AS TRÊS LEIS DE NEWTON

Princípio da Inércia ou Primeira Lei de Newton:

 "Todo corpo permanece em seu estado de repouso, ou de movimento uniforme em linha reta, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças impressas nele" 

      Esse princípio indica que a velocidade vetorial de um ponto material, não varia. Se o ponto estiver em repouso permanece em repouso e, se estiver em movimento, permanece com velocidade constante realizando movimento retilínio e uniforme. Na prática não é possível obter um ponto material livre da ação de forças. No entanto, se o ponto material estiver sujeito a nenhuma força que atue sobre ele, ele estará em repouso ou descreverá movimento retilínio e uniforme. A existência de forças, não equilibradas, produz variação da velocidade do ponto material.

     A tendência que um corpo possui de permanecer em repouso ou em movimento retilínio e uniforme, quando livre da ação de forças ou sujeito a forças cuja resultante é nula, é interpretada como uma propriedade que os corpos possuem denominada Inércia.

Quando maior a massa de um corpo maior a sua inércia, isto é, maior é sua tendência de permanecer em repouso ou em movimento retilínio e uniforme.

Portanto, a massa é a constante característica do corpo que mede a sua inércia.

Um corpo em repouso tende, por sua inércia, a permanecer em repouso. Um corpo em movimento tende, por sua inércia, a manter constante sua velocidade.

Exemplo:

Um foguete no espaço pode se movimentar sem o auxilio dos propulsores apenas por Inércia.

Quando os propulsores do foguete são desligados ele continua seu movimento em linha reta e com velocidade constante.

A Força ou a Segunda Lei de Newton

"A mudança do movimento é proporcional à força matriz impressa e se faz segundo a linha reta pela qual se imprime essa força"

Força , em física, qualquer ação ou influência que modifica o estado de repouso ou de movimento de um corpo. A força é um vetor, o que significa que tem módulo, direção e sentido. Quando várias forças atuam sobre um corpo, elas se somam vetorialmente, para dar lugar a uma força total ou resultante.

No Sistema Internacional de unidades, a força é medida em newtons. Um newton (N) é a força que proporciona a um objeto de 100g de massa uma aceleração de 1 m/s²

Exemplo:

Os carros podem aumentar e diminuir suas velocidades graças ação de forças aplicadas pelo motor e pelo freio respectivamente.

Princípio da Ação e Reação ou Terceira Lei de Newton

            "A uma ação sempre se opõe uma reação igual, ou seja, as ações de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e se dirigem a partes contrárias "

Sempre que dois corpos quaisquer A e B interagem, as forças exercidas são mútuas. Tanto A exerce força em B, como B exerce força em A. A interação entre corpos é regida pelo principio da ação e reação, proposto por Newton, como veremos a seguir: 

Toda vez que um corpo A exerce uma força Fa em um corpo B, este também exerce em A uma força Fb tal que estas forças:  

Têm mesma intensidade

Têm mesma direção

Têm sentidos opostos

Têm a mesma natureza

As chamadas forças de ação e reação não se equilibram, pois estão aplicadas em corpos diferentes.

 

Exemplo:

Para se deslocar, o nadador empurra a água para trás, e, esta por sua vez, o empurra para frente.

Note que as forças do par ação e reação tem as características apresentadas anteriormente.

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

TIPOS DE REAÇÕES QUÍMICAS

As reações químicas costumam ocorrer acompanhadas de alguns efeitos que podem dar uma dica de que elas estão acontecendo.

Vamos ver quais são estes efeitos?

 SAÍDA DE GASES

  FORMAÇÃO DE PRECIPITADO

  MUDANÇA DE COR

  ALTERAÇÕES DE CALOR

 Vamos estudar alguns tipos de reações químicas.

Estas reações são também conhecidas como reações de composição ou de adição. Neste tipo de reação um único composto é obtido a partir de dois compostos.

Vamos ver uma ilustração deste tipo de reação!

Vamos ver alguns exemplos?

Como o próprio nome diz, este tipo de reação é o inverso da anterior (composição), ou seja, ocorrem quando a partir de um único composto são obtidos outros compostos. Estas reações também são conhecidas como reações de análise. Que tal dar uma olhadinha em uma ilustração e em alguns exemplos?

Estas reações ocorrem quando uma substância simples reage com uma substância composta para formar outra substância simples e outra composta. Estas reações são também conhecidas como reações de deslocamento ou reações de substituição.

Como será que isto ocorre? Vamos ver alguns exemplos para entender melhor estas reações.

Estas reações ocorrem quando duas substâncias compostas resolvem fazer uma troca e formam-se duas novas substâncias compostas. Vamos aos exemplos?

Vamos exercitar o que você aprendeu? Então click nos exercícios abaixo e mão no mouse para ver se você já está craque! 

