física - Mundo das Especialidades

MINISTÉRIO DOS DESBRAVADORES
FÍSICA
QUEM FEZ ESTA CAPA
E
sta imagem foi criada pelo físico e
artista gráfico Eric J. Heller. Partindo
de um arranjo simples de camadas
azuis, verdes e brancas, Heller aplicou deslocamentos verticais e horizontais
para elaborar uma imagem que lembra, de
perto, as misturas turbulentas causadas pelas
ondas do mar. As ondas – sejam elas sonoras, luminosas, da matéria, de terremotos, de
rádio ou originais de movimento marinho –
São uma presença constante na natureza. Na
verdade, nossa própria existência depende
da física, das ondas sem a qual não poderíamos receber a energia do sol.
O que vem por aí...
O que é
A
GUIA DAS ESPECIALIDADES
Clube de Desbravadores /// Volume 10. 2015
FÍSICA
1ª Edição: Disponível em
www.mundodasespecialidades.com.br
Direção Geral: Khelven Klay de Azevedo Lemos
Diagramação e Edição: Khelven Klay de A. Lemos
Coord. de Guias das Especialidades: Thomé Duarte
Editoração e Revisão : Aretha Stephanie
Autor: Marcos P. Leitzke
Impressão: Servgrafica Editora
SITE MUNDO DAS ESPECIALIDADES
Telefones:(84)8778-0532
E-mail: [email protected]
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que seja referenciado o Mundo das Especialidades e
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Todos os direitos reservados para Mundo das
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Física?
Física é uma ciência que se originou das reflexões
dos primeiros filósofos gregos, no século VI a.C..
Esses filósofos se perguntavam sobre a natureza do
universo, isto é, do que seria feito e como se transformava. A palavra grega para natureza é physis (pronuncia
“físis”), e dela derivou-se a palavra física.
A Física foi se desenvolvendo ao longo dos séculos,
até que, no final do século XIX, parecia ter atingido seu ápice.
Muitos cientistas acreditavam que nada mais havia para ser
descoberto. Nessa época, ela podia ser dividida nas seguintes
áreas: Mecânica, Termologia, Óptica, Ondulatória e Eletromagnetismo.
No final do século XIX e início do século XX foram observados alguns fenômenos que não podem ser explicados
pela Física até então conhecida. Surgiram então duas novas
teorias que explicavam esse fenômeno: A Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica. Basicamente, a Teoria da Relatividade é necessária para analisar os movimentos de objetos que
tem velocidade muito “grande” (próximo da velocidade da luz),
e a Mecânica Quântica é imprescindível para analisar o comportamento de objetos muito “pequenos” (como átomos, prótons e elétrons). Para o estudo de objetos macroscópicos que
não se movem com velocidade muito grande, podemos usar a
Física desenvolvida até o século XIX, conhecida como Física
Clássica. A Física desenvolvida no século XX é conhecida como Física Moderna.
O conhecimento dos conceitos relacionados à Física
pode proporcionar um melhor entendimento dos fenômenos
naturais e das inúmeras aplicações práticas desses conceitos,
quer sejam uma simples lente de aumento, um abridor de garrafa ou o movimento de um projétil, como também podem ser
uma complexa usina de energia nuclear, um tomógrafo computadorizado ou um microscópio eletrônico. Veremos a seguir
vários princípios e conceitos básicos de física, algumas leis,
teorias e aplicações.
UNIÃO LESTE BRASILEIRA
UNIÃO NORDESTE BRASILEIRA
IGREJA ADVENTISTA DO SÉTIMO DIA
MINISTÉRIO DOS DESBRAVADORES
Natal, RN, Agosto de 2015
MARCOS PAULO LEITZKE
Sou membro do Clube de Desbravadores Portadores da Conquista da Igreja Central de Guarapari – ES. Sou Estudante de
Engenharia Civil na Universidade Vila Velha e dou aulas particulares de Matemática e de Física. Gosto de ler, estudar, fazer
trekking, jogar vôlei e atividades de camping em geral. Sou
apaixonado pelo Clube de Desbravadores e sonho em participar do maior campori de todos os tempos que acontecerá em
breve, no céu!
