SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO




                      FÍSICA
                           ENSINO MÉDIO




 Este livro é público - está autorizada a sua reprodução total ou parcial.
                           Governo do Estado do Paraná
                                 Roberto Requião

                       Secretaria de Estado da Educação
                         Mauricio Requião de Mello e Silva

                                     Diretoria Geral
                                 Ricardo Fernandes Bezerra

                          Superintendência da Educação
                          Yvelise Freitas de Souza Arco-Verde

                          Departamento de Ensino Médio
                                 Mary Lane Hutner

                  Coordenação do Livro Didático Público
                              Jairo Marçal




Depósito legal na Fundação Biblioteca Nacional, conforme Decreto Federal n.1825/1907,
de 20 de Dezembro de 1907.


É permitida a reprodução total ou parcial desta obra, desde que citada a fonte.
SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO
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80240-900 CURITIBA - PARANÁ


Catalogação no Centro de Editoração, Documentação e Informação Técnica da SEED-PR

             Física / vários autores. ­ Curitiba: SEED-PR, 2006. ­ p. 232

             ISBN: 85-85380-34-9

             1. Física. 2. Ensino médio. 3. Ensino de física. 4. Movimentos. 5. Eletromagnetismo. 6.
        Termodinâmica. I. Folhas. II. Material de apoio pedagógico. III. Material de apoio teórico. IV.
        Secretaria de Estado da Educação. Superintendência da Educação. V. Título.


                                                                                      CDU 53+373.5



                                        .
                                       2ª Edição
                                  IMPRESSO NO BRASIL
                                DISTRIBUIÇÃO GRATUITA
                          Autores
                    Ezequiel Burkarter
                   Julia Tieko Fujimoto
                        Juliana Loch
                 Kleber Sebastião Juliani
                     Leunice Ramme
                         Luiza Polak
                Marina de Lurdes Machado
              Otto Henrique Martins da Silva
                  Robson Lima Oliveira
         Teresinha Aparecida Soares Albuquerque

             Equipe técnico-pedagógica
                  Ezequiel Burkarter
                     Juliana Loch
              Marina de Lurdes Machado
                 Fabio Luiz de Souza

     Assessora do Departamento de Ensino Médio
              Agnes Cordeiro de Carvalho

Coordenadora Administrativa do Livro Didático Público
               Edna Amancio de Souza

                Equipe Administrativa
                    Mariema Ribeiro
                 Sueli Tereza Szymanek

              Técnicos Administrativos
              Alexandre Oliveira Cristovam
                   Viviane Machado

                      Consultora
                  Ivanilda Higa - UFPR

                   Leitura Crítica
               Marcelo Alves Barros - UEM

                    Colaboradora
             Aparecida Magalhães Villatorre

            Consultor de direitos autorais
             Alex Sander Hostyn Branchier

                   Revisão Textual
             Luciana Cristina Vargas da Cruz
                   Renata de Oliveira

               Projeto Gráfico e Capa
           Eder Lima / Ícone Audiovisual Ltda

                Editoração Eletrônica
                 Ícone Audiovisual Ltda

                         2007
  CartadoSecretário
Este   Livro Didático Público chega às escolas da rede como resultado
do trabalho coletivo de nossos educadores. Foi elaborado para atender
à carência histórica de material didático no Ensino Médio, como uma
iniciativa sem precedentes de valorização da prática pedagógica e dos
saberes da professora e do professor, para criar um livro público, acessível,
uma fonte densa e credenciada de acesso ao conhecimento.

A motivação dominante dessa experiência democrática teve origem na
leitura justa das necessidades e anseios de nossos estudantes. Caminhamos
fortalecidos pelo compromisso com a qualidade da educação pública e
pelo reconhecimento do direito fundamental de todos os cidadãos de
acesso à cultura, à informação e ao conhecimento.

Nesta caminhada, aprendemos e ensinamos que o livro didático não é
mercadoria e o conhecimento produzido pela humanidade não pode ser
apropriado particularmente, mediante exibição de títulos privados, leis
de papel mal-escritas, feitas para proteger os vendilhões de um mercado
editorial absurdamente concentrado e elitista.

Desafiados a abrir uma trilha própria para o estudo e a pesquisa,
entregamos a vocês, professores e estudantes do Paraná, este material de
ensino-aprendizagem, para suas consultas, reflexões e formação contínua.
Comemoramos com vocês esta feliz e acertada realização, propondo,
com este Livro Didático Público, a socialização do conhecimento e dos
saberes.

Apropriem-se deste livro público, transformem e multipliquem as suas
leituras.


                    Mauricio Requião de Mello e Silva
                     Secretário de Estado da Educação
  AosEstudantes
                           Agir no sentido mais geral do termo significa tomar ini-
                      ciativa, iniciar, imprimir movimento a alguma coisa. Por
                      constituírem um initium, por serem recém-chegados e ini-
                      ciadores, em virtude do fato de terem nascido, os homens
                      tomam iniciativa, são impelidos a agir. (...) O fato de que o
                      homem é capaz de agir significa que se pode esperar de-
                      le o inesperado, que ele é capaz de realizar o infinitamente
                      improvável. E isto, por sua vez, só é possível porque cada
                      homem é singular, de sorte que, a cada nascimento, vem
                      ao mundo algo singularmente novo. Desse alguém que é
                      singular pode-se dizer, com certeza, que antes dele não
                      havia ninguém. Se a ação, como início, corresponde ao fa-
                      to do nascimento, se é a efetivação da condição humana
                      da natalidade, o discurso corresponde ao fato da distinção
                      e é a efetivação da condição humana da pluralidade, isto
                      é, do viver como ser distinto e singular entre iguais.


                                                                   Hannah Arendt
                                                              A condição humana



   Este é o seu livro didático público. Ele participará de sua trajetória pelo
Ensino Médio e deverá ser um importante recurso para a sua formação.

    Se fosse apenas um simples livro já seria valioso, pois, os livros re-
gistram e perpetuam nossas conquistas, conhecimentos, descobertas, so-
nhos. Os livros, documentam as mudanças históricas, são arquivos dos
acertos e dos erros, materializam palavras em textos que exprimem, ques-
tionam e projetam a própria humanidade.
   Mas este é um livro didático e isto o caracteriza como um livro de en-
sinar e aprender. Pelo menos esta é a idéia mais comum que se tem a res-
peito de um livro didático. Porém, este livro é diferente. Ele foi escrito a
partir de um conceito inovador de ensinar e de aprender. Com ele, como
apoio didático, seu professor e você farão muito mais do que "seguir o li-
vro". Vocês ultrapassarão o livro. Serão convidados a interagir com ele e
desafiados a estudar além do que ele traz em suas páginas.

    Neste livro há uma preocupação em escrever textos que valorizem o
conhecimento científico, filosófico e artístico, bem como a dimensão his-
tórica das disciplinas de maneira contextualizada, ou seja, numa lingua-
gem que aproxime esses saberes da sua realidade. É um livro diferente
porque não tem a pretensão de esgotar conteúdos, mas discutir a realida-
de em diferentes perspectivas de análise; não quer apresentar dogmas,
mas questionar para compreender. Além disso, os conteúdos abordados
são alguns recortes possíveis dos conteúdos mais amplos que estruturam
e identificam as disciplinas escolares. O conjunto desses elementos que
constituem o processo de escrita deste livro denomina cada um dos tex-
tos que o compõem de "Folhas".

    Em cada Folhas vocês, estudantes, e seus professores poderão cons-
truir, reconstruir e atualizar conhecimentos das disciplinas e, nas veredas
das outras disciplinas, entender melhor os conteúdos sobre os quais se
debruçam em cada momento do aprendizado. Essa relação entre as dis-
ciplinas, que está em aprimoramento, assim como deve ser todo o pro-
cesso de conhecimento, mostra que os saberes específicos de cada uma
delas se aproximam, e navegam por todas, ainda que com concepções e
recortes diferentes.
    Outro aspecto diferenciador deste livro é a presença, ao longo do tex-
to, de atividades que configuram a construção do conhecimento por meio
do diálogo e da pesquisa, rompendo com a tradição de separar o espaço
de aprendizado do espaço de fixação que, aliás, raramente é um espaço de
discussão, pois, estando separado do discurso, desarticula o pensamento.

    Este livro também é diferente porque seu processo de elaboração e
distribuição foi concretizado integralmente na esfera pública: os Folhas
que o compõem foram escritos por professores da rede estadual de en-
sino, que trabalharam em interação constante com os professores do De-
partamento de Ensino Médio, que também escreveram Folhas para o li-
vro, e com a consultoria dos professores da rede de ensino superior que
acreditaram nesse projeto.

    Agora o livro está pronto. Você o tem nas mãos e ele é prova do valor
e da capacidade de realização de uma política comprometida com o pú-
blico. Use-o com intensidade, participe, procure respostas e arrisque-se a
elaborar novas perguntas.

   A qualidade de sua formação começa aí, na sua sala de aula, no traba-
lho coletivo que envolve você, seus colegas e seus professores.
Sumário
Texto de Apresentação do LDP de Física................................................10
Conteúdo Estruturante: Movimento
                        Apresentação do Conteúdo Estruturante Movimento .....................12
             1 ­ Gravitação Universal ...............................................................17
             2 ­ Descrição Clássica dos Movimentos: Inércia e Momentum .............33
             3 ­ Trajetórias ............................................................................49

Conteúdo Estruturante: Termodinâmica
                       Apresentação do Conteúdo Termodinâmica ................................62
             4 ­ Lei Zero da Termodinâmica .....................................................65
             5 ­ Modelos de Calor ..................................................................77
             6 ­ Vapor e Movimento ...............................................................93
             7 ­ Verso e Reverso: A Ordem do Universo ...................................107
             8 ­ Pressão e Volume ...............................................................121
Conteúdo Estruturante: Eletromagnetismo
                   Apresentação do Conteúdo Estruturante Eletromagnetismo .............134
           9 ­ Carga Elétrica ........................................................................137
          10 ­ Geração mais Transformação igual a Conservação de Energia .........151
          11 ­ Campos Eletromagnéticos ........................................................165
          12 ­ A Natureza da Luz e suas Propriedades ......................................183
          13 ­ Dualidade Onda Partícula da Luz ...............................................207


Epílogo
          14 ­ As Três Interações Fundamentais ...............................................219
       EnsinoMédio




           A
           p             A Física é uma Ciência que tem como objeto de estudo o Universo,
                     sua evolução, suas transformações e as interações que nele se apresen-
                     tam. Por alguma razão, os fenômenos da natureza obedecem a equações


           r
                     matemáticas. Dessa forma, o papel do físico consiste em elaborar mode-
                     los para os fenômenos expressos em equações matemáticas. Mas aten-
                     ção! Esses modelos não são a natureza, mas sim a representação dela.
                         O conhecimento físico construído ao longo do tempo encontra-se


           e         presente hoje nas tecnologias do setor produtivo e de nossas casas. Daí a
                     sua importância para as práticas sociais contemporâneas, a compreensão
                     da cultura produzida pelos homens, para entender a relevância históri-
                     ca dessa produção dentro da história da humanidade. Não fosse o bas-

           s         tante, a elegância das teorias físicas, a emoção dos debates em torno das
                     idéias científicas, a grandeza dos princípios físicos, desafia a todos nós,
                     professores e estudantes, de compartilharmos, ainda que com um pouco


           e
                     de Matemática, os conceitos e a evolução das idéias em Física, presentes
                     desde que o homem, por necessidade ou por curiosidade, passou a se
                     preocupar com o estudo dos fenômenos naturais. (MENEZES, 2005)
                         Até o final do século XIX e ínicio do século XX, praticamente toda


           n         a Física conhecida estava concentrada no estudo dos Movimentos, apre-
                     sentada no Principia de Newton, e o Eletromagnetismo de Maxwell,
                     cuja síntese manifesta a junção dos fenômenos elétricos e magnéticos.
                     E, ainda, as três leis da Termodinâmica, formulações ocorridas especial-

           t         mente com os trabalhos de Mayer, Helmholtz e Gibbs, donde surgiu
                     uma das primeiras formulações para a Conservação da Energia.
                         Assim, os textos, os quais chamamos Folhas, englobam três cam-


           a
                     pos de estudos: Movimento, Termodinâmica e Eletromagnetismo, escolhi-
                     dos como estruturantes do currículo de Física do Ensino Médio, por-
                     que constituem-se como teorias unificadoras da Física. No século XVI,
                     a mecância de Newton uniu os fenômenos celestes e os terrestres,

           ç         sendo que suas Leis de Movimento englobam a Estática, a Dinâmica e
                     a Astronomia. No século XIX, os estudos da Termodinâmica, que tive-
                     ram como mote as máquinas térmicas, unificam os conhecimentos so-
                     bre gases, pressão, temperatura e calor. Ainda no século XIX, Maxwell

           ã         inclui a Óptica dentro da Teoria Eletromagnética, concluindo a terceira
                     grande sistematização da Física ao unir os fenômenos elétricos com os
                     magnéticos e a óptica.


           o
10   Apresentação
                                                                                  Física




    O século XX presenciou grandes avanços no conhecimento dos fe-
nômenos naturais: do transistor a nanotecnologia; a expansão do univer-
so que impulsiona a busca por novos modelos cosmológicos; computa-
dores com capacidade de armazenamento e transmissão de dados com
uma rapidez nunca antes permitida; e tantos outros. Daí a tentativa de
trazer, em cada Folhas, debates e buscas recentes para que também vo-
cê, estudante, conheça esta produção humana contemporânea.
    Evidentemente, muitos assuntos importantes foram deixados de fo-
ra, pois não é possível, em um livro, independente do número de pági-
nas, cobrir todos os desdobramentos em conteúdos escolares. Os tex-
                                                                              F
                                                                              Í
tos foram escritos tomando-se o cuidado com a linguagem matemática,
isto é, nada além dos conteúdos matemáticos que você vem aprenden-
do no Ensino Médio.
    Com este livro, esperamos que você possa se apropriar do conheci-
mento físico, e compreender que ele é e foi historicamente e socialmen-
te construído, bem como, perceber as relações desse conhecimento com
as estruturas políticas, econômicas, sociais e culturais da sociedade capi-
talista. Mas, acima de tudo, que perceba sua beleza filosófica e artística
                                                                              S
revelada nos grandes princípios e nos conceitos científicos.
    Dessa forma, apropriamo-nos das idéias do físico e professor
Luiz Carlos de Menezes1, colocadas em seu livro "A matéria ­ uma
aventura do espírito", de 2005, para dizer que consideramos um di-
                                                                              I
reito seu poder associar as leis de conservação com as propriedades
do espaço e do tempo, cogitar sobre diferentes ordens que emergem
e se transformam no domínio da vida e das máquinas, compreender
as qualidades dos materiais em sua intimidade quântica, bem como
                                                                              C
acompanhar o quase místico surgimento das forças da natureza e a
evolução do universo.
    Finalmente, fechamos o livro com o Folhas "As três Interações Fun-
                                                                              A
damentais", escrito pelos professores Ezequiel Burkarter e Julia Tieko
Fujimoto, uma temática atual para o tratamento das idéias em Física.