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

TEORIA DA RELATIVIDADE

          

  As noções clássicas de espaço e de tempo, intocáveis ao longo dos séculos, baseavam-se em conceitos de tempo e comprimento absolutos, isto é, o movimento não influenciava o tempo nem o comprimento linear dos objetos.

            A teoria da relatividade de Einstein surge como um novo estudo do espaço e do tempo, substituindo as noções ditas clássicas.

A criação da Relatividade

 

            Durante sua permanência em Berna, Suiça, Einstein conheceu Michele Angelo Besso, engenheiro italiano, casado com Ana, cujo irmão, Paul Winteler, esposa mais tarde, Maja, irmã de Einstein.Além destas relações familiares, foi o trabalho conjunto de ambos, no Departamento de Patentes, que possibilitou a concretização de uma longa e profunda amizade, fácil de se comprovar pela correspondência que mantiveram no período de 1903 a 1955, e recentemente, publicada pela editora Hermann de Paris, em 1972.Michele Besso, com quem Einstein gostava de trocar idéias, possuia profundos conhecimentos enciclopédicos em filosofia, sociologia, matemática e física. Segundo Einstein, Besso constituia o melhor banco de ensaio para as idéias novas em toda a Europa. Aliás, quando Einstein lhe expôs as suas idéias sobre a teoria da relatividade, Besso logo compreendeu a sua importância científica procurando atrair a atenção de Einstein para inúmeros outros pontos novos. Algumas dessas sugestões foram utilizadas, no desenvolvimento desta teoria, como consta nos primeiros artigos que Eintein publicou sobre a relatividade.

Numa das célebres reuniões de grupo de Berna, sugestivamente conhecido por Academia Olímpia, a irmã de Besso certa vez interrogou Einstein: "Porque Michele (Besso) não fez nenhuma descoberta importante em matemática ?

Sorrindo, Einstein respondeu: "Isto é um bom sinal . Michele é um humanista, um espírito universal, muito interessado em diversos assuntos para se tornar um monomaníaco. Só os monomaníacos conseguem aquilo que denominamos de resultados ".

            Besso que se encontrava próximo, forçou uma explicação mais minuciosa, ao que juntou Eintein: "Persisto em acreditar que você poderia ter provocado o surgimento de idéias de grande valor, no domínio científico, se tivesse se tornado bastante monomaníaco. Uma borboleta não é uma toupeira mas nenhuma borboleta deve se lamentar ".

            Outra vez comentando sobre o aspecto revolucionário das suas teorias teria afirmado Eintein: "O que se aprende antes dos dezoito anos, acredita-se proveniente da experiência. Tudo o que aprendemos, mais tarde, tem muito de teoria e expeculações ". Na realidade, em suas conversas com James Flanck, vamos encontrar as próprias explicações de como havia chegado a sua tão original concepção de tempo e espaço: "Pergunto, às vezes, como se fez que fui o único a desenvolver a teoria da relatividade ? " Segundo afirmava Eintein, a razão e que todo adulto normal não se preocupa com os problemas propostos pela conceituação de espaço e tempo. Tudo o que precisamos saber além sobre este assunto imaginamos já do nosso conhecimento desde a infância. "Para mim, dizia Einstein, ao contrário, como me desenvolvi muito lentamente, somente comecei a propor tais questões sobre o espaço e o tempo, quando já havia crescido. Em consequência, pude penetrar mais profundamente no interior do problema, o que uma criança de desenvolvimento normal não teria feito". Esta surpreendente declaração contém uma valiosa crítica como um todo. Uma criança que se desenvolve normalmente, no processo educativo, assimila e ou aceita, como natural, um determinado número de conceitos e interpretações relativos ao que denominamos de realidade. Tal evolução educativa os tornam conformistas e submissos - o que os priva da possibilidade de questionar sobre os pressupostos, em geral implícitos, e sobre os quais se baseiam os conhecimentos a serem transmitidos. Pode-se afirmar que o processo mental de inúmeras crianças e adolescentes repete, em determinado sentido, o desenvolvimento do pensamento humano em seu conjunto. Assim, as idéias sobre a realidade física uma vez aceitas são,imediatamente, substituídas por outros interesses mais específicos. Depois destas considerações, é mais fácil deduzir como foi importante a monomania de Eintein, aliada a sua capacidade de olhar sempre o mundo sobre pontos de vista diferentes e novos. Aliás, estes parecem os grandes segredos dos pensadores e artistas que, não possuindo jamais uma firme convicção dos problemas fundamentais do mundo, os consideram ainda insolíveis. Foi a dificuldade de aprendizagem (segundo afirmam na infância, deve ter tido muita dificuldade em aprender a falar) que permitiu que Eintein desenvolvesse a sua faculdade em adotar atitudes críticas, com relação aos problemas quase sempre aceitos como resolvidos.

