Cap. 01. Física do movimento

Este artigo dá enfoque a física do movimento, com a explicação sucinta de conceitos, fórmulas e exemplos do "funcionamento" da natureza. Obviamente há muita coisa além disso e o objetivo deste texto é apenas dar um "leve embasamento teórico" nos assuntos.

Vamos começar com a definição das quatro forças fundamentais:

Existem quatro forças fundamentais na natureza: a Força Forte, Força Fraca, Força Eletromagnética, e claro, a conhecida Força Gravitacional.

Para medir estas forças na natureza, era utilizado o conceito de ação-a-distância, Com o tempo, um conceito novo surgiu: o "Campo", uma perturbação que pode ser sentida por outras partículas. Com a Teoria Quântica de Campos (TQC), chegou o conceito de mediadores, isto é, cada uma das quatro forças e mediada pela troca de uma de suas partículas por um mediador, que transmite a força de uma partícula para outra.

-> Para a Força Gravitacional temos o mediador chamado de graviton;

-> Para a Força Eletromagnética temos o mediador chamado de fóton;

-> Para a Força Forte temos o mediador chamado de gluon;

-> Para a Força Fraca, os mediadores W± e Z0.

Tabela 1 - Forças fundamentais

FORÇA GRAVITACIONAL

A gravidade é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Ela define o peso de um corpo, a força vertical e para baixo (que mantém todos os corpos unidos ao planeta Terra).

A Terra não é uma esfera perfeita. Está mais para uma elipse. A prova disso é que o raio equatorial é maior do que o raio polar, portanto, o campo gravitacional nos polos é maior do que na linha do equador. O campo gravitacional também varia levemente de acordo com a altitude em relação ao nível do mar. Concorda que, o raio do nosso planeta é um pouquinho menor se for medido do nível do mar até o centro da Terra do que se fosse medido num lugar a 1000 metros acima do nível do mar?!

Criada por Isaac Newton, a Lei da Gravitação Universal teve uma generalização relativística na Teoria da Gravitação, também conhecida como Teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein.

Com a Relatividade Geral, a Força da Gravidade passou a ser explicada de melhor forma. Primeiro que, a Gravidade não "atrai" os objetos, isso é um termo leigo comum no cotidiano. A massa deforma o espaço-tempo, e essa deformação é a Gravidade, fazendo com que objetos sigam a curvatura criada por esta massa e acelerem em muitos casos.

O nosso planeta não atrai a Lua, mas sim a deformação causada pela Terra no espaço-tempo que mantém a Lua (com uma massa muito menor) orbitando ao redor, presa no "campo gravitacional". Assim, a Lua está apenas viajando ao longo da curvatura do espaço-tempo causado pelo massivo Planeta Terra, por conta do declive que o nosso planeta cria. Desse modo, a Lua não sente nenhuma força agindo sobre ela. Está apenas seguindo um caminho particular.

A força da Gravidade que eu digo é positiva, pois sempre tende a acelerar os corpos para baixo. Uma força gravitacional negativa iria causar uma curvatura no espaço-tempo oposta.

Para finalizar este tópico e deixar mais pontos em aberto para cutucar sua insaciável curiosidade, a Relatividade Geral de Einstein explica a física por trás do movimento de corpos gigantescos e massivos, como por exemplo planetas e estrelas. Já a Mecânica Quântica explica a física por trás de 'coisas' minúsculas, tais como elétrons, prótons, nêutrons, quarks, glúons e outras partículas. A Teoria da Cordas tenta 'unificar' estas duas grandes áreas da Física!

FORÇA ELETROMAGNÉTICA

Pode ser chamada de eletrodinâmica (área da física que estuda o movimento constante de cargas elétricas), pois descreve os fenômenos elétricos e magnéticos, isto é, a força eletromagnética. James Clerk Maxwell foi quem estudou e formulou esta força fundamental, que "batia" com a Relatividade Especial, criada por Albert Einstein. A utilização destes estudos para a formulação da Eletrodinâmica Quântica foi feita por vários nomes importantes na história da Física, tais como Tomonaga, Feynman e Schwinger, tudo por volta de 1940.

O fluxo de elétrons (carga) é apenas o meio de propagação do eletromagnetismo, da ENERGIA ELÉTRICA em si. A energia não flui pelo fio, a energia flui paralela ao fio, como explica o Vetor de Pointing. O fio transporta apenas cargas e os elétrons circulam em velocidade insignificante. No centro do fio, a energia é zero, algo que pode ser facilmente evidenciado pelo Efeito de Pele, como é explicado nos artigos-piloto sobre indutores, que podem ser acessados CLICANDO AQUI e AQUI.

Quando acendemos a lâmpada na sala de casa, ao apertarmos o interruptor, a energia flui via campo elétrico magnético paralelo ao fio. O campo eletromagnético flui na velocidade da luz, portanto há o acendimento instantâneo da lâmpada.

CURIOSIDADE: A velocidade em que os elétrons se movem é chamada de "velocidade de deriva" ou "velocidade de arraste", sendo um valor demasiadamente pequeno, pra ser mais exato é na ordem de alguns milímetros por segundo (mm/s).