Menezes, L. C. de. A Matéria. São Paulo: SBF, 2005
1




                                                                                           11
       EnsinoMédio




            I          Movimento
                         Há muito tempo, mas muito tempo mesmo, o homem começou a
                     perceber, através da observação da natureza, que alguns eventos apre-


            n        sentavam uma periodicidade incrível, variações cíclicas observadas nos
                     céus, como, por exemplo: as fases da lua, as quais somam aproximada-
                     mente 30 dias, isto é, o período de um mês; as estações do ano, que por
                     sua vez somam o tempo de um ano.


            t            Essas observações foram importantes para o homem, pois ajudavam
                     a resolver problemas práticos e garantir sua subsistência, além da neces-
                     sidade de entender a origem do universo e a própria origem humana.
                         Inicialmente as explicações para os fenômenos naturais baseavam-se


            r        em mitos e crenças, mas com os gregos, vislumbrou-se um entendimento
                     do universo sem o revestimento mitológico. Nessa época os fenômenos
                     celestes eram estudados separadamente dos fenômenos terrestres, uma
                     vez que a cosmologia aristotélica dividia o universo em supralunar e su-


            o        blunar, separando céu e terra. De fato, Aristóteles foi um dos primeiros,
                     pelo menos dos que conhecemos nos registros em livros, a elaborar uma
                     teoria física criando as primeiras leis do movimento.
                         Muitos foram os esforços e contribuições para desvendar os fenô-


            d        menos naturais. No entanto, até a Idade Média, a Ciência conhecida se
                     resumia em: Física aristotélica, Astronomia geocêntrica de Ptolomeu e
                     Geometria euclidiana. Assim é que chegamos ao Renascimento, que se
                     inicia historicamente em 1453.


            u            Mas o Renascimento, como o nome nos seduz a pensar, parece ter
                     contribuído para que uma nova forma de ver e explicar o universo se
                     iniciasse. Nesse cenário, Johannes Kepler, a partir de estudos de Tycho
                     Brahé, concluiu que as órbitas dos planetas eram elípticas e não circu-


            ç
                     lares, nem seus movimentos eram uniformes, mas dependiam da dis-
                     tância do planeta ao Sol. Edmund Halley observou que os cometas si-
                     tuam-se além da Lua, portanto fora da esfera lunar.
                         Essas constatações contrariavam o que pregava a Ciência medieval,


            ã
                     na sua maioria baseada nas idéias de Aristóteles. E para piorar um pou-
                     co mais as coisas, Galileu Galilei propôs que o peso dos corpos não
                     tem influência sobre a sua queda, o que contrariou a física dos lugares
                     naturais de Aristóteles.


            o
                         Pensa que é só isso? Engano seu, pois René Descartes, contempo-
                     râneo de Galileu, também imaginava uma ciência que desse conta dos
                     mundos supralunar e sublunar. Em outras palavras, o universo não era
                     separável.



12   Introdução
                                                                                Física




    Dessa forma, foi possível estudar os fenômenos físicos a partir de
uma situação particular, por exemplo, a queda dos corpos. A natureza
pode ser descrita por equações matemáticas, a partir de algumas consi-
derações que fazemos dos fenômenos em estudo que resultam no que
chamamos de modelo físico. Mas atenção, um modelo não é a nature-
za ou coisas da natureza, mas o que achamos que a natureza é!


                                                                            F
    Assim, inicia-se o que se costuma chamar de Ciência Moderna, que,
a partir de uma situação particular, pode-se chegar ao geral, tornan-
do possível inaugurar leis universais, isto é, que abrangem a totalida-
de do universo.


                                                                            Í
    Impossível descrever num texto como este, todas as contribuições de
cientistas, sejam eles conhecidos ou não, que com seus estudos, em ca-
da época, possibilitaram entender um pouco o mundo físico. Da mesma
forma, é impossível descrever os muitos erros e acertos, avanços e retro-


                                                                            S
cessos, tão próprios da atividade científica, que conduziram a construção
pela humanidade desse monumento que é o conhecimento científico.
    Galileu e contemporâneos viveram numa sociedade que transitava
do feudalismo para o capitalismo comercial, sendo este último, fruto
das grandes navegações do século XVI, as quais permitiram o desco-
brimento de novos continentes e a formação de um mercado mundial,
levando o comércio a longas distâncias e contribuindo para a forma-
ção de uma nova classe econômica: a burguesia.
                                                                            I
    A ampliação da sociedade mercantil e a conjuntura econômica, cul-
tural e social da época derrubaram dogmas da Igreja e permitiram que
Galileu adotasse o modelo heliocêntrico de Nicolau Copérnico (1473-
                                                                            C
1543), ousando observar sob a mesma ótica corpos celestes e terres-
tres, separados na física aristotélica.
    A instalação do novo cenário foi possível porque Galileu utilizou-
se de um telescópio, cujas observações contribuíram para sua ousadia.
                                                                            A
Você já deve ter ouvido o velho ditado que diz "fatos são fatos e con-
tra fatos não há argumentos!".
    Mas apesar dos fatos e da sua ousadia, não foi possível a Galileu e a
seus contemporâneos, romperem totalmente com o pensamento da épo-
ca. No entanto, o palco estava pronto para que Isaac Newton (1642­1727)
completasse o que Galileu, Descartes e outros, não conseguiram realizar,
isto é, encontrar as leis que submeteriam céu e Terra à mesma descri-
ção matemática. É isso que a Gravitação de Newton consegue: a primeira
grande unificação da Física, submetendo céu e terra a mesma lei.



                                                                                         13
       EnsinoMédio


                         Também Newton identificou as quantidades transferidas na intera-
                     ção entre objetos e observou que a soma dessas quantidades se man-
                     tém entre as partes do sistema que interagem, qualquer que seja es-

            I        se sistema. Essa percepção levou-o a descobrir que as quantidades de
                     movimento como grandezas que se conservam, mesmo quando, apa-
                     rentemente, parece estar tudo mudando.
                         Os fundamentos da mecânica de Newton estão registrados na obra

            n        "Philosophie naturalis principia mathematica ­ Principia", de 1687,
                     que pode ser considerada como um marco na história do conhecimen-
                     to científico, pois apresenta a unificação das leis da mecânica, as quais
                     descrevem o movimento dos corpos sob a ação de forças, elevando

            t        a Física ao status de Ciência no século XVII. A síntese de Newton foi
                     possível, conforme já mencionamos, pelo fato de muitos terem se pre-
                     ocupado com o estudo dos fenômenos naturais e, também, pela da in-
                     teração com outros pesquisadores da época.


            r            Hoje, no estudo dos movimentos, a mecânica de Newton, ainda é im-
                     portante, visto que está intimamente ligada às questões externas ao
                     meio científico, como: as guerras, o comércio e até os mitos e religiões.
                     Por isso, para compreender toda essa produção humana, é preciso co-


            o        locá-la num contexto mais amplo, dentro da história da humanidade.
                         Além disso, esse estudo permite a compreensão dos fenômenos pre-
                     sentes no seu cotidiano: o caminhar até a escola, andar de bicicleta ou
                     deslizar sobre patins, o jogo de futebol, as jogadas com bolinhas de gu-


            d        de, o jogo de sinuca e tantos outros. Mas também o movimento de pro-
                     jéteis e dos automóveis, o movimento dos planetas em torno do Sol ou
                     da Lua em torno da Terra, o equilíbrio dos corpos em um meio fluído
                     ou o seu movimento dentro de uma piscina.


            u            Para essa compreensão é importante o conhecimento de entes físi-
                     cos, como as quantidades de movimento (o momentum de uma par-
                     tícula) e a energia, as quais permitem estudos que vão desde a coli-
                     são de bolas de gude até a compreensão de processos que envolvem


            ç
                     a cosmologia atual. Esses entes físicos carregam naturalmente as idéias
                     de posição, tempo e massa.
                         Para tanto, são indispensáveis as idéias de Conservação do Momentum
                     e de Conservação da Energia, dois princípios extremamente importantes


            ã
                     para o entendimento dos fenômenos físicos. Não importa o que aconte-
                     ça, nas colisões ou explosões, quando objetos se aproximam e colidem,
                     ocorrendo fragmentação ou não desses objetos, a quantidade de movi-
                     mento é sempre conservada. Em outras palavras, a quantidade de movi-


            o
                     mento de antes da colisão e depois da colisão é sempre a mesma.
                         Da mesma forma, os cientistas perceberam que, como a quantida-
                     de de movimento, a energia também se conserva. O Princípio da Con-
                     servação da Energia, desenvolvido no âmbito da Termodinâmica, é
                     uma das mais importantes leis da natureza e, talvez, o mais belo dos


14   Introdução
                                                                                 Física


princípios. Sabe qual é o problema? A energia apresenta um tipo de
dupla personalidade, ou melhor, muitas personalidades, aparecendo
de diversas formas, ou se preferir, com muitos disfarces: cinética, quí-
mica, potencial, calor, etc.
    E ainda, a importância do conceito de força, definida por Newton
como a variação temporal da quantidade de movimento, o impulso, o
que conduz a Segunda Lei de Newton. As idéias de matéria (massa) e
espaço, bem fundamentadas, permitem a compreensão da Primeira Lei
de Newton.
    Também é possível, dentro desse campo de estudos, a compreensão
do movimento dos fluídos (líquidos e gases), os quais estão presentes
até mesmo em você. Por exemplo, o movimento do sangue no corpo.
Também é possível, o estudo dos movimentos oscilatórios, os quais po-
dem levar ao estudo do caos.
    Como você já deve ter percebido, muitas são as possibilidades de
                                                                             F
tratamento dentro do estudo de movimentos. No entanto, não foi possível
neste livro tratar de todas essas possibilidades, nem era nossa pretensão
fazê-lo. O que fizemos foi escolher alguns conteúdos que consideramos
importante para a construção do seu conhecimento. E assim, produzi-
                                                                             Í
mos alguns textos, os quais chamamos de Folhas, para que você tenha
a oportunidade de conhecer, com o apoio de seus professores, a bele-
za das teorias científicas.
                                                                             S
    A Profª Julia Tieko Fujimoto escreveu o Folhas "Gravitação Univer-
sal", relacionando o texto com a disciplina de História ao discutir o con-
texto da construção da Lei da Gravitação de Newton. Para entender o
modelo copernicano de universo, buscou-se na Geometria Analítica, dis-
                                                                             I
ciplina de Matemática, o entendimento das elipses. A autora faz uma in-
trodução à Relatividade de Einstein, numa tentativa de compreender o
campo gravitacional dos buracos negros.
    A Primeira Lei de Newton está presente no Folhas "Descrição clássica
                                                                             C
dos movimentos: inércia e momentum", o qual busca na História a
compreensão do contexto de produção da obra newtoniana. A Filosofia
permite a compreensão do método newtoniano para encontrar as leis
do movimento. O texto analisa, utilizando-se da alegoria da "Alice no
                                                                             A
País do Quantum", criada por Robert Gilmore, o Princípio da Incerteza
de Heisenberg.
    Para falarmos sobre o movimento de projéteis, o Profº. Kleber Sebas-
tião Juliani produziu o Folhas "Trajetórias". O projétil é um martelo, o
que permitiu o relacionamento do conteúdo físico com a disciplina de
Educação Física. O modelo matemático para a descrição do lançamento
do martelo exigiu uma relação com a Matemática, ou seja, alguns con-
ceitos presentes na trigonometria. Ainda, discutiu-se o Princípio da Míni-
ma Ação, o qual nos permite compreender porque essa trajetória é pa-
rabólica e não uma outra qualquer.


                                                                                          15
       EnsinoMédio




16   Movimento
                                                                                            Física




                                                                                  1


                                                              GRAVITAÇÃO
                                                               UNIVERSAL
                                                                              Julia Tieko Fujimoto1


                                                       parentemente, ao passar por um
                                                       campo gravitacional muito forte, a
                                                        luz tem a sua trajetória modificada.

                                                 Existiria um campo gravitacional, suficiente-
                                                 mente forte, a ponto de aprisioná-la?




Centro Estadual de Educação Básica para Jovens
5

e Adultos Poty Lazarotto - Curitiba - PR

                                                                            GravitaçãoUniversal       17
       EnsinoMédio

                                        O fascínio do homem pelo espaço cósmico levou-o a observações, à
                                        proposição de hipóteses, a arquitetar desenhos geométricos a fim de
                                           compreender e explicar o movimento dos astros. Assim, foram pro-
                      Marte                  postos diversos modelos, que são criações humanas, cujo objeti-
                                              vo é representar a realidade, neste caso, o sistema solar e o mo-
                                                   vimento dos astros.
                                                           Dentro desses modelos que tentaram (e tentam)
                                                          representar o universo, há dois mais conhecidos: o
                                                            geocêntrico, que adota a Terra como o centro do
                                                              Universo, e o heliocêntrico, para o qual o Sol é
                                                              o elemento central.
                                              Sol                  Ptolomeu (100-178) criou o modelo que deu
                                                               origem à teoria geocêntrica e permitia entender
                        Terra                                  o que vemos todos os dias: o nascer e o pôr do
                                                               sol. O Universo de Ptolomeu se estende desde
                                                              a Terra até as estrelas, onde uma série de corpos
                                                             esféricos, os Orbes, se encaixavam uns nos ou-
                                                           tros. Nesses corpos esféricos se encaixavam os pla-
                                                         netas. Na última esfera estariam fixas as estrelas. Os
                                                      demais espaços seriam preenchidos por éter.
                  Modelo do Sistema de Ptolomeu.
                  www.if.usp.br                    Seu modelo perdurou por muito tempo, apesar de bastan-
                                  te complexo com seus epiciclos, deferentes, equantes, além dos artifí-
                                  cios geométricos. Descrevia, para sua época, com precisão, os movi-
                                  mentos dos corpos celestes, e podia-se prever eclipses e a existência
                                  de alguns planetas.


                                    O tripé teórico constituído pela Física aristotélica, pela Astronomia geo-
                                cêntrica de Ptolomeu e pela Geometria euclidiana, era praticamente toda
                                a ciência conhecida até o Renascimento. Entretanto, desde o início da era
                                cristã, o saber grego foi aos poucos sendo esquecido na Europa, principal-
                                mente a partir do Concílio de Nicéia, e substituído por um Cristianismo dog-
                                mático. (Adaptado de PONCZEK. In: ROCHA, 2002, p. 31).




                     ATIVIDADE

     1. No modelo de Ptolomeu, a última esfera era chamada de firmamento. Por que ela possuía esse nome?
     2. Seu modelo era baseado na física Aristotélica e foi assumido como verdadeiro pela igreja ao longo
        da Idade Média. Seria esta a razão para que a Terra ocupasse o centro de seu Universo? Justifique
        sua resposta.




18   Movimento
                                                                                                       Física

    Na Idade Média, período compreendido entre o século V (ano 476 ­
Fim do Império Romano) e o século XV (ano 1453 ­ Queda de
Constantinopla), a organização econômica era o feudalismo. A Igreja,
também um feudo, tinha grande poder. Deus era o centro do pensa-
mento medieval, por isso o estudo dos fenômenos físicos passava, na-
turalmente, por Ele.
    Aos poucos, o homem medieval buscou novas formas de entender
o mundo em que vivia e o domínio cristão sobre o conhecimento co-
meçou a diminuir. Muitos fatores contribuíram para que isso aconte-
cesse, dentre os quais podemos citar: as cruzadas, que ocorreram du-
rante os séculos XI, XII e XIII, contribuindo para colocar jovens do
oriente em contato com jovens do ocidente; a expansão dos moinhos
e o desenvolvimento do comércio.