Relatividade do Cotidiano

            Na construção de frases, respeitando as regras gramaticais, surgem por vezes conceitos que não têm qualquer sentido como por exemplo : "esta água é triangular". Existem no entanto outras situações que nos parecem à primeira vista evidentes e com sentido, mas se analisadas com mais rigor deparamos com alguma insensatez.
São exemplo desses casos as expressões : "esquerda e direita", "dia e noite", "em cima e em baixo", "maior e menor", etc.

ESQUERDA E DIREITA

Olhando para a imagem surge de imediato uma pergunta.
De que lado está a árvore?
Do lado direito ou do lado esquerdo do caminho?
A resposta a estas questões depende do sentido que utilizarmos ao longo do caminho, isto é, de A para B ( árvore à direita do caminho ) ou de B para A ( árvore à esquerda do caminho ).
Deste modo, os conceitos de esquerda e direita são relativos e só têm significado depois de se ter definido o sentido do nosso movimento.
Falar da margem direita de um rio tem significado, porque a corrente define o seu sentido.

DIA E NOITE

Neste instante é dia ou noite?
A resposta a esta pergunta depende do local geográfico a que nos referimos, ou seja, o conceito de dia e noite depende do local em que nos encontramos.
À medida que a Terra roda, a sua posição relativamente ao Sol muda. Existem, portanto, lugares que estão ser iluminados pelo Sol e outros que estão na sombra, isto é, é dia para alguns habitantes e noite para outros. Por exemplo, enquanto em Portugal começa a amanhecer na Nova Zelândia começa a anoitecer. ( Portugal está no hemisfério Norte e a Nova Zelândia está no hemisfério Sul, mas é o país que se encontra oposto ao nosso, embora noutro hemisfério ).

EM CIMA E EM BAIXO

Está em cima ou estou em baixo?
A resposta a esta pergunta depende do ponto ou objecto que se tome por referência. Os pilotos de rally estão em cima do carro mas o carro está em cima da Terra. Pode-se também dizer que o carro está por baixo dos pilotos. Trata-se obviamente de um conceito relativo, ou seja, é necessário definir a nossa referência ou a Terra ( quando o carro está em cima ) ou os pilotos ( quando o carro está em baixo ).
Do mesmo modo podemos dizer que habitantes da Nova Zelândia, em relação aos habitantes de Portugal, andam de cabeça para baixo e, por sua vez eles dirão o mesmo de nós. A direcção vertical depende, no caso anterior do ponto da superfície terrestre que se considere.

MAIOR OU MENOR

Quem é maior, o apicultor ou a casa?
A resposta a esta pergunta está no ligada ao ponto de observação, ou seja, se o nosso ponto de observação for junto ao apicultor então este parecer-nos-á muito maior que a casa, se o ponto de obervação for junto à casa então a casa será maior e o apicultor menor.
Se o ponto de observação for deslocado uma pequena distância, também as dimensões dos objectos observados a partir desse ponto se alterarão um pouco.

POSTULADOS DA TEORIA DA RELATIVIDADE

Primeiro Postulado :      Todos os processos da Natureza decorrem igualmente em todos os sistemas inerciais de referência.

            O primeiro postulado afirma que as leis físicas são independentes ( invariantes ) em relação à escolha do sistema referencial : as equações que exprimem essas leis possuem a mesma forma em todos os sistemas de referência inerciais. Por conseguinte, baseando-se nas experiências físicas, sejam quais forem, realizadas num sistema isolado, é impossível dizer se o sistema está em repouso ou se move com movimento rectilíneo uniforme ( relativamente a um sistema de referência inercial qualquer ). Em física todos os sistemas de referência inerciais são equivalentes.

Segundo Postulado :     A velocidade da luz no vácuo é igual para todos os sistemas de referência inerciais. Não depende nem da velocidade do emissor, nem da velocidade do receptor da luz.

            Quer isto dizer que a velocidade da luz no vácuo é a velocidade máxima possível de transmissão de interacção na Natureza. O valor da velocidade da luz no vácuo "c" é de 300.000.000 m/s.

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

Temperaturas

Temperatura Medida do nível de agitação térmica das partículas ou medida do nível da energia térmica por partícula de um corpo ou sistema físico.

Equilíbrio Térmico Temperaturas iguais, isto é, mesmo nível de agitação térmica; não significa mesma energia térmica.

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

ESCALA CELSIUS Ponto de gelo: 0

Ponto de vapor:  100

ESCALA FAHRENHEIT Ponto de gelo:  32

Ponto de vapor:  212

ESCALA KELVIN Ponto de gelo:  273

Ponto de vapor:  373

CONVERSÕES ENTRE ESCALAS

CELSIUS - FAHRENHEIT Tc  = 5 / 9(Tf - 32) ou  Tf = (9 / 5).Tc + 32

CELSIUS - KELVIN Tc = Tk - 273  ou  Tk = Tc + 273

VARIAÇÕES DE TEMPERATURA

CELSIUS - FAHRENHEIT (Variação)Tc  = 5 / 9(Variação)Tf ou  (Variação)Tf = 9 / 5(Variação)Tc

CELSIUS - KELVIN (Variação)Tc = (Variação)Tk

Dilatação Térmica

            Um dos efeitos da temperatura , é provocar a variação das dimensões de um corpo .

