Versão em PDF - Mundo Físico

MUND
FÍSICO
Produção dos alunos do Curso de Licenciatura Plena em Física da UDESC­Joinville­SC, Brasil ­ Ano I ­ No. 6 – Ago/2004
Desvendamos o poder X
Verdades e mentiras sobre os X-men
CABEÇÃO: Os raios do Ciclope que destroem pedras, furam
metais e alcançam longas distâncias parecem ser um raio laser,
mas produzir um laser assim exigiria uma máquina muito
grande, em outras palavras, a cabeça dele teria que ser do tamanho de uma casa.
O MAIS FEDIDO: Você já deve ter
ouvido falar em comunicação telepática, mas não há indícios de que
realmente existam poderes mentais. “Exceto por pesquisas suspeitas da antiga União Soviética,
ninguém documentou poderes extra-sensoriais”, diz o escritor americano Link Yaco. Alguns animais, como as formigas, se entendem
por cheiros. Ou seja: a explicação mais viável para o Professor
X é que ele teria um nariz super apurado e se comunica
liberando odores capazes de viajar 400 quilômetros. Õ catinga!
COMER, COMER: Enfrentar Wolverine é uma tarefa inglória.
Ainda que o vilão lhe fatie a carne, o ferimento fecha em segundos, sem deixar cicatriz. Num ser humano normal a cicatrização
leva em média 14 dias. Primeiro, as células se organizam e se
multiplicam. Depois, os vasos se espalham pelo local da ferida e
alimentam o tecido com novo sangue. A única explicação para
Wolverine é que tudo no corpo dele funciona mais rápido.
Talvez sua corrente sangüínea tenha uma velocidade alucinante
e suas células produzam energia sem parar. Para isso
acontecer, no entanto, ele precisaria respirar muito mais rápido
e gastaria boa parte de seu tempo comendo. O adamantium,
que reveste seu esqueleto, não existe. O material mais duro que
existe no mundo é o diamante e, para cortá-lo, seria preciso
encontrar uma estrutura com átomos mais compactos.
sinal de que o aparelho está recebendo uma ligação e o disco,
ou teclas, que selecionam o telefone com o qual se pretende
estabelecer comunicação. Veja as figuras.
O transmissor contêm
duas partes importantes: o diafragma de
metal, e os grãos de
carvão. Quando se
fala no bocal, as ondas sonoras da voz
fazem pressão contra
o diafragma, que emtra em movimento oscilatório. Esse movimento muda a resistência dos grãos de
carvão, que aumenta
e diminui centenas de
vezes por segundo, o
que acarreta em uma variação da corrente elétrica enviada à
estação central. Essa corrente flui pela linha indo até o dispositivo receptor de outro aparelho. O receptor contém um diafragma de aço e um eletro-ímã. Quando o diafragma do dispositivo transmissor se movimenta para dentro, os grãos de
carvão sofrem uma compressão. A resistência desses grãos
diminui e a corrente aumenta, fazendo com que o diafragma do
dispositivo receptor seja movimentado também para dentro.
Quando o diafragma do dispositivo transmissor se movimenta
para fora, a corrente diminui e o diafragma do dispositivo
receptor se movimenta também para fora.
Portanto, quando uma pessoa fala num aparelho telefônico, o
número de vibrações comunicadas ao diafragma do seu
dispositivo transmissor corresponde ao mesmo número de
vibrações reproduzidas no dispositivo receptor do outro
aparelho. As primeiras centrais telefônicas eram manuais: cada
aparelho telefônico ligava-se, na central, a uma tomada situada
em um painel; sobre essa tomada existia uma lâmpada. Assim
que o usuário tirava o fone do gancho, esse fato era acusado
pela lâmpada, que acendia. O operador da mesa indagava qual
o número do aparelho pretendido e estabelecia a ligação entre
os dois aparelhos. As centrais telefônicas foram, pouco a
pouco, crescendo em volume e complexidade. O grande
desenvolvimento da eletrônica ampliou as perspectivas da
telefonia. As partes eletro-mecânicas do sistema telefônico
acabaram sendo substituídas por dispositivos eletrônicos que
realizam as mesmas funções e ainda outras novas como
transmissão de imagens e até filmes, o que acabou transformando os telefones modernos em verdadeiros centro de
multimídia .