                 PESQUISA

 1. Pesquise em livros de História e História da Ciência, revistas científicas e até mesmo na Internet, so-
    bre o Feudalismo. Quais eram as características da sociedade feudal? Qual o papel dos senhores
    feudais? E o dos servos?
 2. Durante a Idade Média, o modo de pensar e a maneira de conhecer o mundo estavam ligados, prin-
    cipalmente, à fé. Santo Agostinho (354-430), um filósofo cristão, dizia: Credo et Intelligam ("Para co-
    nhecer é preciso antes crer"). São Tomaz de Aquino (1225-1274), também cristão, procurava con-
    ciliar a filosofia grega com a filosofia cristã. Como a Igreja explicava os fenômenos físicos?
 3. Busque novamente na História: a influência do domínio árabe na Península Ibérica, ocorrida entre o fi-
    nal do século VIII e o início do século XIV, contribuiu com novas formas de pensar e conhecer o mun-
    do: a) Como era a cultura intelectual e a técnica desses povos? b) Qual o papel das universidades cria-
    das por eles na irradiação do conhecimento? c) Que contribuição trouxe o estabelecimento das rotas
    comerciais para que ocorresse a transferência do conhecimento grego do Oriente para o Ocidente?


    A partir do século XV, dá-se o processo de estruturação de uma nova
ordem econômica e social, resultado do desenvolvimento do comércio.
A nobreza ainda detinha grande ascensão social junto à aristocracia, por-
que ainda era grande proprietária rural. Já a nova classe que surgia com o
comércio, a burguesia, apesar de próspera, não gozava do mesmo prestí-
gio social. Podemos dizer que a ascensão do comércio constitui-se no iní-
cio do que seria a sociedade capitalista, tal qual a conhecemos hoje.

     A navegação, os descobrimentos de novos continentes, as trocas de mercadorias, a criação de
 bancos, a circulação de bens e dinheiro geraram o surgimento de uma nova classe social: a burgue-
 sia, que se opõe, naturalmente, ao poder dos príncipes e reis medievais, bem como aos dos cardeais
 da Igreja. É o renascimento (...) (Adaptado de PONCZEK. In: ROCHA, 2002, p. 31).




                                                                                      GravitaçãoUniversal       19
       EnsinoMédio

                                     O Renascimento provoca modificações no pensamento europeu
                                  em todos os campos, inclusive no científico. É assim que, no século
                                  XVI, Copérnico (1473-1543), a partir dos estudos sobre o modelo
                                  de Aristarco de Samos (310-230 a.C.) e por considerar o modelo de
                                  Ptolomeu muito difícil, propôs um novo modelo. No seu Universo, o
                                  Sol ocupava o centro, pois pensou que por ser o único astro com luz
                                  própria do sistema, seria o único que teria condições de iluminar todos
                                  os demais corpos celestes. Imaginou que todos os planetas moviam-se
                                  em torno do Sol, o que facilitava a determinação de suas órbitas.

         Renascimento ou Renascença significa renovação da vida ou vida nova. O termo é consagrado pa-
     ra designar um período de história, mas não deixa de ser inexato, porque entre a Idade Média e a Ida-
     de Moderna não houve solução de continuidade, nem propriamente volta aos estudos greco-romanos,
     mas apenas evolução no pensamento humano, devido à revolução comercial, aos descobrimentos e
     às descobertas. Em todos os setores da atividade intelectual, havia precedentes medievais: de fato,
     Aristóteles fora, na Idade Média, um guia do pensamento cristão.
        Os eruditos helenistas bizantinos, exilados depois da queda de Constantinopla, também contribuí-
     ram à difusão dos estudos clássicos, na Itália principalmente, onde foram acolhidos e para onde trouxe-
     ram manuscritos e bibliotecas. De fato, a Antiguidade estava mais "viva" no Oriente do que no Ocidente;
     o Renascimento foi uma aceleração na evolução do pensamento humano.
         Coube ao cônego polonês Nicolau Copérnico refutar a teoria geocêntrica de Ptolomeu e estabelecer
     sobre observações e cálculos a teoria heliocêntrica que revelava ser o sol o centro de um sistema do qual
     a Terra é apenas um satélite. O famoso livro de Copérnico, De Revolutionibus Orbium Coelestium, foi de-
     dicado ao Papa. Mas a Igreja declarou a teoria heliocêntrica herética, por estar em desacordo com as
     suas doutrinas, proibindo a sua divulgação em 1616; só no século XIX veio a ser revogada esta sen-
     tença. (Adaptado de: CARVALHO, 1996, 61-93)


           Marte                                Copérnico destronou a Terra do centro do Universo, colo-
                                                 cou-a como mais um dos planetas. Ordenou os planetas
                                                    em relação ao Sol a partir de suas distâncias em rela-
                                                      ção a ele. Dessa forma, a Terra já não ocupava uma
                                                        posição de destaque, sendo somente a terceira des-
                                                          sa ordenação.
                                                              Determinando estas distâncias, Copérnico utili-
                                   Sol                     zou-as para explicar as diferenças entre os perío-
                                                           dos de revolução dos planetas, que é o tempo que
                                                           o astro leva para circundar o Sol, e concluiu que
                                                          quanto mais longe do Sol, maior o tempo para com-
                     Terra                               pletar sua revolução. Assim, Júpiter completa uma
                                                       revolução em doze anos, pois está mais afastada do
                                                     Sol, Marte em dois anos, a Terra em um ano e Mercúrio,
                                                  por ser o mais próximo do Sol, completa em três meses.
              Modelo do Sistema de Copérnico.
              www.if.usp.br


20   Movimento
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                 DEBATE

 1. Bom, aqui cabe uma questão: Se quase 1200 anos antes que Copérnico, Aristarco de Samos já ha-
    via proposto um modelo no qual o Sol ocupava o centro, então por que ele não foi aceito já naque-
    la época?
 2. O que era o Índex? Por que a Igreja colocou o livro de Copérnico "Das Revoluções dos corpos
    celestes", que tratava do seu modelo, no Índex?


    Ainda hoje a idéia de que a Terra é o centro do Universo continua
presente. O texto de Salvador Nogueira, colocado na seqüência, mos-
tra uma pesquisa realizada nos Estados Unidos que retrata o fato. Leia-
o e procure responder à atividade proposta.


     Prisioneiros de Aristóteles
    Preparem-se para pegar em armas, camaradas! A revolução copernicana ainda não acabou. Duvida?
 Pergunte a Jon Miller. Ele é o responsável pelo Centro de Comunicações Biomédicas, em Chicago,
 Estados Unidos, órgão que conduz periodicamente pesquisas para avaliar a alfabetização científica da
 população daquele país. Seus últimos resultados mostram que um em cada cinco americanos ainda
 acha que o Sol gira em torno da Terra.
     E, se isso soa inacreditável, saiba que o "privilégio" não é exclusivo dos eleitores de George W. Bush.
 Pesquisas semelhantes feitas em meados dos anos 1990, em países como Alemanha e Reino Unido,
 apontam para a mesma coisa. Entre os alemães, 16% afirmaram que o Sol girava em torno da Terra. En-
 tre os britânicos, 19% dos entrevistados compartilhavam dessa convicção. Nos países em desenvolvi-
 mento, a coisa não deve ser melhor. Ou seja, a luta pela revolução definitivamente não acabou.
     Ptolomeu baseou seu modelo do Universo no velho cosmo grego, sumarizando nas idéias de
 Aristóteles. (Adaptado de NOGUEIRA, 2005)




                 ATIVIDADE

 1. O modelo de Ptolomeu ainda pode ser usado em casos especiais, como no caso da navegação,
    quando é mais simples postular a Terra como referência. Discuta com seus colegas por que é mais
    fácil para as pessoas, em geral, adotarem o modelo geocêntrico.
 2. Faça um desenho representando cada modelo. Existem semelhanças entre o sistema geocêntrico
    e heliocêntrico? E há diferenças?




                                                                                       GravitaçãoUniversal       21
           EnsinoMédio

                                           Embora divergissem no elemento central, os geocêntricos e helio-
                                        cêntricos tinham um aspecto em comum: as trajetórias dos planetas,
                                        para ambos, eram circulares.
                                           Posteriormente, o astrônomo dinamarquês Tycho Brahé (1546-1601)
                                        propôs um sistema que era um híbrido entre os modelos de Ptolomeu
                                        e de Copérnico: a Terra estaria no centro do Universo, com o Sol giran-
      Tycho Brahé (1546-1601).
                                        do em torno dela, mas os outros planetas estariam orbitando em torno
       Fonte: http://en.wikipedia.org   do Sol.

            As descobertas do Renascimento nos setores científicos não despertaram nas massas o interesse
       que acolheu o surto literário e as realizações artísticas. Mas as técnicas artesanais e as técnicas cien-
       tíficas foram aos poucos se aproximando do século XVI e Francisco Bacon foi um dos primeiros a ter
       consciência da significação histórica que teria o papel da ciência no mundo moderno, tendo sido um
       dos criadores do método experimental e indutivo.
          Como era na ordem natural das coisas, coube à Astronomia o maior aproveitamento imediato das
       novas aplicações práticas das matemáticas, tomadas como base principal das ciências.
          Coube ao nobre dinamarquês, Tycho Brahé, esclarecer os pontos incompreendidos da astronomia
       copernicana. Sua obra era principalmente de observações sistemáticas e muito precisas; aceitando
       a hipótese de Copérnico sobre rotação e movimento orbital dos planetas, admitiu que a órbita
       pudesse ser oval.
           Seu sucessor foi Kepler, que também descobriu as três regras que regem a elipse, o foco, as áre-
       as e o tempo dos planetas ao redor do sol.
                                                                                 (Adaptado de: CARVALHO, 1996, 61-93)


                                           Então cabe uma pergunta: Você sabe o que é uma elipse?
                                           O quadro colocado na seqüência mostra a representação e as ca-
                                        racterísticas principais de uma elipse.


             Representação de uma elipse, com os focos F1 e F2, seu eixo maior A e eixo menor B
             A excentricidade de uma elipse (e) é dada por: e = F/A
             Observe as seguintes elipses com suas respectivas excentricidades:




                         e = 0,98

                                                 e = 0,5
                                                                      e = 0,1               e = 0,0

            Quanto mais próxima de zero o valor da excentricidade, mais próxima de uma circunferência a
        elipse se torna, até que, quando e = 0, teremos uma circunferência.


22     Movimento
                                                                                                                                 Física


     As excentricidades das elipses descritas pelas órbitas dos planetas do Sistema Solar variam de
 0,009 para Netuno até 0,25 para Urano. Como as excentricidades são muito próximas de zero, as ór-
 bitas dos planetas são quase circulares, o que fez com que a maioria dos astrônomos acreditasse que
 a órbita fosse realmente circular.
     A tabela abaixo mostra as excentricidades das órbitas dos planetas de nosso Sistema Solar:

  Planeta Mercúrio Vênus                  Terra          Marte Júpiter          Saturno Urano Netuno                    Plutão*
      e        0,2          0,07              0,02       0,09            0,05     0,06         0,05        0,009           0,25
 *A partir de 24 de agosto de 2006, Plutão deixa de ser considerado um planeta por decisão da
 International Astronomical Union (IAU), na XXVI Assembléia Geral da entidade (www.iau.org).

                                     P


                                                                                B  Representação de uma elipse
                                         F1          F          F2                    F1 e F2: Focos
                                                                                      A: Semi-eixo maior
                                                                                      B: Semi-eixo menor


                                                     A
                                                                                                     Adaptado de: CANALLE, 2003.



    Johannes Kepler (1571-1630), astrônomo alemão, foi assistente de
Tycho e, com os dados deste, aperfeiçoou o modelo copernicano, sinte-
tizando os resultados em três leis, conhecidas como as leis de Kepler.
    Ao tentar encontrar uma curva que se ajustasse aos dados obtidos
pelas pacientes observações de Tycho, referentes ao planeta Marte,
Kepler verificou que, apesar de muito próxima da circunferência, a fi-
gura geométrica que mais se aproximava dos dados era a elipse.
    Assim, chegou à lei das órbitas, modernamente enunciada como a
primeira lei:
              "Todo planeta descreve uma órbita elíptica,
                 com o Sol ocupando um dos focos".                                                      Johannes Kepler (1571-1630)
                                                                                                        Sistematizou o conhecimento da
   Kepler verificou também que, quando os planetas estão mais pró-                                      mecânica celeste da sua época
                                                                                                        em três leis que ficaram conhe-
ximos do Sol, eles estão com maior velocidade. Na figura 1, o planeta                                   cidas como leis de Kepler. Fonte:
desenvolve maior velocidade entre A e B do que entre C e D. Assim, se                                   http://astro.if.ufrgs.br/bib/
um planeta gasta um tempo t1 para ir de A até B e, um tempo t2 de C
até D, então as áreas S1 e S2 são iguais, assim como os tempos t1 e t2.

                            A                                        C
                                S1                              S2
                      B
                                                                         D
                      Fig. 1: Representação da Lei das Áreas de Kepler.


                                                                                                           GravitaçãoUniversal              23
       EnsinoMédio

                                  Dessa forma, a segunda lei pode ser enunciada como segue:
                                               "A reta que une o Sol e um planeta `varre'
                                                    áreas iguais em tempos iguais".
                                  A terceira lei de Kepler afirma que:
                                         "A razão entre o quadrado do período da órbita do
                                       planeta (símbolo T) e o cubo do raio médio (símbolo r)
                                                   de sua órbita é uma constante".
                                  Isso quer dizer, simplificadamente, que quanto mais longe do Sol
                              estiver o planeta, maior será o seu período de revolução, independen-
                              te da massa do planeta. Kepler, na realidade, "matematizou" a obser-
                              vação de Copérnico, como mostra a equação 1:
                                                               T2 = K     (1)
                                                               r3


                     ATIVIDADE

         Apesar de Kepler introduzir as primeiras relações matemáticas descrevendo o movimento dos pla-
     netas, segundo Marcelo Gleiser, físico brasileiro e professor de astronomia, os elementos de seu siste-
     ma correspondiam ainda a uma manifestação da fé religiosa: Deus, todo poderoso, era o Sol, no centro,
     o Filho era representado pela esfera das estrelas fixas e o Espírito Santo era responsável pelos movi-
     mentos celestes. Para Kepler, os planetas mais externos moviam-se mais devagar porque o poder do
     Sol diminuía em proporção inversa à distância.
        Responda: Kepler é "heliocentrista", ou seja, ele tirou o caráter divino da Terra. Mas, por que, mes-
     mo assim, os elementos do seu sistema ainda mantinham o misticismo religioso? Qual a razão de
     seu conflito?


                                 Faltou muito pouco para Kepler conceituar "força gravitacional".
                              Mas havia três questões fundamentais que instigavam o ambiente cul-
                              tural da época.
                                  O que causava a queda dos objetos próximos à superfície terrestre?
                                 Qual a relação entre os movimentos dos planetas e o dos corpos
                              próximos à superfície da Terra?
                                  Quem viria a tratar satisfatoriamente dessas questões?


         No século XVII nasce Isaac Newton, em 1643 segundo o calendário gregoriano. Em 1661, inicia
     seus estudos em Cambridge, onde o ensino centrava-se na filosofia aristotélica. O importante, no en-
     tanto, não foi a data de nascimento, mas o fato de que Newton nasceu em berço esplêndido, pois pô-
     de utilizar os trabalhos, não só de Galileu, mas de outros pioneiros da ciência moderna, como Kepler,
     que morreria doze anos antes, e Descartes, que trabalhava ativamente na Holanda.