            Pois se aumentarmos a temperatura de um corpo , aumenta a agitação das partículas de seu corpo e consequentemente , as partículas se afastam  uma das outras , provocando um aumento das dimensões ( comprimento , área e volume ) do corpo.

            A esse aumento das dimensões do corpo dá-se o nome de dilatação térmica.

Dilatação Linear

            Dilatação linear é aquela em que predomina a variação em uma única dimensão , ou seja , o comprimento.  ( Ex: dilatação em cabos , barras , etc.... )

 

Dilatação Superficial e Volumétrica

Verifica-se experimentalmente que a dilatação superficial e a dilatação volumétrica dos sólidos são inteiramente semelhante à dilatação linear.

CALORIMETRIA

E comum, em doçarias, colocar-se gelo - seco(gás carbônico solidificado) em volta de bolos de sorvete ou outros doces para mantê-los em baixa temperatura e evitar que se estraguem. Após algum tempo, percebe-se que o gelo-seco desaparece, mas os doces continuam frescos.

Esse e outros fenômenos interessantes poderão ser entendidos após o estudo deste capitulo.

CALOR

Quando dois corpos com temperatura são colocados em contato térmico, nota-se que a temperatura do corpo ‘mais quente’ começa a diminuir, enquanto a do corpo "mais frio’’ começa a aumentar. Portanto, o corpo "mais quente’’ perde energia térmica e o outro ganha. Isso ocorre através da passagem de energia térmica do corpo ‘mais quente’ para o "mais frio".

Tal energia térmica que flui no sentido indicado é denominada "calor".

CALOR:

Energia térmica em trânsito devido á diferença de temperatura ; flui espontaneamente do sistema de temperatura mais baixa.

ATENÇÃO:

Enquanto a temperatura de dada substância estiver variando, não ocorre mudança de fase e, se a substância estiver mudando de fase , não ocorre variação na sua temperatura (temperatura de mudança de fase é constante) .

UNIDADES DE QUANTIDADE DE CALOR:

Sendo calor uma forma de energia , sua unidade, no SI , é o joule (J).

Existe uma unidade consagrada pelo uso público chamada de calorimetria (cal).

1cal = 4,18J

A calorimetria admite um múltiplo , a quilocaloria (Kcal).

1Kcal = 103 cal

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

SOLUÇÕES

Solução é toda mistura homogênea de duas ou mais substâncias.

Classificação das Soluções

Quanto ao estado físico:

• sólidas
• líquidas
• gasosas

Quanto à condutividade elétrica:

• Eletrolíticas ou iônicas
• Não-eletrolíticas ou moleculares

Quanto à proporção soluto/solvente:

• Diluída
• Concentrada
• Não-saturada
• Saturada
• Supersaturada

Concentração das Soluções

Um sistema homogêneo (solução) em equilíbrio fica bem definido após o conhecimento das n_sq substâncias químicas que o constituem (análise química qualitativa), da pressão e temperatura (variáveis físicas quantitativas) e da quantidade de cada um de seus componentes (análise química quantitativa). Estas quantidades em geral são expressas em relação à quantidade de solução; outras vezes utiliza-se como referência a quantidade de um de seus constituintes que poderá então ser chamado solvente e em geral é o disperso predominante. Tais frações quantitativas são chamadas concentração.

Concentração é um termo genérico. Por si só não é uma entidade físico-química bem definida, faltando para tanto caracterizá-la dimensionalmente através da escolha das grandezas representativas das quantidades das substâncias químicas em questão. Por vezes é adimensional, representando, por exemplo, a relação entre a massa de soluto e a massa da solução; outras vezes é expressa em massa por volume; ou através de inúmeras outras maneiras. A escolha dimensional obedece a critérios baseados puramente na conveniência particular ao estudo que se pretenda efetuar. E esta conveniência particular em geral apóia-se no estabelecimento de equações simplificadas para expressar os princípios e leis do estudo em questão; ou então na maleabilidade operacional destas equações. Convém-nos adotar grandezas intimamente relacionadas ao número de moléculas das substâncias em estudo.