Essa velocidade é diretamente proporcional à corrente elétrica formada no fio e inversamente proporcional à densidade de elétrons livres (aqueles que podem ser conduzidos), bem como à secção transversal do fio e à carga dos elétrons.

Uma bateria não é recarregada, pois as cargas já estão ali. Você não bota um celular pra "carregar", mas sim pra acumular energia, isto é, organizar as cargas presentes (para haver tensão, corrente - e consequentemente energia -, no polo Negativo deve haver excesso de elétrons e no Positivo ausência).

Caso queira se aprofundar mais no assunto, comece lendo o artigo sobre condutores e isolantes. Para acessar, CLIQUE AQUI!

FORÇA FRACA

Decaimento beta nuclear, decaimento de pion, decaimento de muon, enfim, vários processos de decaimento radioativo de várias partículas consideradas "estranhas" são explicadas através da Força Fraca. Sua formulação, sua teoria, vem da Física Quântica e não da Física Clássica. O primeiro estudo sobre Força Fraca foi apresentada por Enrico Fermi, em 1933 e, posteriormente aperfeiçoada por Yang, Lee, Feynman, Gell-Mann e outros físicos nos anos 1950.

Uma das propriedades intrínsecas das partículas elementares, a Flavordinâmica, é o nome dado ao modelo atual, também chamado de Teoria de Glashow-Weinberg-Salam, criado pelos físicos Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam. Na teoria da Flavordinâmica, a Força Fraca e Força Eletromagnética são apresentadas como manifestações da Força Eletrofraca, reduzindo assim, o número de forças elementares para três.

FORÇA FORTE

São forças de curta distância que ocorrem no núcleo dos átomos, as pequenas "pecinhas" que constituem a matéria. É a Força Forte que mantém o núcleo do átomo unido, sem que haja repulsão por parte dos Prótons e Nêutrons. Sem a força forte não haveria a formação dos átomos e, consequentemente não haveria a formação do Universo como conhecemos!

Um pioneiro no estudo das forças fortes foi o físico Hideki Yukawa, que lançou o primeiro estudo em 1934 mas, somente na década de 1970 que a cromodinâmica Quântica surgiu e os fenômenos nucleares puderam ser entendidos.

A força não possui uma definição exata, mas podemos entender o que gera as forças, os tipos de força e quantiza-la. A força é considerada uma grandeza vetorial que possui módulo (valor numérico), direção (vertical, horizontal, ...) e sentido (para frente, para os lados, para cima, ...).

Existem dois tipos de força:

-> Força de contato: ocorre quando há contato físico entre dois corpos;

-> Força de campo: ocorre quando há uma perturbação, em forma de onda eletromagnética ou, por exemplo, a interação que faz os corpos e inclusive a Lua se manterem fixos neste Planeta.

Há uma relação entre força e movimento: quando é aplicado uma força sobre um corpo, vai haver uma aceleração, isto é, a velocidade do corpo sofrerá alterações durante a aplicação do movimento, desta forma concluímos que, quando um corpo se desloca com um Movimento Retilíneo Uniforme (MRU), não existem forças aplicadas sobre ele pois, a velocidade é constante. Se não há variação da velocidade, não há força resultante.

Um corpo pode ter duas formas de equilíbrio, em ambas elas as forças aplicadas devem resultar em zero:

-> Equilíbrio estático: quando o corpo está em repouso e as forças atuantes resultam em zero. Um bom exemplo e um viaduto, que para se manter equilibrado há várias forças atuando, mas todas elas resultam em zero.

-> Equilíbrio dinâmico: quando o corpo está em movimento, com velocidade constante e as forças atuantes resultam em zero.

De acordo com a Segunda Lei de Newton, a força resultante aplicada em um corpo é dada pela multiplicação da massa (kg) pela aceleração (m/s²) do corpo. O resultado é a força, em Newtons, unidade padrão do SI para força.

1 Newton é a força necessária para acelerar um corpo com massa de 1 kg a 1 m/s².

CURIOSIDADE: Apesar da Gravidade ser uma das 4 forças fundamentais da natureza, ela pode não ser definida como "força", pois como foi dito, a Gravidade é a deformação do espaço-tempo causada por corpos massivos.

Um corpo parado em algum lugar, tende a ficar parado caso nenhuma força externa seja aplicada a ele. Já um corpo em movimento, tende a permanecer em movimento após uma força o movimenta-lo. A inércia é a tendência de um corpo em manter seu estado inicial, de repouso, ou seu estado final, de movimento.

O estado inicial, isto é, um corpo parado, imóvel, só pode ser alterado se uma força for aplicada a ele, uma força externa, já o estado final de movimento, é quando a força já foi aplicada, e o objeto tende a se mover e manter o estado de movimento, parando apenas por questões de atrito ou por uma outra força externa maior.

