Isaac Newton: Fé
e Física
O homem que descobriu a gravidade e as leis do movimento, criou
a ótica e reinventou a matemática
também legou à humanidade receitas para transformar metais em ouro, remédios
feitos com centopeias e uma lista de pecados que costumava anotar em seus
cadernos. Passou a vida estudando a Bíblia para prever quando Jesus voltaria à
Terra.
Contraditório? Não para a época. Quando
Isaac Newton nasceu, na Inglaterra de 1642, matemática, religião, ciência e
magia se confundiam. Astronomia e astrologia eram a mesma coisa. Alquimia e
química também. “O século 17 foi uma transição entre a Idade Média e o
Iluminismo”, afirma o físico Eduardo de Campos Valadares, professor da UFMG e
autor do livro Newton - A Órbita da Terra em um Copo d·Água. “Os homens que
criaram o nosso jeito de pensar viveram com ideias medievais, barrocas, e
tementes a Deus.”
No caso de Newton, o misticismo e a
religião não só conviveram com a ciência como a fortaleceram. “Seu mergulho
profundo nas experiências alquímicas e nas raízes da teologia pode ter
influenciado seus pensamentos a respeito de uma visão mais ampla do Universo”,
afirma Michael White, autor da biografia Isaac Newton – O Último Feiticeiro.
(Fonte: http://super.abril.com.br/ciencia/isaac-newton-fe-fisica-446508.shtml)
Segundo suas descobertas, que foram
posteriormente aumentadas por outros cientistas, o universo era regido por leis
matemáticas imutáveis, que permitiria sermos capazes de descrever qualquer
corpo no espaço e no tempo, conceitos estes absolutos, independentes do
observador. Complementou assim o trabalho de Galileu e fundou a base da física
clássica.
Dentre suas descobertas, aquela que
é mais conhecida pela população em geral é a gravidade. Quem nunca ouviu
falar da maça que caiu em sua cabeça e inspirou este estudo, enquanto
descansava sobre uma macieira? Esse fato, contudo não passa de lenda... Ninguém
realmente chegou a comprovar sua veracidade deste acontecimento.
Devemos também destacar as famosas
três leis de Newton, que formam o real alicerce da física Clássica:
1.
Primeira Lei de Newton – Principio da Inércia: “Um corpo em repouso tende a permanecer
em repouso, e um corpo em movimento tende a permanecer em movimento.”
2.
Segunda Lei de Newton – Principio da Fundamental da Dinâmica: A mudança de
movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção de
linha reta na qual aquela força é imprimida.
3. Terceira lei de Newton –
Princípio da Ação e Reação: A toda ação há
sempre uma reação oposta e de igual intensidade: ou as ações mútuas de dois
corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em sentidos opostos.
Diferente da física aristotélica, as
leis de Newton foram testadas por experimentos e observações por mais de 200
anos, e se elas não são precisas, são uma excelente aproximação quando
restritas à escalas de dimensão e velocidades encontradas no nosso cotidiano.
As leis do movimento, a lei da gravitação universal e as técnicas matemáticas
atreladas a elas provêm em um primeiro momento uma boa explicação para quase
todos os fenômenos físicos observados no dia-a-dia de uma pessoa normal.
Contudo, quando observamos em uma escala
muito além dos limites de velocidades e dimensões encontradas no dia-a-dia,
elas tornam-se inapropriadas e ineficientes.
Um exemplo são as partículas atômicas aceleradas nos aceleradores de
partículas. Para elas houve a necessidade de expandir as fronteiras do
conhecimento com teorias mais abrangentes que as da mecânica de Newton.
Primeira Lei de Newton – Principio da Inércia
Definição: “Um corpo em
repouso tende a permanecer em repouso, e
um corpo em movimento tende a permanecer em movimento.”
Resumindo:
·
Um
corpo parado vai permanecer parado.
·
Um
corpo em movimento vai permanecer em movimento.
Estas condições serão modificadas apenas
se houver a aplicação de uma força que impulsione ou freie o corpo. Fique
atento porque isto contraria e lógica natural de nosso raciocínio: quando
arremessamos um objeto vemos ele parar após algum tempo. Vamos imaginar uma pessoa no balanço. Se ela não renovar o impulso acaba
parrando. Imaginamos que a pessoa para
porque a “força” que começo acabou. Mas
não. Na verdade o corpo parou porque
existiam forças atuando nele de forma que o fizesse parara: O atrito, a
resistência do ar e etc.