ÍMÃ DE GELADEIRA: Ímãs não são
desligados. Como o vilão usa o poder
quando quer, a conclusão é que ele
funciona como um grande eletroímã.
Magneto teria que ter imensas cargas
elétricas circulando pelo corpo. Difícil
é entender de onde viria tanta eletricidade. Talvez ele fosse capaz de
quebrar núcleos de seus próprio átomos, provocando uma explosão nuclear interna. Mas e a radiação? O
corpo do vilão teria que ser revestido
por chumbo. Porém, assim como um imã atrai o ferro, o ferro
Centro de massa ou de gravidade?
também puxa o imã. Se Magneto atrair um navio com milhares
Apesar de normalmente ouvirmos falar do centro de massa (CM)
de toneladas, ele é que vai virar um imã de geladeira.
de um corpo e do centro de gravidade (CG) se referirem ao
mes-mo ponto de um corpo eles nem sempre coincidem. Isto
Como funciona o telefone?
não significa que os livros didáticos estejam errados, pelo
contrário, eles estão corretos. O que devemos salientar aqui é
O telefone é um aparelho utilizado para transmitir sons à disque o CM e o CG só coincidem porque o campo gravitacional
tância, constituído basicamente de dispositivos para converter
próximo à super-fície da Terra é considerado, com uma boa
ondas sonoras em ondas elétricas, o que ocorre no microfone.
aproximação, cons-tante e com intensidade igual a g =9,8 m/s2
O auto-falante (receptor) serve para reverter os sinais elétricos
(de cima para baixo).
em som, o gancho serve como interruptor, a campainha dá o
O que é nanotecnologia?
por Ricardo Fernandes da Silva
As aplicações possíveis incluem: aumentar espetacularmente a
capacidade de armazenamento e processamento de dados dos
computadores; criar novos mecanismos para entrega de medicamentos, mais seguros e menos prejudiciais ao paciente dos
que os disponíveis hoje; criar materiais mais leves e mais
resistentes do que metais e plásticos, para prédios, automóveis,
aviões; e muito mais inovações em desenvolvimento ou que
ainda não foram sequer imaginadas. Economia de energia,
proteção ao meio ambiente, menor uso de matérias primas
escassas, são possibilidades muito concretas dos desenvolvimentos em nanotecnologia que estão ocorrendo hoje e
podem ser antevistos.
Um bilionésimo de metro chama-se "nanômetro", da mesma
forma que um milésimo de metro chama-se "milímetro". O
"nano", ou simplesmente “n”, é um prefixo que vem do grego
antigo e significa "anão". Imagine uma praia começando em
Salvador, na Bahia, e indo até Natal, no Rio Grande do Norte.
Pegue um grão de areia nesta praia. Pois bem, as dimensões
desse grão de areia estão para o comprimento desta praia,
como o nanômetro está para o metro. É algo muito difícil de
imaginar. Mesmo cientistas que trabalham com átomos todos os
dias, precisam de toda sua imaginação e muita prática para se Aplicações em catálise, isto é, na química e na petroquímica, em
familiarizar com quantidades tão pequenas.
entrega de medicamentos, em sensores, em materiais magAinda antes dos cientistas desenvolverem instrumentos para ver néticos, em computação quântica, são alguns exemplos da
e manipular átomos individuais, alguns pioneiros mais ousados nanotecnologia sendo desenvolvida no Brasil. O que precise colocavam a pergunta: o que aconteceria se pudéssemos samos agora é aprender a transformar todo este conhecimento
construir novos materiais, átomo a átomo, manipulando em riquezas para o país.
diretamente os tijolos básicos da matéria? Um desses pioneiros A nanotecnologia é extremamente importante para o Brasil, por
foi um dos maiores físicos do século XX, Richard Feynman, que que a indústria brasileira terá de competir internacionalmente
desde jovem era reconhecido como um tipo genial. Uma de suas com novos produtos para que a economia do país se recupere e
invenções foi o primeiro uso de processadores paralelos do retome o crescimento econômico. Esta competição somente
mundo.