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CIÊNCIA E SAÚDE
C
omo já citado na introdução, a
Física Clássica se divide em 5
áreas. Abaixo, procurarei explicar melhor um pouco de
cada uma dessas áreas.
I. Mecânica – Que estuda os movimentos nos seus mais variados aspectos, desde o
simples movimento de uma bola de futebol chutada por um jogador até os complexos movimentos dos planetas e estrelas.
II. Termologia – Como o nome já diz,
estuda o calor. Ela procura responder a perguntas do tipo: “O que é o calor?”, “O que muda no
interior de um objeto quando ele esquenta ou
esfria?”, “O que faz com que a água ferva?” e
muitas outras...
III. Óptica – É o estudo da luz. Com base nesse estudo são construído os óculos, os
binóculos, os microscópios e os grandes telescópios usados na observação dos astros.
IV. Ondulatória – É o estudo das ondas,
cujo exemplo mais familiar são as ondas do
mar. Porém há outros tipos de onda, como o
som, por exemplo
V. Eletromagnetismo – Estuda os fenômenos elétricos e magnéticos. Esse estudo explica o funcionamento de uma série de aparelhos que nos rodeia: ferros de passar roupa,
televisores, computadores entre outros.
Para o estudo da física, a matemática é
uma ferramenta essencial. Alguns conceitos
devem ser observados. A Notação Científica
são números muito pequenos e muito grandes
que são freqüentes em estudos científicos e
medições de grandezas, permeando várias
áreas do conhecimento, como Física, Química,
Astronomia, Biologia, Meio Ambiente, etc. Observe alguns exemplos:
A leitura desses números é facilitada
quando são escritos em notação científica. Basicamente, trata-se de escrevê-los como produto
de um número real;
e uma potência de base dez e expoente
inteiro. Observe alguns exemplos:
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Quando escrevemos um número em
notação científica é possível conhecer, rapidamente, sua ordem de grandeza. Voltemos aos
exemplos iniciais:
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GRANDEZAS ESCALARES E VETORIAIS
Existem dois tipos de grandezas: as escalares e as vetoriais. As escalares são aquelas
que ficam completamente definidas por apenas
um número real (acompanhado de uma unidade adequada). Comprimento, área, volume,
massa, temperatura, densidade, são exemplos
de grandezas escalares. Assim, quando dizemos que uma mesa tem de comprimento ou
que a temperatura é de , estamos determinando perfeitamente estas grandezas.
Existem, no entanto, grandezas que não
ficam completamente definidas pelo seu módulo, ou seja, pelo número com que sua unidade
corresponde. Falamos das grandezas vetoriais,
que para serem perfeitamente caracterizadas
necessitam conhecer seu módulo (ou comprimento ou intensidade), direção e sentido. Velocidade, aceleração, força, são exemplos de
grandezas vetoriais.
Antes de apresentar um exemplo mais
palpável de grandeza vetorial, precisamos ter
bem presente as idéias de direção e sentido. A
figura (a) apresenta três retas. A reta determina, ou define, uma direção. A reta determina
outra direção, diferente da direção de . Já a reta , por ser paralela a , possui a mesma direção
de . Assim a noção de direção é dada por uma
reta e por todas as que lhe são paralelas. Quer
dizer, retas paralelas têm a mesma direção.
A
B
Agora vamos a um exemplo. Consideremos um avião com uma velocidade constante
de , deslocando-se para o nordeste, sob um
ângulo de 40º (na navegação aérea, as direções são dadas pelo ângulo considerado a partir do norte (N), em sentido horário). Esta grandeza (velocidade) seria representada por um
segmento orientado (uma flecha – Figura 2),
sendo o seu módulo dado pelo comprimento
do segmento (no caso,4cm , e cada 1cm corresponde a 100km/h), com a direção e o sentido definidos pelo ângulo de 40º. O sentido será
indicado por uma seta na extremidade superior
do segmento.
