terça-feira, 19 de julho de 2011

Grandezas Físicas





Assim como nas outras ciências, a Física baseia-se em observações experimentais e em medidas quantitativas. O principal objetivo da Física é encontrar um limitado número de leis fundamentais que governem um fenômeno natural e usá-las para desenvolver teorias que possam prever os resultados de futuras experiências. As leis fundamentais usadas no desenvolvimento dessas teorias são usadas em linguagem matemática, ferramenta que une a teoria e experimento.
Quando surge uma discrepância entre a teoria e o experimento, novas teorias devem ser formuladas para remover essa discrepância. Muitas vezes uma teoria pode ser satisfatória apenas sob limitadas condições e uma teoria mais abrangente pode ser satisfatória sem a necessidade dessas condições. Por exemplo, as leis do movimento, descobertas por Isaac Newton (1642-127), no século XVII, podem descrever precisamente o movimento dos corpos que se deslocam em velocidades normais, porém não se aplicam a objetos que se movem a velocidades comparáveis a da luz. Em contraste, a teoria especial da relatividade, desenvolvida por Albert Einstein (1879-1955) no início do ano de 1900 fornece os mesmos resultados das leis de Newton para velocidades, mas também descrevem corretamente o movimento de corpos com velocidades próximas a da luz. Dessa maneira, a teoria de Einstein é mais geral.
A Física Clássica que explica toda a Física desenvolvida antes de 1900 inclui teorias, conceitos, leis e experimentos na mecânica clássica, termodinâmica e eletromagnetismo.
Contribuições importantes foram dadas à mecânica clássica por Newton que desenvolveu a mecânica clássica como uma teoria sistemática e foi um dos criadores do Cálculo Diferencial e Integral como uma ferramenta matemática. No século XVIII, maiores contribuições continuaram sendo dadas no campo da mecânica, mas os campos da termodinâmica, da eletricidade e do magnetismo não foram desenvolvidos até o final de século XIX, principalmente porque naquele tempo não havia aparelhos adequados para conduzir experimentos nessas áreas.
Uma nova era na Física denominada Física Moderna começou no final do século XIX. Seu desenvolvimento deu-se porque muitos fenômenos físicos não podiam ser explicados através da Física Clássica. Os dois desenvolvimentos mais importantes da física moderna foram as teorias da relatividade e a mecânica quântica. A teoria da relatividade de Einstein revolucionou os conceitos tradicionais de espaço, tempo e energia; a mecânica quântica que se aplica tanto aos mundos microscópicos e macroscópicos foi originalmente concebida por diferentes cientistas a fim de descrever fenômenos físicos a nível atômico.
Os cientistas trabalham constantemente na melhoria da nossa compreensão dos fenômenos e das leis fundamentais da física, além do que novas descobertas são feitas a cada dia. Em muitas áreas de pesquisa, um grande intercâmbio existe entre as áreas da física, química, geologia e biologia assim como na engenharia. Alguns dos mais notáveis desenvolvimentos são:
1. Numerosas missões espaciais e o pouso dos astronautas na Lua;
2. Micro circuitos e computadores de alta velocidade;
3. Tecnologia de imagens de alta definição usadas em pesquisa científica e medicina.
O impacto de tais desenvolvimentos em nossa sociedade tem sido grande e muito provavelmente as futuras descobertas e desenvolvimentos serão tão excitantes e desafiadoras quanto de grande benefício para a humanidade.
PADRÕES DE COMPRIMENTO, MASSA E TEMPO.
As leis da física são expressas em termos de quantidades básicas que requerem uma clara definição. Na mecânica, as três quantidades básicas são: comprimento (L), massa (M) e tempo (T). todas as outras quantidades da mecânica podem ser expressas em termos dessas três quantidades.
Se reportarmos os resultados de uma medida para alguém que deseja reproduzir esta medida, um padrão deve ser definido. Não haveria significado se um visitante de outro planeta fosse conversar conosco sobre um comprimento de 8 ‘glitches’ se não conhecessemos o significado da unidade de ‘glitch’. Por outro lado, se alguém familiarizado com o nosso sistema de medidas falasse que uma parede tem 2 metros de altura e nossa unidade de comprimento fosse definida como sendo 1 metro, saberíamos que o comprimento da parede é o dobro de nossa unidade básica de comprimento definida como sendo 1 metro.
Da mesma forma, se disséssemos que uma pessoa tem uma massa de 75 kilogramas e como nossa unidade básica de massa é definida como 1 kilograma, então essa pessoa tem uma massa 75 vezes maior do que a nossa unidade básica. Qualquer coisa que seja escolhida como padrão deve ser facilmente acessível e ter propriedades que permitam que sua medida seja confiável – medidas tomadas por diferentes pessoas em locais diferentes devem apresentar o mesmo resultado.
Em 1960, um comitê internacional estabeleceu uma série de padrões para comprimento, massa e outras quantidades básicas. O sistema estabelecidoé uma adaptação do sistema métrico e é chamado de sistema SI de unidades (a abreviatura SI vem do sistema francês denominado ‘Système International.’). Nesse sistema, as unidades de comprimento, massa e tempo são o metro, o kilograma e o segundo, respectivamente. Outros padrões SI estabelecidos pelo comitê são aqueles para temperatura (kelvin), corrente elétrica (ampere), intensidade luminosa (candela) e quantidade de substância (mol). Em nosso estudo da mecânica estaremos interessados apenas com as unidades de comprimento, massa e tempo.
Comprimento
No ano de 1120, o rei da Inglaterra decretou que o padrão de comprimento de seu país seria denominado jarda (yard) e seria precisamente igual à distância da ponta de seu nariz até o fim de seu braço estendido. Da mesma ,maneira, o padrão original para o pé (foot) adotado pela França foi o comprimento do pé real do Rei Luís XVI. Este padrão prevaleceu até 1799, quando o padrão legal de comprimento na França passou a ser o metro, definido como dez milionésimos da distância do equador até o Pólo Norte, ao longo de linha longitudinal específica que atravessa Paris.
Muitos outros sistemas para medida do comprimento foram desenvolvidos através dos anos, mas as vantagens do sistema francês possibilitaram com que ele prevalecesse em quase todos os países e entre os seus círculos científicos. Até 1960, o comprimento do metro era definido como a distância entre duas linhas de uma determinada barra de irídio guardada sob condições controladas na França (Figuras 1 e 2). Este padrão foi abandonado por várias razões. A principal era a limitada precisão com que a separação entre as linhas da barra era determinada. Esta precisão não atendia às necessidades da ciência e tecnologia da época. Entre 1960 e 1970, o metro foi definido como 1 650 763,73 comprimentos de onda de luz laranja-avermelhada emitida por uma lâmpada de Kriptônio-86 (Figuras 4 e 5). Todavia, em outubro de 1983,o metro (m) foi redefinido como a distância que a luz viaja no vácuo durante um tempo de 1/299 792 458 segundos. De fato, esta última definição estabelece que a velocidade da luz no vácuo é precisamente 299 792 458 metros por segundo.