será bem sucedida com produtos e processos inovadores, que
Hoje em dia, essa mesma idéia é usada em computadores de se comparem aos melhores que a indústria internacional
alto desempenho, com microprocessadores. Em 1959, em uma oferece. Isto significa que o conteúdo tecnológico dos produtos
palestra no Instituto de Tecnologia da Califórnia, Feynman ofertados pela indústria brasileira terá de crescer
sugeriu que, em um futuro não muito distante, os engenheiros substancialmente nos próximos anos e que a força de trabalho
poderiam pegar átomos e colocá-los onde bem entendessem, do país terá de receber um nível de educação em ciência e
desde que, é claro, não fossem violadas as leis da natureza. tecnologia muito mais elevado do que o de hoje. Eis um grande
Com isso, materiais com propriedades inteiramente novas, desafio para todos nós.
poderiam ser criados. Esta palestra, intitulada "Há muito espaço
Como funciona a lâmpada incandescente?
lá embaixo" é, hoje, tomada como o ponto inicial da
Se
uma corrente elétrica suficientemente intensa passa por um
nanotecnologia. Qualquer toca-disco de CD's é uma prova da
filamento
condutor, as moléculas do filamento vibram, ele se
verdade do que Feynman dizia. Os materiais empregados na
construção dos lasers desses toca-discos não ocorrem aquece e, num dado instante, chega a brilhar. Esse é o princípio
naturalmente, mas são fabricados pelo homem, camada atômica da lâmpada incandescente comum.
sobre camada atômica.
O objetivo da nanotecnologia, seguindo a proposta de Feynman,
é o de criar novos materiais e desenvolver novos produtos e
processos baseados na crescente capacidade da tecnologia
moderna de ver e manipular átomos e moléculas. Os países
desenvolvidos investem muito dinheiro na nanotecnologia. Mais
de dois bilhões de dólares por ano, se somarmos os investimentos dos Estados Unidos, Japão e União Européia. Países
como Coréia do Sul e Taiwan, que têm sido muito melhor
sucedidos que o Brasil na utilização de tecnologias modernas
para gerar bons empregos e riquezas para seus cidadãos, também estão investindo centenas de milhões de dólares nessa
área.
Nanotecnologia não é uma tecnologia específica, mas todo
conjunto de técnicas baseadas na Física, na Química,
Biologia, na ciência e Engenharia de Materiais, e
Computação, que visam estender a capacidade humana
manipular a matéria até os limites do átomo.
um
na
na
de
A lâmpada elétrica incandescente foi inventada por volta de
1870 e envolveu o trabalho de muitos pesquisadores e inventores. Entre estes destaca-se Thomas Edison. Ele e seus
assistentes experimentaram mais de 1.600 tipos de materiais,
buscando um filamento eficiente e econômico. A sua melhor
lâmpada utilizava filamentos de bambu carbonizados.
As lâmpadas incandescentes atuais utilizam
um fio de tungstênio emcerrado num bulbo de
vidro. Esse fio tem diâmetro inferior a 0,1 mm
e é enrolado segundo uma hélice cilíndrica.
Passando-se uma corrente elétrica no filamento, ele se aquece a
uma temperatura de até
3.000 oC.
O filamento torna-se, então, incandescente e começa a emitir
luz. No interior da lâmpada não pode haver ar, pois dos
contrário o filamento se oxida e incendeia-se.
Antigamente fazia-se vácuo no interior do bulbo, porém isso
facilitava a sublimação do filamento (passagem do estado sólido
para o estado de vapor). Passaram, então, a injetar um gás
inerte, em geral o argônio ou criptônio.
É importante observar que a luz emitida por uma lâmpada incandescente não é efeito direto da corrente elétrica e sim conseqüência do aquecimento no filamento produzido pela passagem
da corrente. A lâmpada incandescente é uma lâmpada de baixo
Dos desenhos de Leonardo da Vinci às nano-engrenagens construídas rendimento, gera muito mais calor do que luz. Apenas 5% da
energia, aproximadamente, é transformada em luz.
atualmente com apenas alguns átomos: um grande avanço da Física.