24   Movimento
                                                                                                                 Física


     Em 1666, uma grande peste assolou a Grã-Bretanha, obrigando o Trinity College a fechar as suas
 portas, levando-o a refugiar-se em sua propriedade em Woolsthorpe. Foi nesse annus mirabilis (ano dos
 milagres) que Newton intuiu que uma maçã ou um objeto qualquer caindo um pouco acima da superfí-
 cie terrestre e a Lua orbitando em torno da Terra tinham algo de muito importante em comum: a mesma
 força as "puxava" para o centro da Terra. A correlação da órbita lunar com a aceleração da maçã ou do
 objeto implicava numa lei do inverso do quadrado das distâncias que seria aplicável, não apenas a cor-
 pos situados próximos da superfície terrestre, mas também se estendia a corpos celestes distantes co-
 mo a Lua. Todas as partículas que compõem a Terra combinar-se-iam para atrair tanto uma maçã situ-
 ada a apenas alguns palmos acima da sua superfície, como a Lua, situada a centenas de milhares de
 quilômetros, com uma força que cairia com o quadrado inverso das distâncias do centro da Terra.
     Essas fantásticas descobertas vieram a lume primeiramente em 1684-1685, na obra De Motu
 Corporum in Gyrum (Sobre o Movimento dos Corpos em Rotação) e de forma definitiva em 1687, no li-
 vro Princípios Matemáticos da Filosofia Natural, abreviadamente conhecido como os Principia e tido por
 muitos como a maior obra científica de todos os tempos.
      No De Motu, Newton mostrou a um de seus poucos amigos, o astrônomo Edmond Halley, não
 só que uma órbita elíptica implicava, necessariamente, numa força inversamente proporcional ao
 quadrado das distâncias em direção a um dos focos da elipse, mas também que a recíproca era
 verdadeira: uma lei inversamente proporcional ao quadrado implicava em órbitas, circulares, elípticas,
 parabólicas ou hiperbólicas, a depender das velocidades iniciais dos corpos. O tratado demonstrava
 também as duas últimas leis de Kepler (lei das áreas e lei do quadrado dos períodos) e de como um
 projétil arremessado próximo da superfície terrestre descreveria uma trajetória parabólica. Estava assim
 unificada a "ciência" dos movimentos dos corpos terrestre e celeste, por uma única lei matemática: A
 matéria atrai matéria na razão direta de suas massas e na razão inversa do quadrado das distâncias
 que as separam.
                                                              (Adaptado de PONCZEK. In: ROCHA, 2002, p. 104-105).



     O abandono definitivo das teorias aristotélicas se iniciaria com um
italiano de Florença, Galileu Galilei (1564-1642), que foi punido pelas
autoridades da Inquisição. Mas quando morreu, havia deixado o lega-
do de sua obra descrito no seu "Diálogo dos Dois Sistemas do Mundo",
no qual um aristotélico e um copernicano dialogam sobre o que seus
adversários temiam e o que os impediam de anunciar. Desaparecia
Galileu no ano que Isaac Newton (1642-1727) nasceu. E seria Newton
quem proporia a lei da gravitação com a qual explica os movimentos
dos planetas, dos cometas e dos satélites conhecidos.
     A Lei da Gravitação Universal é expressa matematicamente por:                    Galileu Galilei (1564-1642) Físico,
                                                                                      matemático, astrônomo italiano. Foi
                                    m1 . m2                                           condenado pela igreja católica por
                           F=G.                (2)                                    defender as idéias copernicanas.
                                      d2
                                                                                      Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/bib/
onde F é o módulo da Força que atua entre dois corpos de massas m1
e m2, d é a distância entre os corpos e G é a Constante de Gravitação
Universal que atualmente vale 6,67 x 10­11 N.m2/kg2.
   Para Newton, as trajetórias dos planetas em torno do Sol indepen-
diam de suas massas, assim como a aceleração da gravidade na su-


                                                                                         GravitaçãoUniversal                 25
       EnsinoMédio

                              perfície da Terra. Ao que parece, foi isso que sugeriu a Newton que a
                              gravidade que faz as maçãs caírem da macieira e a força centrípeta diri-
                              gida para o Sol tinham a mesma causa: uma interação mútua que ocor-
                              re entre dois corpos quaisquer, denominada Força Gravitacional.
                                  Você também já deve ter lido ou escutado alguém falar, em algum
                              lugar, que Sir Isaac Newton formulou a Lei da Gravitação Universal ao
                              observar uma maçã caindo.
                                  Seria isso possível? Ou seria uma lenda da Física?
                                  Leia o texto colocado na seqüência e tire as suas conclusões.


          Uma lenda na História da Física é a da queda da maçã. Newton tentava entender porque a Lua não
     se afastava da Terra, na década de 1660, quando estando em um jardim observou uma maça caindo
     de uma árvore. A "estória" teria sido inventada por Newton para convencer e tornar aceita sua alegação
     de que a descoberta da Gravitação Universal ocorrera cerca de 20 anos antes de sua publicação, no
     Principia. Isso ocorreu devido uma contenda entre ele e Robert Hooke pela paternidade da Lei do Inver-
     so do Quadrado (1/r2) e, então, antecipou a descoberta da Gravitação Universal para um período ante-
     rior a uma troca de cartas com Hooke.
         Hooke, em novembro de 1679, escreveu a Newton apresentando-lhe o seguinte problema: Se um
     corpo sofre uma atração em direção a um centro, que tipo de curva seria sua órbita, se a atração varia
     inversamente com o quadrado da distância? Newton não respondeu e, em 1684, Edmund Halley visi-
     tou-o e lhe fez a mesma pergunta. Newton teria respondido, que, segundo seus cálculos, era uma elip-
     se, porém não achou os cálculos. Halley insistiu, então, que ele escrevesse seus cálculos. O resultado,
     após alguns pequenos tratamentos, foi o "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural".
         Com uma leitura cuidadosa do livro de Newton e de seus cadernos de notas, L. B. Cohen, um es-
     tudioso de Newton, propõe que:
     1) Newton chegou à Gravitação Universal por uma aplicação de sua Terceira Lei;
     2) A Terceira Lei só foi formulada por ele no último rascunho do Princípios, por volta de 1685. Logo a
        história da maça é falsa, pois teria ocorrido 20 anos antes e;
     3) Newton aprendeu a tratar trajetórias curvas a partir de um método desenvolvido por Hooke.
                                                                (Adaptado de DIAS; SANTOS; SOUZA, 2004, p. 265-266)




                     ATIVIDADE

     1. A partir da equação (2), qual seria a intensidade da força entre dois corpos, ambos de massas mui-
        to pequenas e, separadas por uma distância também pequena? Suponha, por exemplo, massa de
        1 Kg e distância de 1 m.
     2. Como você explica o fato dos corpos e das árvores não saírem voando, apesar do movimento de
        rotação da Terra?



26   Movimento
                                                                                                    Física

    Mas a teoria de Newton não foi bem aceita em sua época: era difícil
entender como a Terra poderia exercer uma força sobre a Lua, se elas
não estavam em contato. Como estender o conceito de gravidade, bem
conhecido na Terra para corpos do espaço celeste? Como poderia o Sol,
apenas pela sua presença, manter os planetas em suas órbitas? Somente
mais tarde se introduziu o conceito de campo gravitacional, a partir dos
estudos de fenômenos elétricos e magnéticos realizados por Michael
Faraday (1791-1867) (ver o capítulo 13 ­ "Campos eletromagnéticos").
    O mundo na época de Newton, vivia uma transição, pois, com ex-
ceção da propriedade rural, quase toda a riqueza estava nas mãos da
burguesia. A prosperidade burguesa tornava-a classe dominante, con-
trolando praticamente todo sistema de produção. No entanto, ainda
deparavam com a falta de privilégios políticos que a eles eram vetados
devido aos entraves que restavam do feudalismo.

     O status de nobre ou de gentil homem era inconcebível sem uma propriedade. Na maioria dos
 países da Europa Ocidental, essa ordem feudal era implícita. No entanto, a obsolescência econômica,
 que fazia com que os rendimentos dos nobres e cavaleiros fossem ficando cada vez menores, tornava
 seu único bem econômico inalienável, os privilégios de status e de nascimento. A burguesia não tinha
 esses privilégios. (Adaptado de: HOBSBAWM, 1977, p.35)


    Especialmente na França, a sociedade era dividida em três grandes
classes: o clero, os nobres e o povo. Mesmo as classes, internamente,
possuíam níveis de poder. Por exemplo, o clero era dividido em clero
superior, os que tomavam as decisões e que detinham grandes privilé-
gios, e o clero inferior, representado pelos padres das Igrejas. Por isso,
era preciso desafiar a razão e a autoridade dos reis e, é assim que sur-
ge, na França, o Iluminismo, um projeto que visava romper com a tra-
dição e construir uma sociedade pautada na razão.
    A Lei da Gravitação Universal de Newton, ao unir céu e Terra às
mesmas leis, tira do controle celeste de Deus, conforme a interpre-
tação da Igreja. Por isso, passa a ser adotado pelo iluminista Voltaire
(1694-1778), que passa a estudar a obra de Newton e, em 1738, publi-
ca a obra "Elementos da Filosofia de Newton", contribuindo para tor-
nar Newton conhecido para além das fronteiras inglesas.

     Newton não tem nem pretende ter uma explicação para a origem do universo ou do Sistema Solar.
 Ele abandona toda tentativa de explicação puramente natural e afirma que a ordem que se observa no
 Sistema Solar vem da inteligência divina.
     Newton não faz nenhum estudo propriamente cosmológico, isto é, sobre o universo como um todo.
 Ao utilizar a teoria da gravitação, ele assume, sem discussão, que as estrelas estão muito afastadas do
 Sistema Solar e que, por isso, não é preciso levar em conta sua influência sobre os planetas do nosso
 sistema. Também assume que as estrelas estão muito distantes umas das outras e que a sua atração
 é mínima; por isso elas não se aproximam umas das outras. (MARTINS, 1997, p. 89)



                                                                                    GravitaçãoUniversal      27
       EnsinoMédio



                     DEBATE

        O movimento iluminista utiliza-se das idéias presentes na síntese elaborada por Newton para a
     construção de sua desejada sociedade racional.
        No entanto, o texto anteriormente colocado mostra a análise do historiador das ciências Roberto
     de Andrade Martins, da Teoria da Gravitação de Newton.
        O Newton apresentado pelo historiador era puramente racional?



                                 De fato, tratar os movimentos celestes, a partir da gravitação de
                             Newton, passa a ter o mesmo tratamento racional que os terrestres. O
                             astrônomo inglês Edmond Halley, contemporâneo de Newton, utilizou
                             a formulação matemática da gravitação para os cometas. Assim, conse-
                             guiu prever a aparição de um cometa (visto pela última vez em 1682,
                             que julgou ser o mesmo visto em 1531 e 1607) para 1758. O cometa re-
                             apareceu conforme previsto, com um pequeno erro em dias. Por isso,
                             ele recebeu o nome de Halley, em homenagem ao astrônomo.
                                 Um grande trunfo da teoria de Newton foi a descoberta do planeta
                             Netuno, antes mesmo dele ser observado. Como o movimento de Urano
                             não coincidia com os cálculos matemáticos, suspeitou-se que um outro
                             planeta (na realidade a sua massa), causasse esta não coincidência
                             entre a teoria e a realidade. Da mesma forma, perturbações na órbita
                             calculada para Netuno apontaram para a existência de mais um planeta,
                             no caso, Plutão, hoje não mais considerado um planeta.
                                 De fato, a massa gravitacional é a propriedade do corpo responsá-
                             vel pela força gravitacional que ele exerce sobre o outro corpo.
                                 Assim, a força que a Terra exerce sobre um corpo em sua vizinhança
                                                 MT .mG
                             é dada por: F = G          , na qual MT é a massa gravitacional da Terra,
                                                  RT2
                             mG é a massa gravitacional do corpo em questão e RT é a distância
                             entre a Terra e o corpo.
                                 Entretanto, a massa inercial é a propriedade do corpo que mede a
                             sua resistência à aceleração, e pode ser obtida através da segunda lei
                             de Newton, para o movimento, a qual também pode ser expressa pe-
                                                             F
                             la equação matemática: m = a , na qual F é a força aplicada no corpo
                             de massa m, o qual adquiriu uma aceleração a.
                                 Mas verifica-se, experimentalmente, que as massas gravitacional e
                             inercial de um corpo são iguais, e é por isso que qualquer corpo em
                             queda livre, próximo à superfície da Terra, sofre a mesma aceleração,
                             desprezando-se a resistência do ar. Observe a seguinte demonstração:



28   Movimento
                                                                                                                     Física

a aceleração de queda livre (livre do atrito com o ar), de um corpo nas
vizinhanças da superfície da Terra, pode ser obtida por
                                  F       GMT      mG
                             a=     =              m
                                  m       RT2

     Se a gravidade fosse apenas uma outra propriedade da matéria, como a cor ou a dureza, seria razoável es-
                   mG
 perar que a razão m dependesse de fatores como a composição química do corpo, ou a temperatura do cor-
 po ou outras características físicas do corpo. A aceleração da queda livre seria então diferente para diferentes
                                                                                                              mG
 corpos. O fato experimental, no entanto, é o de a ser igual para todos os corpos. Isto significa que a razão m
 é a mesma para qualquer corpo. Se este for o caso, não há necessidade de manter a distinção entre mG e m
 e podemos fazer mG = m. (Isto corresponde a fazer a razão igual à unidade, o que determina o valor e as unida-
 des de G, na lei da gravitação universal (TIPLER,1995, p.12).

    Com a teoria da gravitação, Newton conseguia explicar porque a Lua
estava em órbita em torno da Terra e em seu Principia ele fez uma ilustra-
ção que mostrava como colocar um satélite artificial em torno da Terra.
    Para escapar do campo gravitacional da Terra, basicamente, é ne-
cessário levar o satélite (através de foguetes) até uma certa altura e de-
pois ser lançado horizontalmente com uma determinada velocidade,
chamada velocidade de escape, que lhe permita entrar em órbita. As-
sim, o satélite estará continuamente sobre a influência da gravidade da
                                                                                         Curvatura espaço tempo em torno
Terra e permanecerá em órbita.                                                           de uma massa formando um cam-
    Mas, até mesmo a teoria da gravitação de Newton, que conseguira                      po gravitacional. Fonte: http://wiki-
                                                                                         pedia.org/wiki/Gravidade
unificar os fenômenos de céu e da Terra, interpretando desde a queda
dos corpos até a órbita dos planetas, tinha as suas limitações. Durante
mais de dois séculos, a teoria de Newton foi suficiente para explicar a
maioria dos fenômenos celestes. No entanto, fenômenos que envolvem
velocidades próximas a da luz não respeitam os princípios da mecânica
newtoniana. Neste caso, é preciso aplicar a teoria da gravitação de Albert
Einstein (1831-1879), mais conhecida como Teoria da Relatividade Geral
(para diferenciar de sua outra teoria, a da Relatividade Restrita).
    Ou seja, a gravitação que com Newton era entendida como uma
força atrativa entre massas e instantânea, com Einstein passa a ser con-
cebida como uma propriedade do espaço-tempo não-euclidiano.

     No espaço-tempo einsteiniano, os corpos não se deslocam mais em linha reta, como no espaço
 usual, mas segundo geodésicas, que são as linhas mais curtas que ligam um ponto a um outro na esfe-
 ra. Ou seja, a transição de uma geometria plana (euclidiana) para uma geometria multidimensional (não-
 euclidiana) provoca uma curvatura do espaço. (Adaptado de RIVAL, 1997, p.117 e p.119)

    A teoria de Einstein também previu a existência dos buracos negros,
sistemas que absorvem toda a radiação que nelas incidem.
   Mas você sabe o que é um buraco negro?