Figura 1 - Linhas da Barra de irídio

Figura 2 - Barra de irídio original

Figura 3 - Barra de irídio em Sévres, França.

Figura 4 - Luz emitida pela lâmpada de kriptônio 86

Figura 5 - Lâmpada de kriptônio 86

Tabela 1 – Medidas Aproximadas de Alguns Comprimentos
__________________________________ Comprimento (m)
Distância da Terra ao mais remoto quasar conhecido......... 1.4 x 1026
Distância da Terra à mais remota galáxia............................ 9 x 1025
Distância da Terra à galáxia mais próxima...........................2 x 1022
Distância média da Terra à Lua............................................. 3.84x108
Raio médio da Terra ...............................................................6.37 x 106
Altitude de um satélite em órbita .........................................2 x 105
Comprimento de uma mosca comum....................................5 x 10-3
Tamanho da menor partícula de pó.......................................~ 10-4
Diâmetro do átomo de hidrogênio..........................................~ 10-10

Raio Laser utilizado para medir a distância da Terra até a Lua
Massa
A unidade básica de massa no SI, o kilograma (kg) é definida como a massa de um cilindro fabricado de uma liga de irídio – platina mantida no Bureau Internacional de Pesos e Medidas em Sévres, França. Este padrão de massa foi estabelecido em 1887 e desde então, não tem sido modificado porque a liga de irídio – platina é extremamente estável (fig. 6). A tabela 2 lista os valores da massa de vários objetos.