Tipos de concentração:

% em massa:

_massa de soluto_ massa de solução

 100

% em volume:

_volume de soluto_ volume de solução

 100

(só é usada quando soluto e solvente são ambos líquidos ou ambos gasosos)

concentração em g/L:

massa de soluto em gramas volume de solução em litros

concentração em mol/L:

_quantidade de soluto (mol)_ volume de solução em litros

concentração em molalidade:

_quantidade de soluto (mol)_ massa do solvente em kg

concentração em fração molar de soluto:

_quantidade de soluto (mol)_ quantidade de solução (mol)

Soluções Gasosas

As soluções gasosas são aquelas em que o disperso em maior quantidade é um gás. Estudaremos neste tópico apenas as soluções gasosas em que todos os seus constituintes são gases; e chamaremos estas soluções de misturas de gases visto que quase sempre tais misturas constituem sistemas homogêneos ou unifásicos. Como exceção a esta regra temos misturas de gases situadas num campo de força gravitacional, particularmente quando a altura é grande o bastante para que não se possa desprezar este efeito; assim, a fração molar dos gases da atmosfera é função da altitude e, portanto, a atmosfera não constitui uma solução.

As propriedades de estado mais utilizadas para descrever as misturas de gases são em número de n_C + 4 e estão representadas na tabela 3; n_Cé o número de componentes independentes e neste capítulo será sempre igual ao número de substâncias químicas n_SQ.

As equações empíricas que correlacionam as propriedades de estado constituem as expressões matemáticas das leis gerais dos gases ou equações de estado do sistema considerado. Iniciaremos o estudo para situações em que o número de componentes é igual a um, generalizando-o a seguir para as misturas de gases propriamente ditas.

Soluções Liquidas

Soluções líquidas são aquelas em que o disperso presente em maior quantidade é um líquido. Os outros dispersos podem ser sólidos, gases, vapores ou mesmo outros líquidos. As quantidades relativas dos dispersos podem, em teoria, assumir proporções as mais diversas. Na prática isto nem sempre é possível, pois dependendo das substâncias consideradas, a miscibilidade em certas condições não é total. Conseqüentemente, uma ou mais substâncias em maior ou menor grau se separa da solução, constituindo outras fases.

Consideraremos inicialmente apenas soluções binárias, constituídas por duas substâncias totalmente miscíveis (miscíveis em todas as proporções) e das quais uma seja líquida. A partir desse estudo, e sempre que possível, estenderemos as considerações para soluções mais complexas.

Dispersões

      Dispersões: é uma mistura onde uma substância se distribui (dispersa) em toda superfície de uma outra substância.
Disperso: (fase dispersa) ou Soluto;
Disperso ou Soluto + Dispersante, dispergente ou Solvente = Dispersão ou Solução.
OBS: toda solução também é dispersão, mas nem toda dispersão é solução.

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

Sais

·         Cloreto de sódio (NaCl)

·         Alimentação - É obrigatória por lei a adição de certa quantidade de iodeto (NaI, KI) ao sal de cozinha, como prevenção da doença do bócio.

·         Conservação da carne, do pescado e de peles.

·         Obtenção de misturas refrigerantes; a mistura gelo + NaCl(s) pode atingir -22°C.

·         Obtenção de Na, Cl2, H2, e compostos tanto de sódio como de cloro, como
NaOH, Na2CO3, NaHCO3, HCl, etc.

·         Em medicina sob forma de soro fisiológico (solução aquosa contendo 0,92% de NaCl), no combate à desidratação.

·         Nitrato de sódio (NaNO3)

·         Fertilizante na agricultura.

·         Fabricação da pólvora (carvão, enxofre, salitre).

·         Carbonato de sódio (Na2CO3)

·         O produto comercial (impuro) é vendido no comércio com o nome de barrilha ou soda.

·         Fabrição do vidro comum (maior aplicação):
Barrilha + calcáreo + areia ® vidro comum

·         Fabricação de sabões.

·         Bicarbonato de sódio (NaHCO3)

·         Antiácido estomacal. Neutraliza o excesso de HCl do suco gástrico.
NaHCO3 + HCl ® NaCl + H2O + CO2
O CO2 liberado é o responsável pelo "arroto".

·         Fabricação de digestivo, como Alka-Seltzer, Sonrisal, sal de frutas, etc.
O sal de frutas contém NaHCO3 (s) e ácidos orgânicos sólidos (tartárico, cítrico e outros). Na presença de água, o NaHCO3 reage com os ácidos liberando CO2 (g), o responsável pela efervecência:
NaHCO3 + H+ ® Na+ + H2O + CO2

·         Fabricação de fermento químico. O crescimento da massa (bolos, bolachas, etc) é devido à liberação do CO2 do NaHCO3.

·         Fabricação de extintores de incêndio (extintores de espuma). No extintor há NaHCO3 (s) e H2SO4 em compartimentos separados. Quando o extintor é acionado, o NaHCO3 mistura-se com o H2SO4, com o qual reage produzindo uma espuma, com liberação de CO2. Estes extintores não podem ser usados para apagar o fogo em instalações elétricas porque a espuma é eletrolítica (conduz corrente elétrica).