                                                                                            GravitaçãoUniversal                  29
       EnsinoMédio


                                                                          A Figura ao lado mostra um bura-
                                                                      co negro. Essencialmente, trata-se de
                                                                      uma região do espaço dentro da qual
                                                                      a matéria caiu e nada pode escapar;
                                                                      dentro de um buraco negro a gravida-
                                                                      de é tão poderosa que nem mesmo a
                                                                      luz pode se mover para fora. O termo
                                                                      "negro" é altamente apropriado, pois
                       http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap060427.html
                                                                      se nem a luz pode emergir de dentro
                      de um buraco negro, ele deve ser uma entidade inteiramente negra; o ter-
                      mo "buraco" também é adequado, uma vez que ilimitadas quantidades de
                      matéria ou energia podem cair nele e, neste sentido, é como um abismo
                      sem fundo. (Adaptado de NICOLSON, 1981, p. 129)


                         Muito da Física nasceu da Astronomia, necessidade posta pelas gran-
                     des navegações. Foram as observações dos astros celestes que condu-
                     ziram aos trabalhos de Galileu, Copérnico, Kepler, Tycho, Newton e
                     outros. Mas, no final do século passado, o caminho se inverteu, e fo-
                     ram os avanços na Física teórica que permitiram o desenvolvimento
                     nas áreas de Astrofísica e Cosmologia.
                         A teoria da gravitação de Einstein foi capaz de prever o desvio de
                     luz de algumas estrelas, ao passar próximo ao Sol. Segundo a teoria
                     de Einstein, esse desvio não é causado pela força de atração, mas
                     como o espaço em volta do Sol está deformado, o raio de luz apenas
                     acompanha a curvatura existente. A confirmação experimental de que
                     o Universo é curvo só foi possível em 1987.
                         De acordo com Hallyday (1994), fazendo uma retrospectiva sobre
                     gravitação, os estudos de Galileu, a teoria de Newton e a de Einstein
                     que prevê duas possibilidades para o futuro, a expansão infinita do
                     Universo até um certo limite e depois, a contração do mesmo até voltar
                     ao estado inicial, a história da gravitação está longe de chegar ao fim.
                         Lembra-se de nosso questionamento inicial? Será que agora você
                     pode respondê-lo? Aparentemente, ao passar por um campo gravita-
                     cional muito forte, a luz tem a sua trajetória modificada.

                                 Existiria um campo gravitacional, suficientemente
                                           forte, a ponto de aprisioná-la?




30   Movimento
                                                                                                  Física

 Referências
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 Record Cultural, 1996.
 DIAS, M. C.; SANTOS, W. M. S.; SOUZA, M. T. M. A Gravitação Universal. In:
 Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 26, n. 3, p. 257-271, 2004.
 HOBSBAWM, E. J.. A Era das Revoluções. 19. ed. São Paulo: Paz e Terra,
 2005.
 MARTINS, R. de A.. O Universo ­ Teorias sobre sua origem e evolução. São
 Paulo: Editora Moderna, 1997. Coleção Polêmica.
 NICOLSON, I. Gravidade, Buracos Negros e o Universo. Rio de Janeiro:
 Editora Francisco Alves, 1981.
 NOGUEIRA, S. Prisioneiros de Aristóteles. In: www1.folha.uol.com.br/
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 ROCHA J. F.. Origens e Evolução das Idéias da Física. Salvador: EDFBA,
 2002.
 TIPLER, P. Física. Vol.2. 3 ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos,
 1995.


 ObrasConsultadas
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 Physics. John Wiley & sons, Inc. and Smart Books, Inc. Fourth edition, 1994.
 RIVAL, M. Os Grandes Experimentos Científicos. Rio de Janeiro: Jorge
 Zahar Editor, 1997.
 SINGER, P. O Capitalismo ­ sua evolução, sua lógica e sua dinâmica. São
 Paulo: Moderna, 1987.
 TIPLER, P. Física. Vol.3. 3. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos,
 1995.




                                                                                   GravitaçãoUniversal     31
       EnsinoMédio




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                                                                                                                          2
                                                            DEScRIÇÃO cLáSSIcA
                                                              DOS mOVImENTOS:
                                                           INéRcIA E mOmENTUm
                                                                                                             Marina de Lurdes Machado1

                                                                  "Com licença, este é o Instituto de Mecânica?" Alice perguntou, mais
                                                           para puxar conversa. Pelo cartaz já sabia que era.
                                                                 "Sim, minha cara", disse o mais alto e impressionante dos dois. "Eu sou
                                                           um Mecânico Clássico do Mundo Clássico, e estou visitando meu colega,
                                                           aqui, que é um Mecânico Quântico. Qualquer que seja seu problema, tenho
                                                           certeza de que um de nós poderá ajudá-la. É só esperar até que terminemos
                                                           nossas jogadas."
                                                                 Ambos se viraram para a mesa de bilhar. O Mecânico Clássico mirou com
                                                           cuidado, considerando as ínfimas partes de todos os ângulos envolvidos.
                                                           Finalmente, deu a tacada bem à vontade. A bola bateu e voltou numa
                                                           impressionante série de ricochetes e acabou por entrar em colisão com a
                                                           bola vermelha, que foi parar com precisão dentro de uma das caçapas. "Ai
                                                           está", exclamou com satisfação ao tirar a bola de dentro do buraco. "É assim
                                                           que se faz, está vendo? Observação cuidadosa e exata, seguida de ação
                                                           precisa. Procedendo assim, você obtém o resultado que escolher."
                                                                 Seu companheiro não respondeu, tomou seu lugar na mesa e fez um
                                                           movimento vago com o seu taco. Após suas experiências anteriores, Alice não
                                                           ficou surpresa ao ver a bola disparar em todas as direções ao mesmo tempo,
                                                           e não havia lugar na mesa onde ela pudesse dizer com certeza que a bola não
                                                           havia estado, embora não pudesse dizer igualmente onde a bola havia estado.
                                                           Após um intervalo, o jogador olhou dentro de uma das caçapas, enfiou a mão
                                                           e tirou a bola vermelha.
                                                                 "Se não se importa que eu faça uma observação", disse Alice, "parece
                                                            que você joga de forma muito diferente."
                                                                 "É isso mesmo", respondeu o Mecânico Clássico. "Odeio quando ele dá
                                                            tacadas desse jeito. Gosto que tudo seja feito com muito cuidado e precisão
                                                            e que todos os detalhes sejam planejados antecipadamente. Contudo",
                                                            acrescentou, "imagino que você não tenha vindo aqui para nos ver jogar
                                                             bilhar, por isso, pode nos dizer o que é que quer saber."
                                                                                                                            Robert Gilmore

                                                                             Alice está vivendo uma nova aventura, agora no
                                                                             País do Quantum. O que a intriga tanto?
1
    Instituto de Educação do Paraná Prof. Erasmo Pilotto - Curitiba - PR

                                                                           Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.                   33
           EnsinoMédio

                                                                            Em 1686, em Cambridge, na Inglaterra, Isa-
                                                                       ac Newton publica a primeira edição da obra
                                                                       Princípia mathematica philosophiae natura-
                                                                       lis, o Principia, onde estão colocados os funda-
                                                                       mentos da mecânica. Essa mecânica nos permi-
                                                                       te entender como e porque os objetos e carros
                                                                       se movem, as marés, as trajetórias dos plane-
                                                                      tas ao redor do sol. Enfim, nos possibilita enten-
                                                                      der nosso mundo macroscópico cotidiano, nos-
                                                                      so mundo humano.
                                                                          Newton nasceu em 1642, segundo o calen-
                                                                     dário Juliano, em Woolsthorpe, cidade localiza-
                                                                     da no noroeste da Inglaterra. Nesse país, na se-
                                                                     gunda metade do século XVII, se concentrava a
                                                                     maior parte da atividade comercial e manufatu-
                                                                    reira da Europa. Era o início do capitalismo ma-
                                                                   nufatureiro, que se utilizava da formação de um
                                                                  mercado mundial decorrente das grandes navega-
                                                                ções. Esse modo de produção se oficializa quando em-
                                                              presários empregam um certo número de artesãos que
                                                         passam a produzir em massa para os novos mercados que
      Selo alemão distribuído em 1993           surgiam e derrubavam barreiras locais e regionais para além das fron-
      em comemoração ao 350o aniver-        teiras européias.
      sário de |saac Newton. Em verme-
      lho, no canto superior esquerdo,           A Inglaterra também havia se utilizado da reforma desencadeada
      está a expressão matemática pa-       no século XVI por Martinho Lutero (1483-1546), na Alemanha. O rei in-
      ra o Impulso. No canto superior di-
      reito a data de nascimento e morte    glês Henrique VIII, para lutar contra a proibição de seu segundo casa-
      de Newton, segundo o calendário       mento, funda a Igreja Anglicana. Essa igreja aceitava a idéia de que a
      Gregoriano. Mas há outro calendá-
      rio, o Juliano, no qual a data de
                                            verdade a respeito da natureza estava ao alcance do homem. Esse foi
      nascimento e morte de Newton é        um dos fatores que contribuiu para a migração de muitos cientistas e
      (1642-1727). Fonte: http://tigre.     técnicos de outras regiões da Europa para a Inglaterra, pois lá a ciên-
      ucr.edu/dipen/stamps/newton
                                            cia encontrou um espaço para se desenvolver, contrariando o dogma-
                                            tismo católico.
                                                 Mas, uma obra do porte do Principia não poderia ser obra de uma
                                            única pessoa. Ao contrário, carrega uma síntese de algo que já se co-
                                            nhecia ou se pensava conhecer. Esse parece ser um dos grandes méri-
                                            tos da obra de Newton.
                                                 De fato, parece que o próprio Newton dizia que se pôde chegar lon-
                                            ge é porque havia se apoiado em ombros de gigantes. No texto Gravita-
                                            ção Universal, escrito pela Professora Júlia Tieko Fujimoto, você poderá
                                            encontrar muitas das idéias de alguns desses gigantes, na verdade, ho-
                                            mens que buscavam solucionar os problemas do seu tempo, que con-
                                            triubuíram para que Newton elaborasse a sua teoria gravitacional.
                                                 Mas para a elaboração do Princípio da Inércia, sem dúvida alguma, os
                                            trabalhos de Galileu Galilei (1564-1642) merecem destaque especial.



34     Movimento
                                                                                                 Física

    Na época de Galileu acreditava-se na necessidade da ação contínua
de um motor (uma ação sobre o corpo) para que o movimento existis-
se, uma idéia que perdurava desde Aristóteles.




                ATIVIDADE

     Uma experiência interessante ...
     Utilize de um plano inclinado (pode ser um pedaço de madeira levantado de um dos lados) e um ob-
 jeto qualquer (pode ser uma bolinha de gude).
 a) Inicialmente mantenha a inclinação do plano positiva, isto é, ascendente. Solte o objeto. O que
    acontece com a velocidade desse objeto? E se a inclinação for descendente, a conclusão seria a
    mesma?
 b) E se o plano for mantido com inclinação nula? Qual seria o comportamento de sua velocidade? Dis-
    cuta com seus colegas.
     Elabore um relatório da experiência com suas conclusões.



    Ao realizar experiências com o plano inclinado, Galileu constatou
que a gravidade produzia aceleração em um corpo. Essa aceleração,
contrariamente ao que se pensava, não dependia da velocidade. Con-
clui que sob a ação de uma força constante, no caso a força da gravi-
dade, o espaço percorrido por um corpo é proporcional ao quadrado
do tempo empregado e que esse corpo se desloca de modo que a sua
velocidade, em todo instante, é proporcional ao tempo empregado.
    Existiria a possibilidade do movimento de um corpo sem a ação
contínua de um motor? Pois foi o que Galileu parece ter percebido
com suas experiências.
    Galileu não chegou a Lei da Inércia tal qual é conhecida hoje.
Na verdade ele viveu em um mundo que transitava entre as idéias
aristotélicas e a fé religiosa, tão presentes ainda em sua época, e a
nova física que parecia contrariar o que se acreditava até então. Mas, o
terreno estava preparado para que, Issac Newton, nascido no ano que
Galileu morreu, fizesse a primeira grande unificação da Física. Essa
unificação reuniu fenômenos terrestres e celestes, que passam a ser
regidos pelas mesmas leis.
    A análise de algumas partes do Principia talvez nos ajudem a com-
preender o "Instituto da Mecânica".
    No prefácio de Newton presente na primeira edição do Principia,
de maio de 1686, está o esboço do que seria a nova mecânica.




                                              Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.            35
          EnsinoMédio


           Já que os antigos consideravam a ciência da mecânica da maior importância na investigação das coi-
       sas naturais, e os modernos, rejeitando formas substanciais e qualidades ocultas, têm-se esforçado para
       sujeitar os fenômenos da natureza às leis da matemática, cultivei a matemática, neste tratado, no que ela
       se relaciona à filosofia. Os antigos consideravam a mecânica sob dois aspectos: como racional ­ a qual de-
       corre rigorosamente de demonstração ­ e prática. À mecânica prática pertencem todas as artes manuais,
       das quais a mecânica tomou seu nome. Mas como os artesãos não trabalham com rigor perfeito, diferen-
       cia-se a mecânica da geometria, o que é perfeitamente precioso é chamado geométrico, o que é menos
       rigoroso é chamado mecânico. No entanto, os erros não estão na arte, mas nos artesãos. (Newton, 1686).

        Os artesãos tinham técnicas especiais para a produção de bens, mas não utilizavam a mate-
     mática. Essa era a crítica de Newton, para o qual a descrição de linhas retas e círculos perten-
     ce à mecânica. Isso não era possível sem a matemática.
           Durante muito tempo o movimento dos corpos eram atribuídos a qualidades dos corpos.
                  Os efeitos sobre os corpos eram decorrentes dessas qualidades. Mas não se sabia
                         de onde ou como os corpos recebiam essas qualidades.
                                   Coube aos gregos, provavelmente por volta dos séculos VII e VI
                                           a.C., o esforço na tentativa de racionalização e busca de
                                           afastamento dos mitos. Mas as preocupações eram com o
                                            princípio de todas as coisas e a busca da origem e da na-
                                            tureza do universo. No entanto, filosofia e ciência conti-
                                               nuam juntas até que a Idade Moderna as separa.
                                                       A ciência moderna herdou de seus antepas-
                                                       sados, como Galileu e René Descartes (1596-
                                                        1650), um objeto de investigação e um méto-
                                                        do para realizá-lo.
      WILLIAM BLAKE. Newton, 1804-5. Aquarela, 46 x 60 cm; Tate Britain,
      Londres, Inglaterra. O compasso representa a Geometria e a Matemática.


          Galileu foi levado a renegar suas convicções por um tribunal da inquisição, mas este poder arbitrário já
       começava a declinar; surgiam mudanças econômicas e políticas que anunciavam o turbilhão de transformações
       que não parou mais, com a ampliação da sociedade mercantil e com as revoluções industriais. René
       Descartes (1596-1650), filósofo seu contemporâneo, também propunha que a mesma ciência desse conta
       dos mundos supralunar e sublunar, separados na tradição aristotélica. É justo tomar Galileu e Descartes
       como marcos da modernidade e do que se conhece hoje como ciência (Adaptado de: MENEZES, 2005, p.18).