Observemos que no caso do
ângulo ser 220º (40º + 180º), a direção continua sendo a mesma, porém, o sentido é opos-
Na figura (b) a direção é definida pela
reta que passa pelos pontos A e B. O deslocamento de uma pessoa nessa mesma direção
pode ser feito de duas maneiras: no sentido de
A para B ou no sentido contrário, de B para A.
Portanto, a cada direção podemos associar
sentidos. Fica claro então que só podemos falar
em “sentidos iguais” ou em “sentidos contrários” caso estejamos numa mesma direção. (ver
ao lado)
Na física, quando uma grandeza é vetorial, representamos com uma letra com uma seta
acima do símbolo. Na equação acima
(somatório das forças é igual ao produto da
massa pela aceleração), a força e a aceleração
são grandezas vetoriais, enquanto a massa, é
uma grandeza escalar.
Notação Sigma: Um somatório é um operador matemático que nos permite representar
facilmente somas de um grande número de
termos, até infinitos. É representado com a
letra grega sigma
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CIÊNCIA E SAÚDE
MÉTODO CIENTÍFICO
Uma das metas da Física é observar e
entender regularidade dos fenômenos naturais.
Por regularidade, se entende aqueles fenômenos que são repetitivos, reprodutíveis e previsíveis.
Todos sabem que se jogarmos uma pedra na água, ela afunda. Se jogarmos uma cortiça, ela flutua. Sabemos que a Terra descreve
movimentos ao redor do Sol num movimento
específico. Essas, são manifestações da natureza que se repetem e que podem ser previstas.
Por traz de cada regularidade, existe sempre uma lei física que previu ou que descreveu
essas regularidades.
Quem rege a elaboração ou obtenção de
uma lei física é o método científico.
Observação:
 Sistemática
 Controlada
Fatos:
 Verificável
Hipóteses:
 Testável
 Falseáveis
COMO FUNCIONA
Teoria científica
Conjunto indispensável de
todos os fatos e hipóteses,
harmônicos entre si
Experimentos:
Explicações
Conclusões
previsões
Reciclar
hipóteses
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 Novas Observações
 Análise lógica
não
Os resultados são
condizentes com a
teoria?
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Novos fatos
sim
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 Sistema Internacional de Unidades:
Existem 7 grandezas fundamentais das quais
todas as demais são derivadas. Elas descrevem
toda a ciência conhecida. Veja abaixo, na tabela, essas grandezas:
Alguns exemplos grandezas derivadas são:
Velocidade = Espaço/Tempo
Aceleração = Velocidade/Tempo
Força = Massa X Aceleração
Energia = Força X Deslocamento
 Matéria: É tudo o que tem massa e ocupa
lugar no espaço e, por tanto, tem volume.
 Massa: A massa é a magnitude física que
permite exprimir a quantidade de matéria contida num corpo.
 Força: qualquer agente externo que modifica o estado de movimento de um corpo livre
ou causa deformação num corpo fixo. Matematicamente, a força é o produto da massa pela
aceleração. A unidade de força é o Newton.
Observação: Como uma notação pessoal usarei os colchetes, [ ], para simbolizar a extração
das unidades das grandezas em seu interior.
 Força Peso (força gravitacional): É o resultado da interação da massa com a aceleração da gravidade.
 Prefixos: são multiplicadores (potências de
10) empregados para abreviar a anotação de
 Atrito: É uma força contrária à tendência do
movimento que é resultante da interação entre
as superfícies de dois corpos. Exemplo: Tente
arrastar um bloco de concreto sobre uma superfície bem lisa (como uma chapa de aço polida ou num piso de cerâmica encerado) depois sobre uma superfície rugosa (áspera) como o asfalto. O que você notou?
Como você acaba de notar, quanto maior a rugosidade dos dois corpos, mais força é
necessária para realizar o movimento. Parte da
força foi dissipada (ou empregada) para vencer a força de atrito.
 Inércia: Inércia é a tendência que um corpo
uma grandeza. Exemplo:
Prefixos mais usados
Agora que já aprendemos o básico, vamos entrar na física propriamente dita. Vamos a alguns
conceitos:
possui em manter-se em um dos estado inerciais. Estados Inerciais, por sua vez, caracterizam por terem aceleração nula . Ou seja, ou o
corpo está em repouso ( ou ele tem a velocidade constante
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 O Trabalho é definido como a energia transferida para um corpo devido a aplicação de
uma força que age sobre o corpo.