Você pode imaginar a primeira lei de
Newton como sendo a tendência natural do corpo permanecer em seu estado
atual. Se for movimento o corpo quer
permanecer assim. Se for repouso também. Como pessoas dentro de um carro ou
ônibus. Existindo uma freada brusca
somos arremessados para frente, pois era a tendência natural do nosso corpo,
permanecer se movendo para frente.
Hora de
Trabalhar:
Acesse
o link: http://tomaraquechegue.blogspot.com.br/2017/04/primeira-lei-de-newton-fisica-1-ano.html
Segunda Lei de Newton – Principio da Fundamental da Dinâmica
Definição: A mudança de
movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção de
linha reta na qual aquela força é imprimida.
Resumindo:
·
Uma
força aplicada em um corpo leve implica em muita velocidade.
·
Uma
força aplicada em um corpo pesado implica em pouca velocidade.
·
Com
mais força podemos empurrar um objeto mais longe.
Em nosso dia a dia podemos perceber que,
ao tentar empurrar ou puxar objetos mais pesados (com maior massa) temos mais
dificuldade de objetos mais leves. Desta forma, podemos afirmar que a massa é
uma medida de inércia de um corpo.
Quanto maior massa maior será a capacidade de resistir a mudança brusca
em seu movimento.
Traduzindo em linguagem matemática,
basicamente, teremos a seguinte fórmula:
|
F = m.a
Exemplo: Um corpo com
massa de 30Kg será empurrado por um aparelho que aplica uma aceleração de 4m/s2. Qual a força necessária para isto?
|
F
= ?
m
= 30Kg
a
= 4m/s2
Hora de
Trabalhar:
Vamos
fazer um experimento e comprovar os aspectos da segunda lei de Newton.
Material
necessário:
·
Cadeira
de escritório, com rodinhas.
·
Duas
pessoas.
Etapas:
·
Coloque
a cadeira de rodinhas em um local onde não possa bater em nada.
·
Empurre
a cadeira e observe a velocidade do movimento desta cadeira.
·
Traga
a cadeira novamente para o mesmo lugar e peça para a outra pessoa sentar na
cadeira.
·
Empurre
a cadeira com a pessoa sentada utilizando a mesma força que antes.
Perguntas
norteadoras:
·
Qual
a diferença entre as duas cadeiras?
·
Qual
cadeira se moveu mais rápido?
·
Como
a Segunda Lei de Newton pode ser observada?
Como
vou entregar este trabalho?
·
Em
forma de relatório, individual. Atenção
não será aceito se não estiver na forma de relatório.
·
Deve
ser acrescentado ao trabalho no final do bimestre.
Verificando os
que aprendemos
Questão 01 – Um corpo com
massa de 45Kg será puxado para uma direção específica. Sabendo que a aceleração utilizada será de
2,5m/s2 determine a força utilizada no processo.
Questão 02 – Um corpo de
800g será empurrado com aceleração de 1m/s2. Qual a força necessária para que isto seja
feito?
Questão 03 – Tanto Kepler
como Newton realizaram atividades que consideraríamos pouco científicas nos
dias atuais. Enquanto Newton escrevia listas de pecados, Kepler fazia
horóscopos. Isso ocorrei porque:
(A)
Tudo
isso era verdade e importante, naquela época e atualmente.
(B)
Os
cientistas eram em sua maioria magos.
(C)
A
ciência e o misticismo estavam muito misturados.
(D)
Eles
apenas não tinham mais nada para fazer.
(E)
N.D.A.
Questão 04 – Em um barco de
turismo estão três pessoas: o condutor e dois turistas. Para fazer uma selfie os dois ficaram de pé
com a máquina, no momento exato em que o condutor do barco resolver sair em
alta velocidade. Neste caso, os dois
caíram do barco diretamente na água. Isso ocorreu:
(A)
Tendo
em vista a segunda lei de Kepler.
(B)
Tendo
em vista a primeira lei de Kepler.
(C)
Tendo
em vista a segunda lei de Newton.
(D)
Tendo
em vista a primeira lei de Newton.
(E)
N.D.A.
Questão 05 – Por ordem
crescente de acontecimentos históricos teríamos:
(A)
Sistema
Geocêntrico – Sistema Heliocêntrico – Órbitas Elípticas.
(B)
Órbitas
Elípticas – Sistema Geocêntrico – Sistema Heliocêntrico.
(C)
Sistema
Geocêntrico – Órbitas Elípticas – Sistema Heliocêntrico.