            Não se deve encarar Descartes como um gênio isolado, que tenha surgido como um fungo
       matinal, da noite para o dia. Descartes foi preparado por um vasto movimento, que mergulha suas
       raízes na própria Idade Média e se estende até o século XVI. Este movimento ficou conhecido como
       Humanismo Renascentista.
          No seio da cultura ocidental, o Humanismo (segunda metade do séc. XIV e primeira metade do
       séc. XV) e a Renascença (segunda metade do séc. XV e século XVI) constituem dois momentos de
       um mesmo processo que se notabilizou por buscar, sublinhar e favorecer tudo o que aperfeiçoasse
       o homem intelectualmente e praticamente. Nele, o indivíduo é visto como "valor absoluto" a natureza
       como seu "reino", a história como sua "criação" e a arte como expressão de sua "superioridade" sobre
       os demais seres da criação. Assim, vai desaparecendo o complexo humano de inferioridade.


36     Movimento
                                                                                                         Física


     Enquanto um ser que contempla e age, o homem é semelhante a Deus. A razão torna-se a
 instância privilegiada de busca de sentido para as coisas em geral. A fé vai perdendo sua exclusividade
 e a filosofia declara sua autonomia diante da teologia. Pela primeira vez, desde os primórdios do
 cristianismo, as questões filosófico-científicas são tratadas sem apelo ao elemento religioso.
                                                                      ( Adaptado de: HRYNIEWICZ, 2001, p.353).



   De fato, Descartes, que em latim se chamava Cartesius, viu uma
época em que se aperfeiçoavam técnicas de fabricação de instrumentos
e objetos de precisão. O comércio, em pleno desenvolvimento, daria
origem ao capitalismo comercial e o poder da Igreja começava a entrar
em decadência. Ele também viveu a Revolução Científica propiciado
pelo Renascimento, e foi influenciado pelo pensamento de Copérnico
(1473-1543), Johannes Kepler (1571-1630) e Galileu. Esse último foi o
primeiro a usar a observação empírica e a matemática para descrever
os fenômenos da natureza. Por isso não podemos enxergar Descartes
como um gênio isolado.



                ATIVIDADE

     Na tradição aristotélica o universo era dividido em duas partes: supralunar, formado pelos corpos
 que ficam acima da esfera da lua e, sublunar, formado pelos corpos que ficavam abaixo da esfera da
 lua. Agora, céu e terra passam a ser sujeitas às mesmas leis.
    Que conseqüências trouxe para a cosmologia a geometrização do espaço e a matematização dos
 fenômenos físicos propostos por Galileu?



    Descartes procurou estabelecer um método para se chegar ao co-
nhecimento de todas as coisas. Ao instituir o racionalismo, ele instau-
ra a dúvida. É preciso contestar, evitar a pressa e a prevenção. Os fe-
nômenos deveriam ser divididos em tantas parcelas quantas fossem
possíveis e necessárias, buscando a melhor solução possível. A condu-
ção de um estudo deve ser por ordem de pensamento, iniciando pe-
los mais simples e fáceis, para galgar, aos poucos, outros degraus, até
o mais composto. Em seguida, deve-se efetuar as relações das partes
com o todo de forma a chegar ao mais geral possível do fenômeno.
    Apesar de acreditar que existem algumas coisas impossíveis de se-
rem investigadas devido ao limite imposto pela nossa intuição, as quais
considera que devem ser abandonadas pois seria um trabalho supér-
fluo e vão, Descartes acredita no racionalismo para se chegar ao en-
tendimento da maioria dos fenômenos. Para ele as razões acima seriam
suficientes para que nada ficasse oculto sem que fosse revelado. Veja
o que ele coloca no Discurso do Método:

                                               Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.                   37
          EnsinoMédio


          "Essas longas séries de razões, todas simples e fáceis, que os geômetras costumam utilizar pa-
      ra chegar às suas mais difíceis demonstrações, tinham-me dado a oportunidade de imaginar que to-
      das as coisas com a possibilidade de serem conhecidas pelos homens seguem-se umas às outras
      do mesmo modo e que, uma vez que nos abstenhamos apenas de aceitar por verdadeira qualquer
      uma que não o seja, e que observemos sempre a ordem necessária para deduzi-las umas das ou-
      tras, não pode existir nenhuma delas tão afastada a que não se chegue no final, nem tão escondida
      que não se descubra". (René Descartes)


                                               O método de Descartes, o método cartesiano, coloca a sua crença
                                           na matemática. É um método analítico e reducionista. Ao dividir o do
                                           todo em partes, recorre à análise e estuda cada parte do todo para co-
                                           nhecer a sua natureza, por isso é analítico. Ao decompor o fenôme-
                                           no complexo em seus termos mais simples e considerá-los mais funda-
                                           mentais do que o próprio fenômeno, torna-se reducionista.
                                               Newton encontra uma sociedade já preparada para aceitar o ato de
                                           conhecer já não tão dependente de Deus. O homem de sua época tam-
      René Descartes (1596-1650).
      Publicou em francês, em 1637,
                                           bém já estava acostumado aos mecanismos mecânicos que funciona-
      o Discurso do Método, famoso         vam com precisão, como por exemplo os relógios.
      tratado de Filosofia e Matemáti-
      ca. Fonte: http://pt.wikipedia.org
                                               A mecânica racional de Newton será a ciência dos movimentos que,
                                           conforme ele mesmo diz, resultam de quaisquer forças, e das forças exi-
                                           gidas para produzir quaisquer movimentos, rigorosamente propostas e
                                           demonstradas. As forças são as causas de todos os movimentos.
                                               Essa passa a ser a melhor forma de filosofar: ao analisar um fenô-
                                           meno selecionado, devemos deduzir as forças da Natureza e as leis de
                                           forças mais simples. A constituição do resto virá por síntese, ou seja,
                                           reunir todos os dados encontrados e integrá-los num todo consisten-
                                           te e coerente.
                                               Dessa forma, o fenômeno (o todo) selecionado acaba por não ser
                                           compreendido de uma forma orgânica, isto é, como se as partes não
                                           tivessem ligação entre si.
                                               O método cartesiano analítico de Descartes e a concepção mecani-
                                           cista da natureza dele derivado, influenciaram a ciência que se desen-
                                           volveria a partir daí. A crença na certeza do conhecimento científico
                                           proporcionado pela nova maneira de fazer ciência só seria abalada na
                                           virada do século XX, apesar de ainda hoje ser muito difundida a cren-
                                           ça na verdade infalível da ciência, refletida na cultura ocidental.
                                               Bom, vamos voltar ao Principia. A obra começa com oito defini-
                                           ções, seguidas das leis do movimento (três axiomas). Vejamos algumas
                                           dessas definições:


                                                "Definição I: A quantidade de matéria é a medida da mesma, obtida con-
                                            juntamente a partir de sua densidade e volume". (Newton, 1990, p.1)



38    Movimento
                                                                                                         Física

    Observe que Newton define a quantidade de matéria como o pro-
duto da densidade e do volume. Para ele essa quantidade seria a mas-
sa, a qual é conhecida através do peso de cada corpo, pois a massa é
proporcional ao peso. Na verdade quando ele fala em densidade, está
referindo-se ao peso do corpo, conforme consta no apêndice histórico
e explicativo do Principia, feito por Florian Cajori.

    "Definição II: A quantidade de movimento é a medida do mesmo, obtida
 conjuntamente a partir da velocidade e da quantidade de matéria". (Newton,
 1990, p.2)


   Para Newton o movimento do todo é a soma dos movimentos de
todas as partes. Assim, se dobrarmos a quantidade da matéria de um
corpo, mantendo sua velocidade, o movimento é duplo. Se dobrarmos
a quantidade da matéria de um corpo e, também dobrássemos a sua
velocidade então, seu movimento seria quádruplo. Esse movimento se
dá, sempre, na direção da velocidade do corpo.
   Em seguida, Newton define a força de inércia, a vis insita.

       "Definição III: A vis insita, ou força inata da matéria, é um poder de resis-
 tir, através do qual todo o corpo, estando em um determinado estado, man-
 tém esse estado, seja ele de repouso ou de movimento uniforme em linha
 reta". (Newton, 1990, p.2)


    O corpo possui esta força em virtude de sua massa que é uma quan-
tidade intrínseca da matéria, uma característica particular desse corpo.
    Após a definição de inércia, Newton procura mostrar a distinção
entre a inatividade da massa ou inércia da massa e a força de inativida-
de ou de inércia, colocando que a força de inércia em nada difere da
inércia da massa, a não ser pela nossa maneira de concebê-la.


      "Essa força [a vis insita] é sempre proporcional ao corpo ao qual ela pertence, e em nada difere da
 inatividade da massa, a não ser pela nossa maneira de concebê-la. A partir da natureza inerte da ma-
 téria, um corpo não tem seu estado de repouso ou movimento facilmente alterado. Sob esse ponto de
 vista a vis insita pode ser chamada, mais significativamente, de inércia (vis inertiae) ou força de inativi-
 dade. Mas um corpo só exerce essa força quando outra força, imprimida sobre ele, procura mudar sua
 condição". (Newton, 1990, p.2)


   Para Newton, a inércia da massa e a força são idênticas enquanto
poder de resistência que um corpo apresenta quando uma ação exter-
na à ele tenta mudar o seu estado de repouso ou movimento.
   Mas o que seria uma força imprimida sobre um corpo?


                                                    Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.              39
       EnsinoMédio


                                 "Definição IV: Uma força imprimida é uma ação exercida sobre um cor-
                              po a fim de alterar seu estado, seja de repouso, ou de movimento uniforme
                              em linha reta". (Newton, 1990, p.3)

                              Para Newton, a força imprimida representa a ação externa sobre
                            um corpo, mas ela não permanece no corpo quando termina a ação.



                     ATIVIDADE

     a) Se após a ação cessa a força imprimida sobre um corpo então, como manter o novo estado adqui-
        rido decorrente dessa ação?
     b) O que aconteceria a um corpo se ele fosse desprovido de massa inerte?



                                No Principia seguem-se outras definições que não trataremos nes-
                            te texto e, após elas, Newton enuncia os axiomas ou leis do movimen-
                            to. O primeiro axioma, conhecido como Lei da Inércia ou Primeira Lei
                            de Newton, diz:


                                  "Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento unifor-
                              me em uma linha reta, a menos que ele seja forçado a mudar aquele estado
                              por forças imprimidas sobre ele". (NEWTON, 1990, p. 15)


                               Essa propriedade do corpo de resistir a mudança de estado de movi-
                            mento chama-se inércia. Ou seja, é por inércia que um corpo tende em
                            permanecer em repouso e, é também por inércia que um corpo tende
                            a permanecer em movimento retilíneo e uniforme. Ou seja, para mudar
                            o estado de um corpo é necessário uma força externa a ele que vença
                            a sua inércia.
                               Durante muito tempo se acreditou na necessidade de uma ação
                            (que em Física chamamos de força) para manter um corpo em movi-
                            mento. Isso parece óbvio quando consideramos, por exemplo, uma
                            mesa: para tirá-la de um determinado lugar e transportá-la para outra
                            é necessário uma ação, isto é, empurrá-la. Mas ao cessarmos a ação a
                            mesa também pára.
                                Então a Lei da Inércia contraria o óbvio?
                               Bom, vamos agora pensar em outras situações como por exemplo
                            um jogo de futebol: um jogador chuta uma bola exercendo uma força
                            sobre ela. Mas, o pé do jogador não continua na bola após o chute e,
                            mesmo assim, ela continua em movimento por um certo tempo.


40   Movimento
                                                                                               Física



                 ATIVIDADE

    Num jogo de sinuca a bola continua em movimento após cessado a ação transmitida pelo taco atra-
 vés da mão do jogador. Pense em outras situações cotidianas e responda:
     Por que em algumas situações, mesmo quando acaba a ação da força o movimento não deixa de
 existir ou permanece durante um certo tempo? Reflita. Discuta com seus colegas.


   Lembra-se da experiência do plano inclinado? Galileu conclui que
quando não havia descida (plano descendente) ou subida (plano as-
cendente) não tinha aceleração, ou seja, a velocidade do corpo perma-
necia constante. Mas, no nosso dia-a-dia, percebemos que o corpo que
se movimenta em linha reta acaba parando.
   O que faz com que o corpo pare seu movimento numa superfície
horizontal? O que mais deve ser levado em conta?
    Ao descrever a preparação necessária para realizar a experiência
Galileu fala sobre o polimento das superfícies. Veja o que ele diz, na
citação de THUILLIER (1994): "Em uma régua, ou mais exatamente uma
viga de madeira, medindo cerca de seis metros de comprimento e com a
espessura de três dedos, cavamos um pequeno canal com pouco mais de
um dedo, perfeitamente retilíneo; em seguida o guarnecemos com uma
folha de pergaminho bem lustrosa, para torná-lo o mais escorregadio
possível, e deixamos correr sobre ele uma bola de bronze bem duro,
perfeitamente redonda e polida" (GALILEI, Citado por:THUILLIER, 1994, p. 120).
    Na verdade o que ele percebeu é que ao deslizarmos um corpo
sobre uma superfície surge uma outra força que atua sobre esse cor-
po que é o atrito. E é justamente o atrito que faz com os corpos pa-
rem e não a lei que está incorreta. Se não houvesse o atrito, os corpos
em movimento retilíneo e uniforme permaneceriam nesse movimen-
to eternamente.
    Mas como medir essa resistência?
    A medida dessa resistência do corpo é o seu momentum. Para
Newton, essa quantidade, denominada por ele de quantidade de mo-
vimento, é proporcional a sua velocidade. A massa, cuja propriedade é
resistir a mudança do estado de movimento, é a constante de propor-
cionalidade entre o momentum da partícula e sua velocidade.
    Assim podemos escrever:
                            Q = m. v (1)
   Essa quantidade é constante sempre que nenhuma força resultante
atue sobre o corpo, isto é, quando a força externa ao corpo é nula.



                                               Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.         41
       EnsinoMédio

                                  Você nada? Pratica remo ou já remou?

                                                                        Nas interações entre dois objetos
                                                                     sempre ocorre uma mudança no movi-
                                                                     mento de cada um.
                                                                        Nadar ou remar, por exemplo, é
                                                                     empurrar a água para trás. Quanto mais
                                                                     água é jogada para trás, mais rapida-
                                                                     mente o nadador ou o barco avançam.
                                     Quando afirmamos que um nadador empurra a água para trás e avança
                                 para frente e, que quanto mais água ele empurra, maior será a sua velocida-
                                 de, estamos afirmando que a velocidade do nadador tem uma direção e um
                                 sentido enquanto a velocidade da água tem a mesma direção mas sentido
                                 oposto. Da mesma forma podemos dizer que a velocidade de um avião tem
                                 a mesma direção que a velocidade do ar que ele desloca, porém o sentido
                                 de suas velocidades é oposto.
                                     Essas considerações permitem-nos atribuir à quantidade de movimen-
                                 to uma direção e um sentido. Isso porque leva em conta a direção e o sen-
                                 tido da velocidade dos objetos. O momentum de uma partícula (ou quanti-
                                 dade de movimento) é uma grandeza física vetorial pois, como a velocidade,
                                 necessita de informações a respeito da direção e do sentido além da inten-
                                 sidade para ficar perfeitamente caracterizado.
                                                                             (Adaptado de: USP/GREF, 4ª edição, p. 34)



                                  Então, devemos dizer vetor momentum da partícula ou vetor quan-
                              tidade de movimento da partícula. A equação 1 nos permite calcular o
                              módulo desse vetor.