Considere um bloco sobre uma superfície plana, inicialmente em repouso, o qual se
deseja mover para a direita por uma distancia .
A ação de uma força (F) sobre um corpo produzindo um deslocamento (d), é chamada de
trabalho.
O Trabalho é a energia transferida para
um objeto ou de um objeto através de uma força que age sobre o objeto. Quando a energia é
transferida para o objeto, o trabalho é positivo;
quando a energia é transferida do objeto, o
trabalho é negativo.
Tanto a força como o deslocamento são
grandezas vetoriais, de uma forma mais geral:
Observe que apenas a força paralela ao
deslocamento pode realizar o trabalho requerido. Logo
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Se você não ainda não estudou em trigonometria o ciclo trigonométrico e ainda não sabe (ou não se lembra) o que é seno e cosseno, faça uma pesquisa sobre “ciclo trigonométrico”.
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 Energia: definir energia não é algo trivial e
alguns autores chegam a argumentar que
“a ciência não é capaz de definir energia, ao
menos como um conceito independente”. Entretanto, vou utilizar algumas ilustrações para
dar uma definição bem intuitiva e pouco rigorosa. Alguns exemplos podem ser dados como:
Bola de Basquete quicando ou um carro em
movimento
Aquecer, movimentar um objeto, quebrar
ou amassar um corpo, levantar um peso são
exemplos de trabalho. Para realizar qualquer
trabalho, é necessário o uso da energia. Portanto, a energia é o que permite realizar qualquer tipo de trabalho. O homem não cria energia, apenas transforma um tipo de energia em
outro para poder aproveitá-la. Existem várias
formas de energia... Vejamos algumas formas
na mecânica:
Bola de Basquete quicando
= Independe do caminho
 Energia Cinética: A energia cinética (K) é a
energia que está relacionada com o estado de
movimento de um corpo. Este tipo de energia
é
uma grandeza
escalar que
depende
da massa (m) e do módulo da velocidade (v)
do corpo em questão. Quanto maior o módulo
da velocidade do corpo, maior é a energia cinética. Quando o corpo está em repouso, ou
seja, o módulo da velocidade é nulo, a energia
cinética é nula. A expressão geral para o cálculo da energia é:
O trabalho realizado de um ponto inicial (i)
até ele mesmo (i) é nulo
 Energia Potencial: Energia potencial é a
forma de energia que está associada a um sistema onde ocorre interação entre diferentes
corpos e está relacionada com a posição que
o determinado corpo ocupa.
Forças Conservativas são uma classe
especial de forças que satisfazem duas condições: 1º O Trabalho realizado de um ponto inicial ( i ) até o ponto final (f) é o mesmo! Independente do caminho.
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 Potência: Razão entre trabalho realizado e
o tempo gasto para realizá-lo. A unidade usada
para medir trabalho é watt.
 Centro de Gravidade (ou Centro de Massa): Todo engenheiro mecânico contratado
como perito para reconstituir um acidente de
transito usa a física. Todo treinador que ensina
uma bailarina a saltar usa a física. Na verdade,
para analisar qualquer tipo de movimento complicado é preciso recorrer a simplificações que
são possíveis apenas com um entendimento
da física. Vamos agora discutir de que forma o
movimento complicado de um sistema de objetos, como um carro ou uma bailarina, pode
ser simplificado se determinarmos um ponto
especial do sistema: o centro de massa.
Eis um exemplo: se você arremessa uma
bola sem imprimir nela muita rotação, o movimento é simples. A bola descreve uma trajetória parabólica e pode ser tratada como uma
partícula. Se em vez disso você arremessar um
taco de beisebol, o movimento é mais complicado. Como cada parte do taco segue uma
trajetória diferente, não é possível representar
o taco como uma partícula. Entretanto, o taco
possui um ponto especial, o centro de massa,
que descreve uma trajetória parabólica simples; as outras partes do taco se movem em
torno do centro de massa. (Para localizar a
centro de massa, equilibre a taco em um dedo
esticado; o ponto esta acima do dedo, no eixo
central do taco.)