(D)
Sistema
Heliocêntrico– Órbitas Elípticas – Sistema Geocêntrico.
(E)
Órbitas
Elípticas – Sistema Heliocêntrico– Sistema Geocêntrico.
Terceira lei de Newton – Princípio da Ação e Reação
Definição: A toda ação há
sempre uma reação oposta e de igual intensidade: ou as ações mútuas de dois
corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em sentidos opostos.
Resumindo:
·
Quando
você empurra um corpo, este corpo empurra de volta.
·
São
forças trocadas entre dois corpos.
De certa forma as forças de ação e
reação, ou seja, a terceira Lei de Newton está muito presente em nosso dia a
dia. Caminhar é um exemplo desta lei. Lançar um foguete ao espaço também
utiliza a terceira lei. De uma forma geral, a terceira lei de newton é o que
nos permite fazer todas as coisas pois sem ela não teríamos nenhum tipo de
resistência e acabaríamos não sendo capazes de nem mesmo tocar em algo.
O próprio caminhar, imagine se o chão
não empurrasse você com a mesma força que você empurra ele quando anda. Seria como tentar caminhar sobre a água, ou
pisar em isopor fino, ele facilmente seria rompido, pois a força que você
aplica sobre ele seria maior do que a que ele aplica sobre você.
Se você ainda está com alguma dúvida ou
precisa de mais ajuda, veja o vídeo do mundo de Beakman e saiba um pouco mais
sobre o assunto: https://youtu.be/QpwS-Dsolxo
Quanto é seu
peso?
Vamos agora trabalhar um pouco uma forma
específica da segunda lei de Newton, a força.
Já aprendemos a calcular a força através da fórmula F = m.a. Esta formula também é utilizada para calcular
o peso de um objeto. Você pode ficar em dúvida: Quando eu subo na banca eu não
tenho meu peso? A resposta é bem
simples, não. Você confunde porque, quando subimos em uma balança vemos a força
da gravidade puxando nosso corpo para baixo.
O termo “peso” vem constantemente sendo utilizado de forma incorreta, ou
imprecisa por profissionais da saúde, moda, comunicação e a população em geral.
Por exemplo, na reportagem do Estadão (10 de maio de 2010):
“Só para dar uma referência, Martha Rocha, a Miss
Brasil 1954, tinha 1,70m, 58kg e 100cm de quadril, uma verdadeira heresia
fashion. Vera Fischer, idem. Ieda Vargas media 1,68m e pesava 56kg.”
Na verdade Peso é a força gravitacional
sofrida por um corpo nas vizinhanças de um planeta. É uma grandeza vetorial e,
portanto, possui módulo, direção e sentido. Matematicamente temos:
P =m.g
Onde g é a aceleração da gravidade local,
m é a massa e P é o Peso. A massa de um corpo não muda. O que muda é seu peso
em razão da ação da força gravitacional, que pode ser maior ou menor,
dependendo da localização do corpo.
Então, no exemplo do texto, quando dito
que Ieda Vargas pesava 56kg a frase deveria ser: Ieda Vargas media 1,68m e tinha
56kg de massa. O peso da modelo, considerando a gravidade da terra como sendo
9,8m/s2 o peso dela é calculado por:
|
P
= ?
m
= 56kg
g
9,8 m/s2
9,8 m/s2
A simbologia “N” é a unidade correta de
medida de peso e significa Newton, assim a modelo do trecho da notícia tem
aproximadamente 548,8 Newtons de peso. A unidade Newton é utilizada pois esta
fórmula é originária da segunda Lei de
Newton para cálculo de força. Em alguns casos, a unidade de medida também
pode ser chamada Kg.f ou ainda kg.m/s2.
Fica então muito claro para qualquer um
que subir em uma balança na farmácia, no hospital ou em casa não nos mostrará
nosso peso mas sim nossa massa. Para calcularmos o peso de qualquer corpo,
devemos sempre levar em consideração a gravidade do local ou planeta em
questão. Temos a seguir a lista de gravidades dos corpos comuns de nossos
sistema solar.