A Terra mantém seu movimento sobre si (um movimento de rotação), que é um movimento inercial. Se a Terra parasse seu movimento de rotação neste exato momento, todos os corpos presentes no planeta tenderiam a continuar o movimento e seriam ejetados para o espaço! Sim, a força de ejeção seria várias e várias vezes maior que a força da gravidade que nos segura aqui na superfície!

Um automóvel, ao colidir numa parede, por exemplo, é parado instantaneamente, enquanto que os passageiros desta máquina tendem a manter o movimento e serem ejetados para fora. Por este motivo que o cinto de segurança é uma ótima invenção!

Massa é a quantidade de matéria que constitui um corpo. A inércia de um corpo depende da massa. Como assim?

Um determinado caminhão possui uma massa em torno 50 Toneladas. Concorda comigo que será muito mais difícil colocar este veículo em movimento e também será muito mais difícil para-lo, se comparado com um carro de passeio, por exemplo?

Isso é decorrente da massa deste veículo de carga ser muuuito mais elevada que a de um veículo de passeio, fazendo com que seja mais difícil de tira-lo do lugar (inércia) e coloca-lo em movimento e, consequentemente sendo mais difícil para-lo, isto é, finalizar a inércia do movimento. Grave isso: quanto maior a massa de um corpo maior é a inércia!

Por este motivo que a massa é a medida quantitativa da inércia!

Lembrando que, a massa é quantizada em kg (kilograma) e não tem nada a ver com o peso. O porque disto você verá nos próximos tópicos.

Para calcular a massa, utilizamos a fórmula:

Onde:

> M : Massa, em gramas;

> V : Volume do corpo a ser calculado;

> d : Densidade do corpo a ser calculado.

Os conceitos de densidade e volume você verá nos próximos tópicos.

Outra fórmula que pode ser utilizada é a exibida abaixo:

Onde:

> M : Massa, em kilogramas;

> F : Força, dada em Newtons;

> a ; Aceleração, em m/s².

O volume é considerado o espaço ocupado por um corpo sólido geométrico. Medimos o volume em metros cúbicos (m²) ou centímetros cúbicos (cm²). Líquidos também possuem volume, que é medido em litros.

> 1 m³ = 1000 litros;

> 1 cm³ = 1 mililitro (ml)

> 1 litro = 1000 cm³.

A densidade é a relação entre a massa de um corpo e o volume ocupado por ele. É a quantidade de matéria que está presente em uma unidade de volume. Tanto para sólidos, quanto para líquidos, a densidade é expressa pela unidade g/cm² (gramas por centímetro cúbico).

Para calcular a densidade utilizamos a seguinte fórmula matemática:

Onde:

> d : Densidade do corpo, em g/cm²;

> M : Massa do corpo, em gramas;

> V : Volume do corpo, em cm².

A diferença entre densidade absoluta e relativa é que, na densidade absoluta calculamos a real densidade de um corpo, já a densidade relativa comparamos a densidade absoluta de um corpo com a de densidade absoluta de outro. A fórmula para calcular a densidade relativa é dada abaixo:

Onde:

> dr : Densidade relativa;

> d1 : Densidade do primeiro corpo;

> d2 : Densidade do segundo corpo.

A densidade varia de acordo coma temperatura e, no caso de uma mistura, varia de acordo com as quantidades das substâncias envolvidas.

A densidade da água em condições normais (ambientais) é de 1,00 g/cm², ou seja, em 1 mL ou 1 cm³, há 1 g de água.

O gelo flutua na água pois ele é menos denso! Ao se formar gelo, abaixo de 0° C a água assume uma densidade menor do que no estado líquido e, essa densidade menor é de 0,92 g/cm².

A densidade do álcool em condições normais é de 0,79 g/cm², o que faria um cubo de gelo afundar.

O mercúrio possui uma densidade maior que o leite, portanto num determinado volume de mercúrio há mais matéria do que do que se comparado com o mesmo volume de leite.

Abaixo, uma lista com a densidade de alguns materiais:

Tabela 2

O peso, em termos leigos pode ser chamado de "força invisível que atrai os corpos para a Terra".

O peso varia de acordo com a gravidade do planeta, já a massa não! A quantidade de matéria presente em um corpo é a mesma em qualquer lugar!

Mas como faz para calcular o peso? Simples: multiplica-se a massa pela gravidade! O resultado é o peso, em Newtons.

Quando subimos na balança para nos pesar, não estamos medindo o peso do corpo, mas sim a massa dele. Você pesa menos na linha do Equador, devido ao formato não esférico do nosso planeta, que será explicado abaixo. Em outros planetas, você poderia pesar mais ou até mesmo menos do que o seu peso na Terra, isto porque a gravidade em cada Planeta é diferente. Até mesmo em nosso satélite natural, a Lua, o campo gravitacional é diferente.

Veja a tabela abaixo, com o valor de gravidade de cada planeta:

Tabela 3 - Lembrando que, os valores para gravidade são dados em m/s³.

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FONTES e CRÉDITOS

Texto, tabelas e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: WikiHow; Info Escola; Mundo Educação; Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Brasil Escola; Guia do Estudante; Toda Matéria; Engenharia Livre, GizModo.

Última atualização: 09 de Março de 2021.