É difícil fazer carreira arremessando tacos
de beisebol, mas muitos treinadores ganham
dinheiro ensinando atletas de salto em distancia ou dançarinos a saltar da forma correta,
movendo pernas e braços ou girando o torso.
O ponto de partida e sempre o centro de massa da pessoa, porque é o ponto que se move
de modo mais simples.
Definimos o centro de massa (CM) de um
sistema de partículas (uma pessoa, por exemplo) para podermos prever com facilidade o
movimento do sistema.
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A
B
 Fulcro: “Dê me uma alavanca e um ponto de
apoio e eu moverei o mundo” – Arquimedes
A alavanca é um objeto rígido que é usado
com um ponto fixo apropriado (fulcro) para multiplicar a força mecânica que pode ser aplicada a
um outro objeto (resistência). Isto é denominado
também vantagem mecânica, e é um exemplo do
princípio dos momentos. O princípio da força de
alavanca pode também ser analisado usando
as leis de Newton. A alavanca é uma máquina simples. Em geral, a alavanca foi criada para facilitar o
nosso cotidiano, que é seu principal objetivo.
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 As máquinas simples são dispositivos que,
apesar de sua absoluta simplicidade, trouxeram grandes avanços para a humanidade e se
tornaram base para todas as demais máquinas
(menos ou mais complexas) criadas ao longo
da história pela humanidade.
As máquinas simples são dispositivos
capazes de alterar forças, ou simplesmente de
mudá-las de direção e sentido.
A idéia de uma máquina simples foi criada pelo filósofo grego Arquimedes, no século
III
a.C.,
que
estudou
as
máquinas
"Arquimedianas": alavanca, polia, e parafuso. Arquimedes também descobriu o princípio
da alavancagem
 Onda: A figura representa uma corda estica-
da horizontalmente, tendo uma das extremidades fixas e a outra segura por um operador. Se
o operador fizer com a mão um rápido movimento para cima e para baixo, poderemos perceber uma ondulação percorrendo a corda.
Um fato importante a observar é que as partículas da corda não se movem ao longo dela;
elas apenas executam um movimento para cima e para baixo. Dizemos então que o que caminha através da corda é uma perturbação,
que transporta energia e quantidade de movimento. O que acabemos de descrever é uma
onda mecânica.
Onda mecânica: é a perturbação de um
meio material elástico que se propaga por esse
meio, transportando energia e quantidade de
movimento.
Quando uma carga elétrica oscila, ela
produz campos elétrico e magnético que variam com a mesma freqüência da carga oscilante. Isso constitui uma onda eletromagnética.
Um requisito da especialidade é retirar uma aplicação espiritual para o Fulcro. Cada um, deve realizar sua própria aplicação! Mas, vou dar uma sugestão... Relacione fulcro e alavanca com a fé!
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LEIS DE NEWTON
 Temperatura e Calor: As pessoas confundem os dois conceitos. Calor é uma quantidade de energia e temperatura é uma medida.
O calor é uma forma de energia que flui
de um corpo mais quente a um corpo mais frio.
Pode ser interpretado como estado de agitação das partículas de um corpo; quanto mais
agitadas as partículas, mais energia é liberada
e, portanto, maior é a temperatura. Em contrapartida, quanto menor o grau de agitação das
partículas, menor a temperatura. O Zero Absoluto, é um estado em que a agitação das partículas cessa totalmente; numericamente, equivale a ou, na escala Kelven, . A temperatura
pode ser medidas em algumas escalas... As
três principais são: Graus Celsius (°C), graus
Fahrenheit (°F) ou em Kelven (K).
Você também pode usar um copo
com papel sulfite e uma moeda, retirando o papel rapidamente, também
pode ser usada como exemplo da 1ª
Lei de Newton
2ª Lei de Newton: A força resultante que age
sobre um corpo é igual ao produto da massa
do corpo pela aceleração.