                     ATIVIDADE

         Imagine a situação: você está no meio de uma pista de patinação, sozinho, parado. Nenhuma força
     externa atua sobre o seu corpo. A pista é muito lisa, o que o impossibilita de tentar caminhar sobre ela.
     O que você faria para sair da pista?
        Discuta com seus colegas o resultado.



                                 Dentro da teoria newtoniana a posição, a velocidade e a quantida-
                              de de movimento de um corpo podem ser determinadas com relativa
                              precisão. Em outras palavras, podemos dizer que qualquer grandeza
                              de movimento de uma partícula pode ser medida e descrita de modo




42   Movimento
                                                                                               Física

exato, inclusive sua energia. A medida dessas grandezas podem ser re-
alizadas de forma simultânea sem no entanto interferir no movimento.
Também está implícita a idéia de que a partícula em movimento des-
creve, antes de parar ou atingir um alvo, uma sucessão de pontos que
formam a sua trajetória.


                Ambos se viraram para a mesa de bilhar. O Mecânico Clássico mirou com
            cuidado, considerando as ínfimas partes de todos os ângulos envolvidos. Fi-
            nalmente, deu a tacada bem à vontade. A bola bateu e voltou numa impres-
            sionante série de ricochetes e acabou por entrar em colisão com a bola ver-
            melha, que foi parar com precisão dentro de uma das caçapas. "Ai está",
                                      exclamou com satisfação ao tirar a bola de dentro
                                      do buraco. "É assim que se faz, está vendo? Obser-
                                      vação cuidadosa e exata, seguida de ação precisa.
                                      Procedendo assim, você obtém o resultado que es-
                                      colher". (Gilmore, 1998, p.40-41)




                              Essas idéias mecanicistas carregam a idéia de certeza,
                           de precisão. Ou seja, o universo, tal qual um relógio,
                           funciona com precisão mecânica.
     Para a mecânica clássica, a posição e o momentum de uma par-
 tícula definem o seu movimento. Por isso, essas grandezas físicas
 são tão importantes para um mecânico clássico. Elas são o que cha-
 mamos de condições iniciais ou condições de contorno do fenô-
 meno em estudo.
    E agora, você já consegue imaginar o que tanto intrigou Alice?
    O que diria um mecânico clássico sobre isso diante do mundo
 subatômico? Fótons, elétrons... qual seria o seu comportamento?

               Como eu já disse, gosto das coisas claras, com a causa sendo seguida
           pelo efeito, com tudo muito claro e previsível. Para dizer a verdade, muitas coi-
           sas que acontecem aqui não fazem o menor sentido para mim, ele murmu-
           rou em tom de confidência. "Eu saí do mundo clássico só para dar uma volti-
           nha. Lá é um lugar esplêndido, onde tudo acontece com precisão mecânica.
           A causa é seguida do efeito de uma maneira maravilhosamente previsível, o
           que faz com que tudo faça sentido e que você saiba o que vai acontecer. E
           tem mais: os trens estão sempre na hora", acrescentou. (Idem, p. 42)




                                               Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.         43
        EnsinoMédio

                                           Felizmente, surgiram alguns mecânicos quânticos que se preocupa-
                                       ram em entender algumas coisas, as quais a teoria newtoniana parecia
                                       não ser suficiente para explicar, fenômenos fora do alcance de nosso
                                       mundo macroscópico. Dentre esses podemos citar Max Planck (1858-
                                       1947), Niels Bohr (1885-1962) e Werner Heisemberg (1901-1976).
                                            Heisemberg, ao estudar as teorias da luz de então, se viu diante
                                       de uma situação inusitada: a impossibilidade de medir, com precisão,
                                       as propriedades de uma partícula subatômico, como por exemplo, um
                                       elétron. Não é a mesma coisa que tratar do movimento de um carro,
                                       ou de uma bola de futebol.
                                           Na mecânica de Newton, conhecendo as condições de contorno de
                                       um corpo ou partícula (coordenadas de posição e momentum) é pos-
                                       sível saber, num tempo futuro, onde ele estará. No mundo subatômico
                                       essa previsibilidade torna-se uma impossibilidade. Em outras palavras,
                                       ao estudar o movimento de elétron não é possível dizer com precisão
                                       sua posição e velocidade ao mesmo tempo.
                                           Assim, não é possível determinar a posição e a quantidade de movi-
                                       mento de uma partícula subatômica ao mesmo tempo, ou o tempo do
                                       movimento e a energia nesse tempo. Quanto mais certeza se tem de
                                       uma medida, mais incerteza se tem da outra. Por isso, o máximo que po-
                                       demos é recorrer à interpretação probabilística da matéria estudar a pro-
                                       babilidade de se localizar uma partícula ou saber o seu momentum, o
                                       intervalo de tempo ou a sua energia nesse intervalo de tempo.
                                           Essa impossibilidade de se determinar com precisão as proprie-
                                       dades de uma partícula subatômica é conhecida como Princípio da
                                       Incerteza ou da Indeterminação e foi desenvolvido inicialmente pe-
                                       lo físico alemão Werner Heisemberg (1901-1976), em 1927. Segundo
                                       Heisenberg, esse princípio é traduzido matematicamente por:
                                                                            h
                                                                   x. p           (2)
                                                                            4
                                       onde:
                                        x: incerteza para a medida da posição
      Heisenberg (1901-1976) ­
      Trouxe grandes contribuições      p: incerteza para o momentum da partícula
      para a Mecânica Quântica.        h = 6,63 . 10-34 J.s é a constante de Planck.
      Fonte: http://pt.wikipedia.org
                                           A constante de Planck representa a mínima ação possível de ser co-
                                       locado na natureza. Essa constante representa o limite entre o mundo
                                       clássico e o mundo quântico.
                                           Uma outra formulação para o Princípio da Incerteza formulado por
                                       Heisenberg relaciona a incerteza na medida da energia com a incerteza
                                       na medida do intervalo de tempo em que essa energia é medida.




44   Movimento
                                                                                        Física

                                     h
                            E. t          (3)
                                     4
onde:
 E: incerteza para a medida da energia
 t: incerteza para o intervalo de tempo
   Mas o que querem dizer as expressões acima?
    O Princípio da Incerteza de Heisenberg nos coloca diante da im-
possibilidade de se conhecer simultaneamente a posição e a energia
de uma partícula subatômica pois ao se estudar uma dessas partículas
acabamos por interagir com ela interferindo e, dessa forma, influen-
ciando na medida. Mesmo que pudéssemos nos aproximar muito da
partícula, sua visão se tornaria muito difusa.
    O que a (Eq. 2) nos diz é que o produto da incerteza na medida da po-
sição ( x) de uma partícula e a incerteza associada ao momentum ( p) não
                                                           h
pode ser inferior a constante de Planck dividida por 4       . Da mesma
                                                          4
forma, analisando a (Eq. 3), o produto da incerteza na medida do tem-
po ( t) de uma partícula e a incerteza na medida da energia associada
a esse tempo ( E) não pode ser inferior a constante de Planck dividida
         h
por 4       .
         4
   Assim, quanto mais certeza tivermos na posição da partícula maior
a incerteza do seu momentum e vice-versa. Ou, olhando para a se-
gunda formulação, quanto mais certeza fosse possível para obtermos
a medida do intervalo de tempo maior seria a incerteza na medida de
sua energia ou o inverso.
   E agora? Se você fosse Alice o que faria no país do Quantun? Já sabe
o que tanto a intrigou?
   Os novos rumos da Física no passar do século XIX para o século
XX estão aí para nos mostrar que não existe verdade absoluta em
ciência e que conceitos e teorias hoje aceitos como verdades no futuro
podem estar limitados ou até serem substituídos por outros. O método
cartesiano, que tanto influenciou todos os ramos da ciência moderna,
ainda pode ser útil. Mas é preciso reconhecer suas limitações.




                                            Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.     45
       EnsinoMédio

                      Referências
                      DESCARTES, R. O Discurso do Método. Coleção Ediouro, 1986.
                      GILMORE, R.. Alice no País do Quantum. Rio de Janeiro: Jorge Zahar,
                      1998.
                      HRYNIEWICZ, S. Para filosofar hoje. 5ª Ed. Rio de Janeiro: Edição do autor,
                      2001.
                      NEWTON, Isaac, Princípia: princípios matemáticos de filosofia natural. Trad.
                      Triste Ricci...[et.al.]. São Paulo: Ed. Universidade de São Paulo, 1990.
                      THUILLIER, P. De Arquimedes a Einstein: A face oculta da invenção
                      científica. Rio de Janeiro: Jorge Jahar Editor, 1994.
                      UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO DE SÃO PAULO/USP. GRUPO DE
                      REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA/GREF. Física 1: mecânica. 4ª
                      Edição. São Paulo: Edusp, s/d.


                      ObrasConsultadas
                      CARPENTIER, J. LEBRUN, F. História da Europa. 1 ed. Trad. Manuel Ruas,
                      ed. Estampa: Lisboa, 1993.
                      CARVALHO, D. de.. História Geral ­ Idade Moderna. Vol. 3. Rio de Janeiro:
                      Record Cultural, 1996.


                      DocumentosConsultadosOnlInE
                      http://tigre.ucr.edu/dipen/stamps/newton.htm Acesso: 29 ago. 2006.




46   Movimento
                                                        Física



ANOTAÇÕES




            Descriçãoclássicadosmovimentos:inérciaemomentum.     47
       EnsinoMédio




48   Movimento
                                                                                              Física




                                                                                    3


                                                            TRAjETóRIAS
                                                                            Kleber Sebastião Juliani1



                                                            ançamento de martelo, você co-
                                                            nhece esse esporte?
                                                     Por que as trajetórias do martelo são
                                                     sempre em forma de parábola? Com-
                                                     portadas, não?
                                                     Por que o martelo, ao ser lançado pelo
                                                     atleta, não sai "por aí", dando voltas e
                                                     mais voltas?




Colégio Estadual Dr. Willie Davids - Londrina - PR
1



                                                                                        Trajetórias     49
       EnsinoMédio

                        Olançamentodemarteloeasprevisõessobre
                        suastrajetóriasedeslocamentos
                         O lançamento do martelo teve suas origens no folclore irlandês, re-
                     lacionado aos encantos produzidos na utilização da força e destreza
                     por seus heróis. Talvez por influência da origem, os campeões das pri-
                     meiras competições nessa modalidade foram Irlandeses.




                      Figura 1. Seqüência de posições de um atleta fazendo movimento para lançar o martelo. Adaptado de Técnicas
                      Atléticas, páginas 168 e 169.

                        Para a realização desse esporte, o atleta precisa girar o martelo, co-
                     mo ilustra a Figura (1), dentro de uma "... gaiola construída com a for-
                     ma de `U'. A abertura de saída deve ter 6m e estar distante 4,2 m à fren-
                     te do círculo" (Confederação Brasileira de Atletismo, 2004, p. 170). As faces são grades
                     de tela de arame ou corda de fibra natural com no mínimo 7 m de al-
                     tura. Interno a essa gaiola, existe um círculo de cimento, chamado de
                     anteparo, de onde o atleta não pode sair até finalizar o lançamento e
                     aguardar que o implemento atinja o solo. A Figura (2) mostra o aspec-
                     to da gaiola e do martelo utilizados.




                                         Figura 2: Modelo de gaiola para martelo e martelo. Adaptado de: Regras
                                         Oficiais de Atletismo, 2004. p.171.

                         Na realização desse esporte, o atleta gira o martelo de três a quatro
                     voltas. Depois disso, o martelo é lançado para que se desloque e caia
                     num determinado ponto do solo. A pontuação será maior quanto maior
                     for o alcance do martelo, desde que o lançamento tenha sido válido.

50   Movimento
                                                                                                 Física



                ATIVIDADE

    Você poderia construir seu próprio martelo. Que tal? O martelo pode ser construído com material
 simples, um saco plástico e areia.
    Com o seu martelo você pode organizar competições com seus colegas e professor. Busque as re-
 gras oficiais e discuta.



    Pensemos na seguinte situação: um competidor dessa modalidade,
visando melhorar seu rendimento, repete por diversas vezes o exercí-
cio de soltura. Em cada exercício ele tenta melhorar a qualidade de seu
lançamento, mas procura fazer cada um desses exercícios mudando a
inclinação (na largada) em relação ao plano horizontal. Ele sabe que
deve girar o martelo com "muita força" para ganhar o máximo de velo-
cidade, mas qual será a inclinação para o maior deslocamento?
    É certo que esses atletas adquirem habilidades para o desenvolvi-
mento dos exercícios, através dos treinos. Nós, ao contrário deles, fa-
remos aqui uma análise física, utilizando-se da Matemática, a fim de
estudar as direções em que as trajetórias poderão se projetar no lança-
mento do martelo. Mas como faremos isso?


  Velocidadesesuascomponentes
   O modelo que utilizaremos baseia-se numa análise atribuída a Galileu
Galilei (1564-1642). Segundo relatos:

      "Em suas pesquisas sobre o movimento, Galileu fazia balas de canhão rolarem em pranchas com
 diferentes inclinações e comparava as distâncias que atingiam ao caírem no chão. Notou que, a partir
 da borda da prancha, as balas não caiam em linha reta, mas faziam uma curva. Galileu media a distân-
 cia que elas alcançavam a partir da borda e media o tempo gasto no percurso. A trajetória curva des-
 crita é um tipo de parábola". (PARKER, 1996, p. 11)


    A partir desses estudos sobre o movimento parabólico, Gallieu con-
cluiu que quando um móvel realiza um movimento composto, cada
um dos movimentos componentes se realiza como se os demais não
existissem.
   Você deve estar se perguntando: que história é essa de movimento
composto?
   Na verdade, o movimento parabólico que vemos, tanto no caso do ti-
ro de canhão quanto no caso do lançamento de martelo, é resultado de
dois movimentos, um na horizontal e outro na vertical.


                                                                                           Trajetórias    51
       EnsinoMédio

                                O que queremos dizer é que consideramos a velocidade de lança-
                            mento como sendo o resultado da soma de duas componentes, uma
                            horizontal (Vx) e uma vertical (Vy). A soma das duas componentes tem
                            como resultado o comportamento parabólico mostrado na Figura (3).
                            Pense em algo que se movimenta para cima e para o lado ao mesmo
                            tempo. As duas velocidades comportam-se de maneira independente.
                                Na Figura (3), a velocidade de lançamento aparece esquematizada
                            em suas componentes, Vx e Vy. Vamos analisar o movimento em rela-
                            ção aos dois eixos: x que está associada à distância atingida pelo mar-
                            telo e y que está associada à altura atingida pelo martelo.
                                Mas por que é interessante fazer essa decomposição? Para respon-
                            der a essa pergunta, analisaremos o comportamento da velocidade
                            em cada eixo.

                                y                                           V =V
                                                                             2  2

                                                                  V         V =0
                                                                             y
                                                            V1y
                                                                   1
                                                                                                 Vx
                                                                                  Vx
                                                                  Vx
                                                                                           V3y
                                                                                                 V3
                                                                              H
                                     V
                              V0y     0
                                                                                                                              Vx
                                                                                                                                       x
                               0 Vx
                                                                                                                        V4y
                                                                                                                              V4
                                                                           alcance

                                     Figura 3: Representação da velocidade de lançamento (em vermelho) e suas componentes (em azul).