·         Fluoreto de sódio (NaF)

·         É usado na prevenção de cáries dentárias (anticárie), na fabricação de pastas de dentes e na fluoretação da água potável.

·         Carbonato de cálcio (CaCO3)

·         É encontrado na natureza constituindo o calcário e o mármore.

·         Fabricação de CO2 e cal viva (CaO), a partir da qual se obtém cal hidradatada (Ca(OH)2):
CaCO3 ® CaO + CO2
CaO + H2O ® Ca(OH)2

·         Fabricação do vidro comum.

·         Fabricação do cimento Portland:
Calcáreo + argila + areia ® cimento Portland

·         Sob forma de mármore é usado em pias, pisos, escadarias, etc.

·         Sulfato de cálcio (CaSO4)

·         Fabricação de giz escolar.

O gesso é uma variedade de CaSO4 hidratado, muito usado em Ortopedia, na obtenção de estuque, etc.

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

RELATIVIDADE ESPECIAL

INTRODUÇÃO À RELATIVIDADE ESPECIAL

A Física proposta por Isaac Newton no séc. XVII tinha comobase fatos fortes e convincentes. Tão convincentes, que foi amplamenteutilizada nos séculos seguintes sem ser questionada. Os princípiosda Mecânica Newtoniana determinaram praticamente todo o desenvolvimentotécno-científico dos dois séculos que à precederam.Esta Mecânica caracteriza-se por não questionar a validadede seus conceitos; como por exemplo a questão sobre o referencialno qual são feitas as medidas e a influência do métodode medida sobre as grandezas em questão.
Mesmo nos nossos dias, os conceitos estabelecidos pela MecânicaNewtoniana permanecem firmemente ligados ao nosso raciocínio cotidiano.Estes conceitos estavam tão fortemente enraizados que atravessaramvários séculos sem que alguém questionasse seus fundamentos.
O primeiro físico a questionar alguns conceitos Newtonianosfoi o físico alemão Ernst Mach. Em seu texto intitulado "TheScience of Mechanics" de 1883, Mach expressa críticas à dinâmicade Newton. Mach levantou a questão sobre a distinçãoentre movimento absoluto e relativo, discutiu o problema da inérciados corpos e acima de tudo apontou como ponto fraco da dinâmica Newtonianasua concepção de espaço e tempo absolutos. Esta concepçãoNewtoniana está bem ilustrada na seguinte passagem dos "Principia":

"Absolute, true and mathematical time, of itself and by its owntrue nature, flows uniformly on, without to anything external"

Mach observa que sendo o tempo medido necessariamente pelo movimentorepetitivo de um corpo ou sistema físico; como por exemplo um pênduloou o movimento da Terra; é lógico que suas propriedades devemde alguma forma estar conectadas com o movimento. Semelhantemente, o conceitode espaço deve estar intimamente ligado com as propriedades do sistemade medida; e não deve ser considerado como algo absoluto.
Tais críticas não causaram muito efeito de imediato, masocasionalmente foram de profunda importância para um jovem físicochamado Albert Einstein. Einstein foi fortemente atraído pelas idéiasde que os conceitos físicos devem ser definidos em termos de grandezasmensuráveis. Portanto a maneira de observação e realizaçãode medidas físicas deve influenciar os conceitos físicos.
Este pensamento, muito diferente do absolutismo Newtoniano, gerou uma revolução nos conceitos da Física, culminandocom o aparecimento da Relatividade. 