|
Planeta
|
Gravidade (m/s2)
|
|
Sol
(Não é um planeta)
|
274
m/s2
|
|
Júpiter
|
22,9
m/s2
|
|
Netuno
|
11
m/s2
|
|
Terra
|
9,8
m/s2
|
|
Saturno
|
9,05
m/s2
|
|
Vênus
|
8,60
m/s2
|
|
Urano
|
7,77
m/s2
|
|
Mercúrio
|
3,78
m/s2
|
|
Marte
|
3,72
m/s2
|
|
Lua
(Não é um planeta)
|
1,67
m/s2
|
|
Plutão
|
0,5
m/s2
|
Somente não podemos esquecer que para
fazer os cálculos devemos ter os valores nas seguintes unidades de medida, caso
não estejam devemos converter:
m
= Kg (Quilograma) a
= m/s2 (metro por segundo)
g
= m/s2 (metro por segundo) P
= N (Newton)
Saiba
um pouco mais: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/8511/open/file/fis1_ativ1.swf?sequence=4
Hora de
Trabalhar:
Vamos
fazer um experimento, para verificar se você realmente aprendeu como funcionam
as leis de Newton.
Material
necessário:
·
Duas
moedas de mesmo tamanho
·
Uma
régua.
Etapas:
·
Coloque
as duas moedas uma sobre a outra e sobre uma superfície plana (mesa).
·
Coloque
a régua sobre a mesa e “bata” na moeda de baixo de forma que a régua não pare.
·
Traga
a cadeira novamente para o mesmo lugar e peça para a outra pessoa sentar na
cadeira.
Perguntas
norteadoras:
·
O
que aconteceu com a moeda de baixo?
·
O
que aconteceu com a moeda de cima?
·
Porque
com a moeda de cima não houve o mesmo que com a moeda de baixo? Toma como base
as leis de Newton.
Apresentação
·
Em
forma de relatório, individual. Atenção
não será aceito se não estiver na forma de relatório.
·
Deve
ser acrescentado ao trabalho no final do bimestre.
Verificando os
que aprendemos
1
– Uma pessoa que possui 45kg de massa pesa quanto na verdade?
2
– Um corpo com massa de 68kg possui qual peso?
3
– Ao subir em uma balança vemos o número 50kg.
O que isto significa?
4
– Uma que pese 637N na terra tem quanto de massa?
5
– Um peso de 29,4N é difícil ou fácil de carregar?
6
– Se na terra uma pessoa pesa 490N qual será seu peso em Netuno?
7
– Para perder peso, uma pessoa com 100kg de massa deveria viajar para qual
planeta?
8
– Porque imagens de astronautas na lua sempre mostram eles “dando pulinhos”
para se movimentar?
9
– Um corpo com 720N de Peso e massa de 15Kg, está em qual gravidade?
10
– Para que um corpo com 35Kg de massa pese 630N qual deve ser a gravidade?
Apenas quatro
origens: As forças fundamentais da Natureza
Já vimos as contribuições de Kepler e
Newton para nossa sociedade atual. Mas
seus estudos datam de mais de 300 anos atrás.
Neste meio tempo a física moderna tem trabalhado ativamente para
apresentar resultados e explicações para nosso mundo. Não mais para saber como é o sistema solar,
mas para saber se existem outros planetas com condições de haver vida.
No campo das forças e das interações
entre as partículas, também temos evoluído nosso trabalho. Procuramos limitar a
quantidade de interações que um corpo pode sofrer. De forma geral, podemos
dizer que atualmente procuramos explicar de forma mais clara, reduzindo o campo
de trabalho para quatro interações que seriam a causa de todos os fenômenos
físicos, tais como a gravidade, as ondas sonoras e etc.
Segundo a física moderna, as interações
feitas pelos físicos são estudas em níveis subatômicos, ou seja, em um universo
muito menor do que podemos ver. Contudo, devemos lembrar que tudo que
observamos são formados por átomos e estes átomos são formados pelas partículas
subatômicas como Quarks, bósons e etc.
Estas interações são provocadas por
quatro forças fundamentais, que receberam o nome de Forças Fundamentais da Natureza.
Em ordem decrescente de força elas são
divididas em: Força nuclear forte, Força eletromagnética,
Força
nuclear fraca e por último a Força
Gravitacional. Segundo os pensamentos atuais são
estas quatro forças a origem de todas as interações e fenômenos físicos
estudados.
Força Nuclear
Forte
A força nuclear forte mantém a coesão do
núcleo atômico e garante a união dos quarks para formarem os prótons e os
nêutrons, assim como a ligação dos prótons entre si, equilibrando a força
eletrostática repulsiva entre cargas de mesmo sinal. A força nuclear forte é
mais intensa das quatro forças fundamentais. Sua intensidade é 1038 vezes maior
que a força gravitacional, a mais fraca das quatro. Entretanto, sua ação só se
manifesta para distâncias menores que 10-15 m, isto é, dimensões inferiores às
do núcleo atômico. A intensidade da força nuclear forte diminui rapidamente
quando há a separação entre as partículas, praticamente se anulando quando a
distância assume as dimensões de alguns diâmetros nucleares.