Vamos fazer um experimentos científico histórico?
Experimento: pêndulo simples
Como funcionam?
Panela de pressão
A água ferve normalmente a 100º C, ao
Você já parou e pensou como foi calculada a aceleração da
nível do mar e num recipiente aberto.
gravidade? Não!!?? Então agora é a hora da verdade, junte o
Qualquer que seja o tempo que a água
material abaixo e se torne um cientista.
demore para ferver nessas condições, a
Material Necessário
temperatura continuará a mesma. Se você mantiver alta a
chama de gás, depois que a água já estiver fervendo, estará
1 linha de pescaria fina (com espessura de 0,1
apenas desperdiçando gás. O que estiver dentro da água levará
mm) de aproximadamente 1,5 m de comprio mesmo tempo para cozinhar. O excesso de calor produzirá
mento (ou aquela mesma que você usava pra
apenas a evaporação mais rápida da água. É possível, ensoltar pipa, o fio No. 10, de algodão);
tretanto, tornar a água mais quente que 100º C, aumentando a
1 cronômetro ou relógio;
pressão. É o que fazem as panelas de pressão. Como são
1 chumbada de pescaria (de preferência de
recipientes fechados, conservam o calor e a pressão aumenta.
forma esférica), ou uma bolinha com furo ou
Nessas panelas, em vez de ferver a 100º C, a água (e o vapor)
gancho;
atinge temperaturas mais altas, cerca de 120º C. Evidentemente
a carne, batata e feijão ou qualquer outro alimento cozinham
Um suporte fixo para fixar a linha (um gancho
muito mais depressa. Como o vapor exerce uma pressão conou prego num teto baixo);
siderável, as panelas possuem válvulas de segurança que
Procedimento Experimental
funcionam quando a pressão atingir um ponto perigoso.
Fixe a chumbada em uma das extremidades da linha e
amarre a outra extremidade em algum suporte fixo onde o Forno de microondas
pêndulo possa oscilar livremente, com mínimas perturbações Microondas são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda entre
externas como o vento, por exemplo;
use o maior tamanho de fio que você puder e meça com uma 1 e 300 mm. No interior do forno de
trena ou régua o tamanho L do pêndulo, desde o ponto de microondas uma onda eletromagnétisuspensão até o centro da esfera. Afaste levemente o ca com freqüência de 2.450 MHz é
pêndulo da sua posição de equilíbrio e solte-o, fazendo-o gerada por um magnétron e irradiada por uma antena metálica
(ventilador) para o interior do compartimento onde estão os
oscilar. Observe o seu movimento;
alimentos. Mediante o processo de ressonância, essa onda é
quando o pêndulo chegar no seu ponto mais alto, dispare o
absorvida pelas partículas de água existentes nos alimentos a
cronômetro (t0 =0,00 s) ou anote o instante inicial lido no
serem aquecidos. A energia absorvida aumenta a vibração das
relógio;
partículas, produzindo o aquecimento dos alimentos.
conte um número fixo N de oscilações, por exemplo N = 40,
O primeiro forno de microondas foi patenteado em 1953, mas os
calcule e anote o intervalo de tempo ∆ t necessário para as
modelos iniciais não eram muito práticos para o uso doméstico.
N oscilações completas. Observe que a primeira oscilação
Os fornos de microondas menores e mais eficientes foram
se completa quando o pêndulo retorna à posição em que foi
desenvolvidos nos anos 70 e a partir daí ganharam grande
solto, portanto, ao disparar o cronômetro (relógio), comece a
popularidade tanto nos lares como nos restaurantes.
contagem: 0, 1, 2, ... até N;
atua exdetermine o período médio T das oscilações do pêndulo O forno de microondas
clusivamente sobre as moléculas de
dividindo o intervalo de tempo ∆ t medido pelo número de água dos alimentos. Alimentos secos
oscilações observadas: T = ∆ t / N ;
ou recipientes não são aquecidos pelo
agora calcule a aceleração da gravidade com a fórmula de microondas, embora, com o tempo, o
Galileu: T = 2 π (L/g)1/2 . Para isso é preciso isolar a alimento aquecido possa aquecer o
recipiente por condução.