A criacão da Relatividade

Durante sua permanência em Berna, Suiça, Einstein conheceu Michele Angelo Besso, engenheiro italiano, casado com Ana, cujo irmão, Paul Winteler, esposa mais tarde, Maja, irmã de Einstein.Além destas relações familiares, foi o trabalho conjunto de ambos, no Departamento de Patentes, que possibilitou a concretização de uma longa e profunda amizade, fácil de se comprovar pela correspondência que mantiveram no período de 1903 a 1955, e recentemente, publicada pela editora Hermann de Paris, em 1972.Michele Besso, com quem Einstein gostava de trocar idéias, possuia profundos conhecimentos enciclopédicos em filosofia, sociologia, matemática e física. Segundo Einstein, Besso constituia o melhor banco de ensaio para as idéias novas em toda a Europa. Aliás, quando Einstein lhe expôs as suas idéias sobre a teoria da relatividade, Besso logo compreendeu a sua importância científica procurando atrair a atenção de Einstein para inúmeros outros pontos novos. Algumas dessas sugestões foram utilizadas, no desenvolvimento desta teoria, como consta nos primeiros artigos que Eintein publicou sobre a relatividade.
Numa das célebres reuniões de grupo de Berna, sugestivamente conhecido por Academia Olímpia, a irmã de Besso certa vez interrogou Einstein: "Porque Michele (Besso) não fez nenhuma descoberta importante em matemática ?
Sorrindo, Einstein respondeu: "Isto é um bom sinal . Michele é um humanista, um espírito universal, muito interessado em diversos assuntos para se tornar um monomaníaco. Só os monomaníacos conseguem aquilo que denominamos de resultados ".
Besso que se encontrava próximo, forçou uma explicação mais minuciosa, ao que juntou Eintein: "Persisto em acreditar que você poderia ter provocado o surgimento de idéias de grande valor, no domínio científico, se tivesse se tornado bastante monomaníaco. Uma borboleta não é uma toupeira mas nenhuma borboleta deve se lamentar ".
Outra vez comentando sobre o aspecto revolucionário das suas teorias teria afirmado Eintein: "O que se aprende antes dos dezoito anos, acredita-se proveniente da experiência. Tudo o que aprendemos, mais tarde, tem muito de teoria e expeculações ". Na realidade, em suas conversas com James Flanck, vamos encontrar as próprias explicações de como havia chegado a sua tão original concepção de tempo e espaço: "Pergunto, às vezes, como se fez que fui o único a desenvolver a teoria da relatividade ? " Segundo afirmava Eintein, a razão e que todo adulto normal não se preocupa com os problemas propostos pela conceituação de espaço e tempo. Tudo o que precisamos saber além sobre este assunto imaginamos já do nosso conhecimento desde a infância. "Para mim, dizia Einstein, ao contrário, como me desenvolvi muito lentamente, somente comecei a propor tais questões sobre o espaço e o tempo, quando já havia crescido. Em consequência, pude penetrar mais profundamente no interior do problema, o que uma criança de desenvolvimento normal não teria feito". Esta surpreendente declaração contém uma valiosa crítica como um todo. Uma criança que se desenvolve normalmente, no processo educativo, assimila e ou aceita, como natural, um determinado número de conceitos e interpretações relativos ao que denominamos de realidade. Tal evolução educativa os tornam conformistas e submissos - o que os priva da possibilidade de questionar sobre os pressupostos, em geral implícitos, e sobre os quais se baseiam os conhecimentos a serem transmitidos. Pode-se afirmar que o processo mental de inúmeras crianças e adolescentes repete, em determinado sentido, o desenvolvimento do pensamento humano em seu conjunto. Assim, as idéias sobre a realidade física uma vez aceitas são,imediatamente, substituídas por outros interesses mais específicos. Depois destas considerações, é mais fácil deduzir como foi importante a monomania de Eintein, aliada a sua capacidade de olhar sempre o mundo sobre pontos de vista diferentes e novos. Aliás, estes parecem os grandes segredos dos pensadores e artistas que, não possuindo jamais uma firme convicção dos problemas fundamentais do mundo, os consideram ainda insolíveis. Foi a dificuldade de aprendizagem (segundo afirmam na infância, deve ter tido muita dificuldade em aprender a falar) que permitiu que Eintein desenvolvesse a sua faculdade em adotar atitudes críticas, com relação aos problemas quase sempre aceitos como resolvidos.

Um Século sem o Éter

Faz cem anos que a existência do éter deixou de ser aceita como um meio elástico através do qual as ondas luminosas se propagavam por milhões de anos luz sem perder ou diluir sua energia inicial.
Depois de vários séculos o éter, conceito que surgiu nos tempos antigos, tomou uma conotação propriamente científica quando o físico e astrônomo holandês Christian Huygens (1629-1695) formulou a teoria ondulatória da luz, na Academia de Ciências de Paris, em 1678. Segundo Huygens, os corpos luminosos produziam ondas que se propagavam até o observador, à semelhanca do que ocorria com uma lâmina metálica cujas vibrações produziam som, assim como uma pedra lançada sobre a superfície da água causava uma onda que se propagava nesta superfície. Ora, os cientistas já haviam constatado que se um sino tocasse no vácuo, a ausência de ar não permitia que se produzisse nenhum som. Como explicar que a luz se propagava no vácuo, sem um meio material capaz de transportar suas ondas, como havia sido proposto por Huygens? Diante deste dilema, Huygens recorreu à velha idéia do éter - meio no qual se propagariam as ondas luminosas.
Tão evidente parecia, no século XVII, a existência do éter, que o próprio Isaac Newton (1642-1727), após estudar os fenômenos óticos, sugeriu, para explicá-los, que a luz fosse constituída de corpúsculos muito pequenos emitidos pela fonte luminosa. Desse modo Newton explicou, no seu tratado Ótica (1704), a propagação retilínea, a reflexão nas superfícies, a refração em superfícies de separação de dois meios de densidades diferentes, a absorção e a pressão. Como a teoria corpuscular era insuficiente para explicar a interferência luminosa Newton aceitou também a existência das ondas etéreas de Huygens.
Assim, durante séculos, negar a existência do éter seria a maior asneira possível. No entanto, em fins do século XIX, o físico norte-americano Albert Abraham Michelson (1852-1931), primeiro prêmio Nobel de seu país, começou a questionar a existência real do éter - este fantasma da física, sem corpo, contorno ou forma.
Em 1881, com o objetivo de demonstrar a realidade do éter, Michelson, na época em Berlim, no laboratório do físico alemão Hermann Helmholtz (1821-1894), inventou um instrumento capaz de medir a velocidade da luz - o interferômetro de Michelson - e de comparar o intervalo de tempo gasto por dois feixes emitidos de uma mesma fonte em duas direções perpendiculares. Se uma dessas direções fosse a do movimento da Terra em sua órbita ao redor do Sol e a outra perpendicular, uma diferença de intervalos de tempos deveria ser detectada.Mas inacreditavelmente, o éter mostrou não ter qualquer efeito sobre a velocidade da luz, quer o feixe se deslocasse na mesma direção ou perpendicular ao movimento terrestre. Se o éter existisse, a Terra estava em repouso!

