correspondem aos ângulos 35° e 325°. Descreva a simetria entre eles e compare os sinais de suas coordenadas.

Questão 15 — Carrossel

Um carrossel de raio 4,5 m realiza 5 voltas em 40 segundos. Determine a velocidade angular média, a velocidade de uma criança sentada na borda e a distância percorrida por ela nesse intervalo.

Gabarito e resoluções detalhadas

Questão 1

Retiramos voltas completas de 360°:

1.290°−3·360°=1.290°−1.080°=210°

A antena realiza três voltas completas e termina em 210°. Como 180°<210°<270°, a posição final está no 3º quadrante.

Questão 2

O ponteiro percorre 6° por segundo e gira no sentido horário:

−47·6°=−282°

Em radianos:

−282°·π180°=−47π30 rad

Somando uma volta, encontramos a medida positiva côngrua:

−282°+360°=78°

Questão 3

72°·π180°=2π5 rad
s=50·2π5=20π m≈62,8 m

Questão 4

Cada volta corresponde a 2π rad:

8π2π=4 voltas

Sem deslizamento, a distância percorrida é igual ao arco desenrolado:

s=rθ=35·8π=280π cm
280π cm≈879,6 cm≈8,80 m

Questão 5

225°·π180°=5π4

Como 180°<225°<270°, o lado terminal está no 3º quadrante.

Questão 6

Somamos duas voltas, isto é, 4π=24π6:

−19π6+24π6=5π6

A medida 5π6 corresponde a 150°, no 2º quadrante.

Questão 7

x²+0,8²=1
x²+0,64=1
x²=0,36
|x|=0,6

No 2º quadrante, a coordenada horizontal é negativa. Logo, x=−0,6 e P=(−0,6;0,8).

Questão 8

210°·π180°=7π6
s=16·7π6=56π3 cm≈58,6 cm

Questão 9

410°=50°+360°
−310°=50°−360°

As três medidas diferem por voltas completas. Portanto, determinam a mesma posição.

Questão 10

28=8θ
θ=288=3,5 rad

Convertendo para graus:

3,5·180°π≈200,5°

Questão 11

Uma volta é 2π=8π4. Retirando três voltas:

29π4−3·8π4=5π4

Como π<5π4<3π2, a posição está no 3º quadrante.

Questão 12

O deslocamento angular total é 24·2π=48π rad:

ω=48π8=6π rad/s
v=rω=0,12·6π=0,72π m/s≈2,26 m/s

Questão 13

O estudante substituiu 60° diretamente em s=rθ, mas essa fórmula exige radianos. Como 60°=π3 rad:

s=15·π3=5π cm≈15,7 cm

Questão 14

Como 325°=360°−35°, os pontos estão à mesma distância do eixo horizontal positivo, um acima e o outro abaixo. São simétricos em relação ao eixo horizontal. Nos dois pontos, x é positivo. Em 35°, y é positivo; em 325°, y é negativo.

Questão 15

Cinco voltas correspondem a 10π rad:

ω=10π40=π4 rad/s
v=rω=4,5·π4=1,125π m/s≈3,53 m/s

A distância em 40 segundos pode ser obtida por s=rθ:

s=4,5·10π=45π m≈141,4 m
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