aceleração da gravidade g e mostrar que g = 4 π 2L/T2. (Tente
obter algebricamente esta última relação através da fórmula de As microondas têm alta capacidade de penetração na comida, o
que possibilita o cozimento por dentro e não a partir da superGalileu, lembrando que π =3,1415926... );
fície, como ocorre nos fornos convencionais. Além disso, não
finalmente, determine o valor de g a partir das medidas de L
fazem vibrar as moléculas de vidro ou plástico, que não se
e T, observando as unidades usadas. Por exemplo, se você
aquecem no interior do forno.
mediu as grandezas em cm e s, respectivamente, a
Como as moléculas de água dos alimentos têm uma carga
aceleração g será obtida em cm/s2.
elétrica diferente em seus pólos, giram com a polaridade
Anote seus resuldado no seu caderno de experimentos.
variável (direção) do campo elétrico. A fricção entre as moDesafio aos nosso leitores!!!
léculas giratórias produz calor e assim cozinha os alimentos.
A pele que recobre nosso corpo desempenha funções muito Os recipientes metálicos não podem ser usados num forno de
importantes. Ela tem participação ativa na manutenção da microondas porque o metal refletirá as ondas, impedindo que
temperatura corporal, na eliminação de substância tóxicas cheguem até o alimento. É importante lembrar que o nosso
geradas pelo próprio metabolismo do corpo e na proteção contra organismo tem alta porcentagem de água e pode ser seriaagressões do meio exterior. Em determinadas situações é im- mente prejudicado pelas radiações dos fornos de microondas.
portante saber quanto vale a superfície corporal de um
indivíduo. (Adaptado de Aguiar e outros, Cálculo para Ciências No entanto esses aparelhos são blindados, isto é, as radiações,
Médicas e Biológicas, São Paulo, Ed. Harbra,1988.) Per- produzidas internamente, não atravessam suas paredes. Usa-se
guntamos então: como você pode medir aproximadamente a uma grade de metal junto ao vidro da porta: os espaços entre as
sua superfície corporal? As três melhores respostas ganharão: malhas dessa grade são menores que as microondas.
uma calculadora “CASIO FX-82TL”, uma camiseta e um boné do Além disso, as portas possuem um mecanismo de segurança
“mundo físico”, respectivamente. Participe enviando a sua que impede a sua abertura durante o funcionamento.
resposta por e-mail para : [email protected]
Caiu no Vestibular Vocacionado!
Um elétron, de energia cinética igual a 1,638 x 10-15 joules, é
dirigido para dentro de uma região entre duas placas condutoras
paralelas, separadas de 30 mm, entre as quais existe uma
diferença de potencial de 150 V. O elétron está se movendo
perpendicularmente ao campo elétrico, quando entra na região
entre as placas.
1. Calcule o módulo do campo magnético, perpendicular tanto à
trajetória do elétron quanto ao campo elétrico, necessário para
que a velocidade do elétron seja mantida constante.
Notícias: os anéis de Saturno
As fotos, em preto e branco, são as mais nítidas já feitas dos
anéis e ajudarão a entender sua composição. A sonda Cassini,
a primeira espaçonave a entrar em órbita de Saturno, enviou
ontem com sucesso as primeiras imagens do planeta obtidas tão
de perto, cerca de 6 milhões de quilômetros.
De acordo com cientistas da Nasa as imagens apresentam
muitas interferências. Mesmo assim, são as mais claras já
obtidas até hoje e permitem visualizar detalhes importantes de
suas estruturas. Embora a Cassini tenha levado sete anos para
chegar até a órbita de Saturno, as imagens levam apenas 80
minutos para chegar à Terra. ‘São absolutamente magníficas’
resumiu Carolyn Porco, coordenadora da equipe de imagens da
missão. São tão perfeitas que parecem falsas.