Figura 6 - Kilograma padrão



TABELA 2Massa de Vários Corpos (Valores Aproximados)
Corpo ________________ Massa (kg)
Universo visível ............................ ~1052
Via Láctea ...................................... 7 x 1041
Sol ............................................... 1.99 x 1030
Terra .......................................... 5.98 x 1024
Lua ................................. ...........7.36 x 1022
Cavalo ......................................... ~ 103
Homem ...................................... ~ 102
Sapo .......................... ................~ 10-1
Mosquito ................. .................~ 10-5
Bactéria ................................... ~ 10-15
Átomo de hidrogênio ............... ~10-27
Tempo
Antes de 1960 o padrão para o tempo era definido em termos do dia solar médio (um dia solar é o intervalo de tempo entre sucessivas aparições Sol no ponto mais alto que ele atinge no céu a cada dia.) para o ano de 1900. O segundo solar médio foi definido originalmente como (1/60) (1/60) (1/24) de um dia solar médio. A rotação da Terra varia ligeiramente com o tempo, portanto, este movimento não é bom para ser definido como um padrão.
Em 1967, consequentemente, o segundo foi redefinido a partir da precisão obtida em um aparelho denominado relógio atômico (fig. 7).

Figura 7 - Relógio Atômico precisão de 3 milionésimos de segundo
Nesse aparelho, as freqüências associadas a certas transições atômicas podem ser medidas com a precisão de 1 parte em 1012. Isto equivale a uma incerteza de menos de um segundo a cada 30 000 anos, ou seja, para ele atrasar menos de 1 segundoé preciso esperar 30 000 anos! Assim, em 1967, a unidade no SI de tempo,o segundo, foi redefinido a partir de uma determinada freqüência de um específico átomo de césio. Dessa forma, a unidade básica de tempo no SI, o segundo (s) é definido como 9 192 631 770 vezes o período da vibração da radiação do átomo de césio – 133.
Para manter os relógios atômicos e, portanto, todo o relógio em comum que são acertados por eles, tem sido necessário adiantar ou atrasar alguns segundos em nossos relógios, o que não é uma idéia recente, pois o conquistador Júlio César no ano 46 já havia iniciado a prática de acrescentar dias extras ao calendário nos anos bissextos a fim de que as estações do ano caíssem mais ou menos nas mesmas datas.
Desde a descoberta de Einstein da ligação entre o espaço e o tempo, a precisa medida dos intervalos de tempo requer que conheçamos o tipo de relógio utilizado para medir os intervalos e, em alguns casos, a localização deste relógio. De outra forma, por exemplo, o sistema de posicionamento global (GPS) seria incapaz de determinar a exata posição de uma pessoa que necessitasse ser resgatada de um local.
Valores aproximados de intervalos de tempo são apresentados na tabela 3.
TABELA 3 Valores Aproximados de Alguns Intervalos de Tempo
Intervalo (s)
Idade do Universo ....................... 5 x 1017
Idade da Terra ............................. 1,3 x 1017
Um ano .................... 3,16 x 107
Um dia ..................... 8,64 x 104
Tempo entre
batidas do coração ... 8 x 10-1
Duração de uma
colisão nuclear ........ ~ 10-22
Além do SI, outro sistema de unidades, o sistema britânico de engenharia, chamado de sistema convencional ainda é usado nos Estados Unidos apesar da aceitação do SI no resto do mundo. Nesse sistema, as unidades de comprimento, massa e tempo são o pé (foot), slug e segundo (second), respectivamente.
No SI, as unidades básicas metro, kilograma e segundo podem usar outras unidades como milímetros e nanosegundos onde os prefixos mili- e nano- denotam várias potências de 10. Alguns dos prefixos mais comuns usados para várias potências de 10 e suas abreviaturas estão listados na tabela 4 com suas potências de dez (power), prefixos (prefix) e abreviaturas (abbreviation).