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1ª Lei de Newton: Se nenhuma força atua sobre um corpo, sua velocidade não pode mudar, ou seja, o corpo não pode sofrer uma aceleração.
Experiência: Coloque uma toalha bem fina
(quanto mais fina e lisa maior a probabilidade
de dar certo) em cima da mesa. Coloque alguns livros pesados sob a mesa e, em seguida, puxe a toalha bem rápido e para baixo. Observe os resultados e observe a tendência dos
livros em permaneceram parados.
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CIÊNCIA E SAÚDE
3ª Lei de Newton: Quando dois corpos interagem, as forças que cada corpo exerce sobre o
outro são iguais em módulo e tem sentidos
opostos. (Ação e Reação)
Sobre as forças:
As forças sempre aparecem aos pares (Ação
e Reação);
Aparecem de mesmo módulo e direção, mas
em sentidos opostos;
Em corpos diferentes.
Exemplo: Veja esse sistema de dois bloquinhos com uma força (F) aplicada no bloco 1.
Representação de todas as forças atuantes:
Atenção! Caso você ainda não tenha estudado as Leis de Newton, não se desespere
com essa representação! Na verdade, ela é
bem simples e quando seu professor explicar, provavelmente você entenderá. Note
apenas que as forças aparecem sempre aos
pares! Sempre ação e reação!
Experiência: Com um balão, um carrinho e
um canudo verifique a 3ª Lei de Newton
(Ação e Reação)
EQUIVALÊNCIA MASSA E ENERGIA
Em física, a equivalência massa-energia é
o conceito de que qualquer massa possui
uma energia associada e vice-versa. Na relatividade especial, essa relação é expressa pela
fórmula de equivalência massa-energia. Onde:
E = energia; m= massa e c= velocidade da
luz no vácuo
PARA APRENDER MAIS
 Quer se aprofundar um pouco mais? Veja esse pequeno documentário cujo título é: “A Teoria da Relatividade de Albert Einstein” https://goo.gl/KJIJCc
Pesquise: Sobre a vida, obra e contribuição
de Sir Isaac Newton e de Albert Einstein
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REFERÊNCIAS
HALLIDAY, D., RESNICK, R., EALKER, J.
Fundamentos de Física – Mecânica
Vol 1. 9ª Edição. São Paulo: Ed. LTC, 2012
HALLIDAY, D., RESNICK, R., EALKER, J.
Fundamentos de Física - Gravitação, Ondas e
Termodinâmica
Vol 2. 9ª Edição. São Paulo: Ed. LTC, 2012
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CIÊNCIA E SAÚDE
PARA SABER +
DIFERENÇA ENTRE FORÇA PESO E FORÇA GRAVITACIONAL
Vejamos o peso de uma pessoa cuja massa é de
70Kg na Terra, na Lua, em Marte e em Júpiter.
TERRA
ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE
TIPLER, P. A., MOSCA, G.
Física Para Cientistas e Engenheiros - Mecânica,
Oscilação e Ondas, Termodinâmica.
Vol 1. 5ª Edição: Ed. LTC, 2009
ZEMANSKY, SEARS, F. W.
Física 1 – Mecânica
Vol 1. 12ª Edição: Addison-wesley - Br, 2009
RAMALHO, NICOLAU, TOLEDO
Os Fundamentos da Física – Mecânica
Vol 1. 9ª Edição: Ed. Moderna, 2007
686N
LUA
ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE
112N
http://fisica.rra.etc.br/
Site do Prof. Rudson R. Alves,
Mestre em Física pela UNICAMP, Professor e coordenador do Departamento de Física da Universidade Vila Velha (UVV/ES)
Notas de Aula de Física I do Prof. Rudson R. Alves Mestre em Física pela UNICAMP, Professor e
coordenador do Departamento de Física da Universidade Vila Velha (UVV/ES)
MARTE
ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE
259N
Notas de Aula de Física I do Prof. Jhone Ramsay
Andrez. Doutorando em Física na UFES e Professor de Física da Universidade Vila Velha (UVV/
ES)
JÚPITER
ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE
1736N
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