Aparato real do experimento de Michelson-Morley que deu significante impulso ao desenvolvimento da teoria da relatividade especial

Prelúdio à Relatividade de Einstein

A tentativa de Fritzgerald, no sentido de resolver a contradição surgida em consequência da experiência de Michelson-Morley, indubitavelmente orientou as pesquisas de Einstein na revisão das idéias sobre o tempo e as grandezas espaciais.
De fato, na Mecância Clássica, se a luz percorre uma distância x, com a velocidade c num tempo t, no referencial R, teremos:c=x/t
Em relação a outro referencial R', a distância percorrida x'será: c'=x'/t, onde t permanece imutável-tempo absoluto-como prevê a Mecânica Newtoniana. É a distância x que se transforma em x'e a velocidade c que se altera em c'. Como esta variação da velocidade da luz não foi registrada na experiência de Michelson-Morley, verificou-se que a velocidadec da luz era constante(exigência de teoria do eletromagnetismo), ou seja , não variava. No entanto, pelo princípio da Relatividade de Galileu, a velocidade c deveria variar. Para eliminar esse impasse, foi necessário fazer c=c', ou seja, supor que t-tempo variava ao mesmo tempo que x-comprimento percorrido pela luz. Designando t'como novo valor de t, poderemos escrever: c=x/t=x'/t'
A análise Einsteiniana acabou com o espaço-tempo absoluto, que variava segundo o sistema de referência, e confirmou a invariância da velocidade da luz no vácuo.

Relatividade Restrita ou Teoria Especial da Relatividade

Em 1905, um jovem físico alemão, Einstein, propôs estender o princípio da Relatividade já conhecido na Mecânica Clássica à toda a Física. Ele postulou que as leis da Física tem a mesma formulação em todos os referenciais Galileanos, e afirmou que seria possível colocar em evidência o movimento de um referencial em relação a outro R'por intermédio de qualquer tipo de experiência, fosse ela mecânica, ótica ou eletromagnética, realizada no referencial R'.
Este princípio da Relatividade de Einstein explicou o fracasso da experiência de Michelson-Morley, pois a rapidez da luz-uma constante fundamental das leis do eletromagnetismo-posuía o mesmo valor em relação a todo referencial Galileano.
Tal princípio da Relatividade aboliu toda significação que se poderia dar à noção de referencial absoluto.
A idéia da invariância da velocidade da luz, incompatível com a lei Newtoniana de adição e subtração das velocidades de referenciais que se deslocam, conduziu Einstein a estabelecer uma nova cinemática compatível com o princípio da Relatividade Einsteniana. Com efeito, após demostrar, através de uma sequência de exemplos e de forma indiscutível e inequívoca, que não há sentido em se cogitar de eventos que se sucedem simultaneamente em sistemas não relacionados entre si, Einstein cuidou de relacionar as grandezas vigentes num sistema com as aplicáveis a outros.
As relações empregadas por Einstein, foram as mesmas formuladas pelo físico holândes H.A.Lorentz(1853-1928).
A teoria da Relatividade Restrita estabelece que a energia cinética de uma partícula de massa m, animada de uma velocidade c, é expressa pela equação:
E=Km(c)2
Esta expressão mostra que uma partícula em repouso possui uma energia de massa expressa por Ei=mi(c)2 onde i é a condição inicial das variáveis
Esta célebre relação, conhecida como equação de Eisntein ou equação da experiência de massa-energia, admite que uma partícula em repouso possui energia em sua massa.

Bibliografia

1. MOURÃO,Ronaldo R. de Freitas.Explicando a Teoria da Relatividade, Editora Tecnoprint S.A.,1987.
2. BAGNATO,Vanderlei S.(Assistência de Luiz G. Marcassa).Introdução à Relatividade Especial.

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)