Para que a velocidade do elétron seja constante, é necessário
que as forças que atuam sobre ele se anulem, ou seja, a força
resultante deve ser nula. Considerendo-se apenas a força
elétrica e a força magnética, temos que ter uma força magnética
de mesmo módulo (intensidade) e direção (vertical) da força A especialista afirmou que, por enquanto, não é possível dizer
muita coisa sobre a composição dos anéis. Mas diferenças nas
elétrica, porém de sentido contrário. (Ver figura).
tonalidades registradas nas imagens, segundo ela, podem ser
O módulo E do campo elétrico entre as placas será
indicativas da diversidade de materiais. Na delicada manobra
E = V/d = 150 V / 30 x 10-3 m = 5.000 V/m ,
executada para entrar em órbita de Saturno, na noite de quartae o módulo v da velocidade do elétron será calculado a partir de feira, a Cassini teve que passar por duas vezes entre dois anéis
— formados por rochas de tamanhos muito variados, que
sua energia cinética
poderiam acertá-la se houvesse erro nos cálculos.
Ec = mv2/2 => v = (2Ec/m)1/2 , ou seja,
A missão Cassini-Huygens, projeto conjunto da Nasa e da
v = (2 x 1,638 x 10-15 J / 9,11 x 10-31 kg)1/2 = 6,00 x 107 m/s.
Agência Espacial Européia, chegou a seu destino às 23:36h de
Dica: (J/kg)1/2 = (N.m/kg)1/2 = ((kg.m/s2).m/kg)1/2 = (m2/s2)1/2 = m/s !!!
quarta-feira (horário de Brasília). No controle da missão, no
A força elétrica sobre o elétron será FE = qE = -eE, sendo Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa, em Pasadena, na
portanto no sentido contrário do campo elétrico E, já que a carga Califórnia, a confirmação de que a nave fora capturada com
do elétron é negativa.
sucesso pela gravidade de Saturno foi recebida com aplausos.
A força magnética é obtida pelo produto vetorial
Ao custo de US$ 3,3 bilhões, a sonda já viajou cerca de 3,5
bilhões de quilômetros desde que foi lançada, em outubro de
FB = q(v x B) = -e(v x B),
1997. A Cassini passará os próximos quatro anos estudando o
ou seja, a força magnética será no sentido contrário do
planeta dos anéis e suas 31 luas conhecidas.
produto
Durante este período, a sonda vai dar 76 voltas em torno de
v x B, cujo sentido será dado pela regra da mão direita.
Saturno e coletar dados que aumentarão o conhecimento dos
astrônomos sobre este gigante gasoso e suas luas. Saturno é o
segundo maior planeta do Sistema Solar, com um diâmetro
aproximado de 120 mil quilômetros — cerca de dez vezes o
tamanho da Terra.
O estudo do planeta deve trazer novos dados sobre a formação
do Sistema Solar, já que Saturno e seus anéis seriam similares
ao disco de gás e poeira que circulou o Sol em seus primórdios.
Uma outra delicada etapa da missão começa em dezembro,
A regra da mão direita para o produto vetorial
quando a Cassini libera para o espaço a sonda de superfície
O módulo FB da força magnética será então, sendo B e v Huygens. A sonda tem como alvo Titã, a maior lua de Saturno,
que, segundo cientistas teria uma constituição física e química
perpen-diculares,
similar à da Terra e poderia abrigar vida. O Globo, 02/07/2004.
FB = evB(sen 90o) = evB .
Então, para que as forças se anulem, |FB|= |FE|, e o módulo do
campo magnético será então:
B = FE/ev = eE/ev = E/v = (5.000 V/m) / (6,00 x 107 m/s)
B = 8,33 x 10-5 T .
b) Faça um desenho mostrando os vetores velocidade, o campo
magnético e o campo elétrico.
Foto dos anéis de Saturno em detalhes, tiradas pela sonda Voyager 2,
em 23/08/1981, colorizada artificialmente para facilitar a visualização.
A Equipe
Um elétron é lançado numa região onde existe um campo elétrico E e
um campo magnético B, ambos uniformes e ortogonais.
Everton Granemann Souza
Marcio Rodrigo Loos
Leila Patrícia Torres
Luciano Camargo Martins
Matérias
Revisão
Jornalista Responsável
Coordenação Geral