Para ficar bem claro, devemos lembrar
que os prótons de um átomo possuem carga elétrica positivas, o que provocaria a
repulsão entre eles. A força que mantém
unidos, coesos, sem que tentem escapar é esta chamada Força Nuclear Forte.
Força
Eletromagnética
Esta é a força que engloba as cargas que
estão eletrizadas, positiva ou negativamente. Fazem parte dela as forças
magnéticas e as forças elétricas.
Devemos então entender que a força elétrica e a força magnética estão
intimamente ligadas nesta força fundamental formando esta força eletromagnética
Força Elétrica: É formada através da
movimentação dos Elétrons dos átomos.
Vemos esta força quando utilizamos a luz de nossa casa, por
exemplo. Mas também temos impulsos
elétricos em nossos corpos. Já a Força magnética: É formada através dos átomos
que passam a ser ordenados, todos com mesma carga próximo. Percebemos esta força com ímãs naturais ou
artificiais.
A movimentação de uma agulha da bússola, a força de atrito,
a força normal, a força de atração ou repulsão dos corpos são exemplos da força
eletromagnética. A força eletromagnética tem intensidade 102 vezes
menor em média que a força nuclear forte.
Força Nuclear
Fraca
É a força que produz instabilidade em
certos núcleos atômicos. Ela é a responsável pela emissão de elétrons por parte
dos núcleos de algumas substâncias radioativas, num processo denominado decaimento beta. Basicamente esta é a
forma desenvolvida entre os léptons e os hadrons que são partículas sub
atômicas. Sua intensidade é 1013 vezes menor que a força nuclear
forte.
Apesar da força nuclear fraca ser um
pouco mais forte que a eletromagnética, seus elementos são muito pesados e
lentos não sendo considerados bons transmissores de energia. Assim, ele acaba
sendo a menos considerada dentre todas as demais forças fundamentais.
Força gravitacional
É a força de interação entre massas. A
força gravitacional entre dois prótons tem intensidade 1036 vezes
menor, aproximadamente, do que a correspondente força de repulsão elétrica
entre essas partículas. Entretanto, sua intensidade pode assumir valores
elevados, pois como se sabe da Lei da Gravitação Universal é proporcional
às massas que interagem e normalmente os astros têm massas elevadas. Por isso,
a força gravitacional tem grande importância na Astronomia e na Cosmologia,
explicando a movimentação dos astros no Universo, bem como a formação de
estrelas, galáxias e sistemas planetários.
Esta é a força que podemos perceber com
mais naturalidade: a gravidade da Terra.
Mas também é ele quem mantem os corpos celeste próximos, é a força de
interação entre a Terra e a Lua, ou entre o Sol e a Terra ou outro planeta
qualquer do nosso sistema solar. Ou qualquer outra estrela com qualquer outro
planeta. Mesmo tendo esta amplitude
toda, ele é a menos intensa das quatro forças.
Verificando os
que aprendemos
Questão 01 - A força de atrito, a força normal e a força de tração
num fio são:
(A) forças de natureza nuclear forte;
(B) forças de natureza gravitacional;
(C) forças de natureza eletromagnética;
(D) forças de natureza, respectivamente, nuclear forte, gravitacional e eletromagnética.
(E) forças de natureza, respectivamente, nuclear fraca, eletromagnética e nuclear forte.
(A) forças de natureza nuclear forte;
(B) forças de natureza gravitacional;
(C) forças de natureza eletromagnética;
(D) forças de natureza, respectivamente, nuclear forte, gravitacional e eletromagnética.
(E) forças de natureza, respectivamente, nuclear fraca, eletromagnética e nuclear forte.
Questão 02 - (UFMT)
Em 1947, na Universidade de Bristol (Inglaterra), Cesar Lattes, físico
brasileiro, idealizou uma série de experiências que culminou com a descoberta
do méson, partícula responsável pela força de interação nuclear forte. Essa
força é responsável pela:
(A) existência dos núcleos atômicos.
(B) atração entre a Terra e a Lua.
(C) queima de petróleo.
(D) transparência de materiais vítreos.
(E) catástrofe do ultravioleta nas radiações de corpos negros.
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Estarei fazendo a correção então identifique:
Nome da Escola, Turma, Nome e Número dos alunos. Sem estas informações não poderei fazer as corrreções.