TABELA 4 - Prefixos para unidades do SI
Notação Científica
Grandezas muito grandes ou muito pequenas são mais fáceis de serem manipuladas matematicamente ou escritas através da notação científica. A notação científica é a representação de um número através do seguinte produto:
N x 10n
Onde:
N = É um número maior ou igual a 1 e menor do que 10, isto é, 1 ≤ N < 10.
n = É um número inteiro qualquer.
Por exemplo:
300 = 3 x 102;
0, 003 = 3 x 10-3;
1000 = 1 x 103 = 103;
0, 0001 = 1 x 10-4 = 10-4
132, 456 = 1,32456 x 102;
0,00123 = 1, 23 x 10-3.
Vamos assistir aos vídeos abaixo para uma melhor compreensão.




Algarismos Significativos
Quando quantidades físicas são medidas,os valores medidos são conhecidos somente dentro de limites determinados por uma incerteza.O valor desta incerteza depende de vários fatores tais como a qualidade do material, a habilidade do experimentador e o número de medidas realizadas.

Para um maior entendimento, assista a aula a seguir.




Análise Dimensional
Na resolução de problemas, normalmente, teremos que determinar o valor numérico e as unidades da variável de uma equação. Geralmente o valor numérico não é muito difícil de se obter, mas para quem não está habituado, o mesmo não pode ser dito para as unidades. A análise dimensional é o método utilizado para se determinar as unidades da variável de uma equação.
A maioria das quantidades físicas pode ser expressa pela combinação de cinco dimensões básicas que são a massa (M), comprimento (L), tempo (t), corrente elétrica (I) e temperatura (τ). Estas cinco dimensões foram escolhidas como básicas porque são fáceis de ser medidas em experimentos. Dimensões não são o mesmo que unidades. Por exemplo, a quantidade física velocidade, pode ser medida em unidades de metros por segundo, kilômetros por hora, etc.; mas desconsiderando a unidade usada, velocidade é sempre comprimento dividido pelo tempo, logo podemos dizer que as dimensões da velocidade podem ser representadas como L/T. Da mesma forma, as dimensões da área podem ser representadas dimensionalmente por L2, pois a área é sempre calculada como o produto de comprimento por comprimento. As dimensões de outras quantidades tais como a força e energia são escritas em função das quantidades fundamentais de comprimento, tempo e massa.
A tabela abaixo fornece as dimensões de algumas quantidades encontradas na Física.



Uma boa explanação pode ser vista na primeira parte do vídeo abaixo




O Sistema Internacional de Unidades
Um pequeno número de unidades fundamentais é suficiente para expressar todas as quantidades físicas. Muitas dessas quantidades que iremos estudar tais como velocidade, força, momento, trabalho, energia e potência podem ser expressas em termos de três medidas fundamentais: comprimento, tempo e massa. A escolha das unidades padrões para estas quantidades fundamentais determina um sistema de unidades. O sistema utilizado universalmente dentro da comunidade científica é chamado de SI (Système Internationale). O padrão SI para unidade de comprimento é o metro. A unidade padrão para o tempo é o segundo, e para massa é o kilograma.
Unidades do SI e Fatores de Conversão
Unidades Básicas_____________________________________________
Comprimento O metro (m) é a distância pela luz no vácuo em 1/299 792 458 s.
Tempo O segundo (s) é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição de dois níveis hiper finos do estado fundamental do césio 133.
Massa O kilograma (kg) é a massa de um padrão composto de irídio e platina em Sévres, França.
Corrente O ampere (A) é a corrente em dois longos fios paralelos separados de 1 m que origina a força magnética por unidade de comprimento de 2 x 10-7 N / m.
Temperatura O kelvin (K) é 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água.
Intensidade Luminosa O candela (cd) é a intensidade luminosa na direção perpendicular a uma superfície de área 1/600 000 m2 de um corpo negro à temperatura de congelamento da platina à pressão de 1 atm.

Unidades Derivadas________________________________________
Força Newton (N) 1 N = 1Kg.m/s2
Trabalho,energia joule (J) 1 J = 1 N . m
Potência watt (W) 1 W = 1 j / s
Frequência hertz (Hz) 1 Hz = s-1
Carga couloumb (C) 1 C = A . s
Potencial volt (V) 1 V = 1 J/C
Resistência ohm (Ω) 1 Ω = 1 V/A
Capacitância farad (F) 1 F = 1 C/V
Campo Magnético weber (Wb) 1 Wb = 1 T . m2
Indutância Henry (H) 1 H = 1 J/A2

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