                                Iniciando com x:
                                Quais são as forças que agem, para o movimento na horizontal?
                                De acordo com a questão anterior, o movimento é uniforme ou uni-
                                formemente variado?
                                Agora para o eixo y:
                                O que acontece com a velocidade durante a trajetória na subida? E
                                na descida?
                                Existe alguma força agindo no martelo? Qual? Como?



                     DEBATE

        Discuta com seus colegas e professor as questões anteriores, antes de prosseguir na leitura!




52   Movimento
                                                                                                      Física

    Para o eixo x, como desconsideramos a resistência do ar, a velo-
cidade não varia e, ao longo da trajetória horizontal, temos um Movi-
mento Retilíneo Uniforme (MRU).
    Para o eixo y, a vilã é a força peso, ela faz com que a velocidade va-
rie, diminuindo na subida e aumentando na descida. De que maneira?
    O valor da aceleração da gravidade é em torno de 9,81m/s2 (variando
conforme a altitude), isso significa que a cada 1s, a velocidade aumenta
ou diminui 9,81 m/s, dependendo, é claro, do sentido da velocidade. Em
geral, consideramos que a aceleração é constante, assim, chamamos esse
movimento de Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV).
   Mas como obter a velocidade em cada eixo?
    Na Figura (4), temos a velocidade de lançamento do martelo num grá-
fico. Note que essa velocidade, representada pela seta vermelha, possui
inclinação tanto em relação ao eixo x quanto em relação ao eixo y. As
componentes da velocidade são obtidas pela sua projeção sobre esses ei-
xos. É como se buscássemos a sombra da seta vermelha em relação aos ei-
xos. Essas "sombras" estão representadas pelas setas azuis na Figura (4).


                  y                                                             Não perca o "fio da meada",
                                                                               é importante lembrar o objeti-
                                                                               vo do esporte. O atleta deseja
                                                                               lançar o mais longe possível
                                                                               o martelo, por isso estamos
                                           d e V0
                                       ida                                     tentando entender quais fato-
                                    loc                                        res influenciam nessa distân-
                                 ve
                                                                               cia. Daí a necessidade de en-
                  Vy
                                                                               tendermos o comportamento
                      0                                                        da velocidade.
                               Vx                                          x
                       Figura 4: Projeção da velocidade nos eixos x e y.


   A projeção em relação ao eixo x será chamada Vx, e é a que permane-
ce constante em nosso estudo. No que diz respeito ao eixo y, a projeção
será chamada de Vy, e é a componente da velocidade associada à altura.
   Mas qual é o valor de cada componente?
   Para saber o valor de cada componente precisamos recorrer a um
grupo de funções matemáticas chamadas Funções Trigonométricas.
Duas delas nos interessam especialmente: a função seno e a função
coseno.
   Há registros dessas funções nos estudos realizados por Hiparco
(194-120 a.C), estudioso que usava a técnica de medida de arcos atra-
vés de cordas.




                                                                                              Trajetórias       53
       EnsinoMédio

                         A Figura (5) mostra uma circunferência onde aparece um arco do
                     ciclo trigonométrico a com origem em A e extremidade em B. Chama-
                     mos de seno do arco a, a coordenada de B no eixo Y. Em outras pa-
                     lavras, o seno do arco AB, de medida a, pode ser interpretada como o
                     tamanho do segmento de extremidades O e B' (OB').


                                                                 y
                                                                 B'          B
                                   seno de a                                 a
                                                                                  A
                                                                  0                    x



                                    Figura 5: Seno de um arco a representado no ciclo trigonométrico.

                         O eixo OY é denominado eixo dos senos, cada arco sobre o ciclo
                     está associado a um valor nesse eixo por meio da função seno. A me-
                     dida do arco a da Figura (5) é igual ao que, costumeiramente, chama-
                     mos de ângulo, em geral representado por uma letra grega. Como o ci-
                     clo trigonométrico tem raio igual a 1, o valor da função seno varia de
                     -1 a 1, como na relação a seguir, em que aparece o seno um ângulo
                     qualquer: -1 sen       1
                         Podemos usar o mesmo raciocínio em relação ao eixo X e definir o
                     tamanho da projeção do arco a nesse eixo, como o coseno desse arco.
                     Assim como no caso anterior, o valor máximo da função coseno é 1.
                         Essas funções ajudam a relacionar a velocidade de lançamento (V)
                     às suas componentes. Se a velocidade de lançamento faz um certo ân-
                     gulo com a horizontal, então suas componentes ("sombras") nos ei-
                     xos X e Y, como mostra a Figura 4, serão obtidas através das funções
                     seno e coseno. Essas componentes aparecem nas equações (1) e (2).
                                                     V0x = V0 cos( )             (1)
                                                     V0y = V0 sen( )             (2)

                        Mas em que o conhecimento das componentes das velocidades ajuda
                     na questão do lançamento do martelo?
                       No lançamento do martelo, o atleta está preocupado em obter a
                     maior distância. Retomando o trabalho de Galileu:

                          "Galileu descobriu, através de testes e cálculos matemáticos, que pa-
                      ra uma bala atingir uma distância maior, o canhão deveria disparar apontado
                      para o alto com uma inclinação de 45 graus" (PARKER, 1996, p. 11).




54   Movimento
                                                                                            Física

     Então, como obter a maior distância?
     Em que inclinações o alcance será maior?
     Será que o atleta se preocupa com isso?
    Como temos dito, Vx e Vy são as porções da velocidade de lançamento
ao longo dos eixos x e y. Mas o que faremos com essas velocidades?
    Também já foi dito (calma, logo chegam novidades) que, no eixo
x (o da horizontal), a velocidade se mantém constante, enquanto que,
no eixo y (o da vertical), ela sofre variações devido ao efeito da ace-
leração da gravidade. Vamos analisar o comportamento da velocidade
na direção vertical.


   Obtendooalcance
   O que acontece quando você atira uma bolinha de gude vertical-
mente para cima? A seqüência mostrada na Figura (6) ilustra o compor-
tamento da velocidade na subida e na descida.




 Figura 6: Comportamento da velocidade num lançamento vertical.


    A bolinha sobe até certa altura e depois começa a cair. Mas qual é
a velocidade no topo da trajetória?
    Se a bolinha sobe e desce, significa que, no topo, a velocidade é nu-
la. Você pode verificar isso fazendo alguns lançamentos. Vamos usar es-
se fato para calcular o tempo de subida e descida do nosso martelo.




                        DEBATE

     Por que estamos interessados no cálculo deste tempo? Discuta com seus colegas e professor
  sobre o tempo em que se manifesta a trajetória. Observe que estamos lidando com o tempo de su-
  bida e descida, independentemente do que acontece no eixo X.




                                                                                      Trajetórias    55
       EnsinoMédio

                                Considerando a aceleração da gravidade constante, o comporta-
                              mento da velocidade na subida é descrito pela Equação (3):

                                                  Vy = V0 sen( ) ­ gt      (3)


                     PESQUISA

         A Equação (3) é aplicada no estudo de movimentos em que a aceleração é constante, note que es-
     sa equação é uma aproximação do comportamento da velocidade no eixo Y. Repare em dois detalhes
     importantes: a) fizemos uso da componente vertical da velocidade de lançamento, você sabe por quê?
     b) a aceleração da gravidade, g, aparece com sinal negativo. Qual o significado desse sinal nessa equa-
     ção? Faça uma pesquisa buscando entender o significado físico desses fatores.


                                  Considerando que no topo da trajetória a velocidade é nula e que o
                              tempo de subida é igual ao tempo de descida, podemos usar a Equação
                              (3) para calcular o tempo total em que ocorre a trajetória do martelo.
                              Lembra-se do debate proposto a pouco? Baseando-se nessas discussões
                              você mesmo pode fazer isso. Esse resultado aparece na Equação (4):

                                                              2V0
                                                         t=       sen( )     (4)
                                                               g

                                No eixo X, o comportamento do alcance é aproximado por meio de
                              uma equação do movimento retilíneo uniforme (MRU). Assim escreve-
                              mos o alcance (A) na horizontal por meio da Equação (5):
                                                          A = V0 cos( ) t        (5)


                     DEBATE

        Aparentemente a Equação (5) é um tanto diferente da equação característica do MRU (x = x0 + v0t).
     Discuta com seus colegas e professor sobre as diferenças entre a Equação (5) e a equação do MRU.



                                  Substituindo o tempo da Equação (4) na Equação (5), obtemos a
                              Equação (6), que é uma aproximação para o alcance na horizontal em
                              função da velocidade de lançamento e do ângulo de inclinação nes-
                              te lançamento.

                                                     A = 2V0 sen( ) cos( )
                                                            2
                                                                                       (6)
                                                          g




56   Movimento
                                                                                          Física

   Note que o aspecto da Equação (6) não é muito atraente. Por ve-
zes a elegância de uma teoria ou de um modelo está na simplicidade
e abrangência de suas equações, em geral, quando mais simplificadas
forem as formulações, maior é a beleza da teoria.
   Para simplificar um pouco a Equação (6), vamos recorrer a uma
propriedade do produto de funções trigonométricas que você pode
obter em qualquer texto sobre funções trigonométricas:

                          2 sen( )cos( ) = sen(2 )

   Fazendo uso dessa igualdade na Equação (6), obtemos uma expres-
são para o alcance, com uma "carinha" melhor, como é mostrado na
Equação (7):
                                    V0
                                     2
                          A=           sen(2 )               (7)
                                    g

   Agora temos uma expressão mais simples que representa a nossa
aproximação do alcance do lançamento do martelo.
   Lembra-se do resultado atribuído a Galileu para o tiro do canhão?
Será que a Equação (7) pode nos ajudar a confirmá-lo?
   Lembre-se de que havíamos dito que o valor máximo da função se-
no é 1. Mas que valor de nos fornece esse máximo?
   O ciclo trigonométrico da Figura (7) nos dá uma idéia do ângulo
que maximiza a função seno. Note que o valor do seno do arco cor-
respondente a 90 graus é justamente 1. Como o argumento da função
seno na Equação (7) é 2 , podemos dizer que o máximo do alcance
se dá quando a inclinação for de 45 graus, como apontou Galileu pa-
ra o caso de canhões.

                                             y
                                                         B
             seno de 90     o

                                                              A
                                             0                     x



                 Figura 7. Seno de noventa graus, obtido no ciclo trigonométrico.

   Para obter o melhor alcance, o atleta, em seus treinamentos, deve
buscar lançamentos com inclinações de 45 graus.




                                                                                    Trajetórias    57
       EnsinoMédio



                     PESQUISA

         A inspeção da Equação (7) mostra ainda que o alcance depende também do quadrado da veloci-
     dade de lançamento. No caso do martelo, o atleta deve combinar uma boa velocidade de lançamento
     com uma inclinação o mais próximo possível de 45 graus. Faça uma pesquisa a respeito do trabalho do
     atleta na tentativa de se obter uma maior velocidade de lançamento.


                                Só para refletir sobre as considerações que fizemos sobre o lança-
                              mento do martelo, leia o texto colocado na seqüência.


         Havíamos suposto que o ar, através do qual o martelo se movimenta, não exercia qualquer influên-
     cia sobre o seu movimento, uma hipótese razoável para velocidades baixas. Entretanto, conforme a ve-
     locidade cresce, a discrepância entre os nossos cálculos e o movimento real torna-se grande.
         Pode parecer surpreendente, mas nenhum problema de Física pode ser resolvido exatamente, a des-
     peito do número de algarismos significativos que a resposta calculada possa conter. O cálculo da órbita
     da lua envolve horas e horas de utilização do computador e ­ ainda que estes resultados sejam impressio-
     nantes e muito bons para todas as aplicações práticas ­ jamais se poderá dizer que eles sejam exatos.
         É sempre necessário fazer aproximações na resolução de problemas. O físico P. A. M. Dirac (1902
     ­ 1984) afirmou que o truque é dividir o problema em duas partes, uma das quais é simples e outra pe-
     quena. Você, então, resolve a primeira parte exatamente e faz o melhor possível com a parte pequena.
     Às vezes, a "pequena" parte é pequena o suficiente de modo a ser completamente desprezada, como
     fizemos com o ar para velocidades baixas. (Adaptado de: RESNICK e HALLIDAY, 1994, p. 55).




                     DEBATE

        Em nossos estudos, obtivemos uma aproximação para o alcance horizontal no lançamento do
     martelo. Note, uma aproximação. Discuta com seus colegas e professor sobre as limitações da
     equação obtida. Qual seria a influência da resistência do ar no alcance? Faria diferença se o lança-
     mento fosse feito ao nível do mar ou numa região de maior altitude?



                                 TrajetóriaseTrajetórias
                                  Será que o caminho percorrido pelo martelo é sempre o mais eco-
                              nômico em algum aspecto? Por que a parábola é bem comportada? Por
                              que o martelo não sai fazendo "piruetas"? Isso se dá pelo mesmo mo-
                              tivo que você sempre procura caminhos mais curtos para ir de um lu-
                              gar para outro.


58   Movimento
                                                                                                               Física

    Em seus trajetos, você busca a melhor relação custo benefício, ou se-
ja, menor caminho, menor tempo e menor gasto de energia. Em casos
como o lançamento do martelo, a natureza busca a mesma coisa, o que
se traduz na minimização de uma quantidade física, que pode ser escrita
como a diferença entre as energias de movimento (cinética) e potencial
envolvidas. Tal quantidade é denominada "ação do sistema".
    No século XIX, o filósofo e matemático William Rowan Hamilton
(1805-1865) propôs um "princípio dinâmico" a partir do qual seria
possível fundamentar toda a mecânica.
    Segundo Hamilton, as trajetórias de objetos físicos "minimizam" a
ação do sistema. Este é o "princípio da mínima ação". A trajetória do
martelo é uma parábola porque minimiza a sua ação.
    A natureza está sempre à busca desta minimização, ou seja, da me-
lhor relação custo benefício, em geral, isso se traduz no menor gasto
de energia.
    Como temos visto, o martelo segue apenas uma trajetória. Mas o
que aconteceria se, ao invés de um martelo, fosse um átomo?
    Note que diminuímos bruscamente o tamanho do objeto de estudo,
de um martelo ( 30 cm) para um átomo ( 10-10 m).
    Ao mudarmos do mundo macroscópico (martelo) para o mundo
microscópico (átomo), estamos passando do domínio da mecânica
clássica para o domínio da mecânica quântica, desenvolvida, sobretu-
do, na primeira metade do séc. XX.
    A mecânica quântica é uma teoria essencialmente probabilística. Para
um átomo sair de um ponto A e ir para um ponto B, existem infinitos ca-
minhos. É como se o martelo, ao sair da mão
do atleta, percorresse toda a vila olímpica an-
tes de chegar à marca final. Poderiam existir
outros infinitos caminhos, mas apenas um se
manifesta, o da parábola. No caso de um áto-
mo não é bem assim, existe uma certa proba-
bilidade de que outros caminhos, além da pa-
rábola, se manifestem.
    Considerando a probabilidade dos mui-
tos caminhos, Richard Feynman, propôs um
método para se calcular as probabilidades
de manifestação de cada caminho a ser se-
guido pelo átomo. O método de Feynman é
baseado na ação associada a cada caminho.
Quanto menor a ação, maior a probabilida-
de de manifestação do caminho.                   Figura 8: Três caminhos possíveis para uma partícula.




                                                                                                         Trajetórias    59
           EnsinoMédio

                                                Assim, o método permite a compreensão de como a mecânica
                                             quântica reproduz resultados da mecânica clássica. Dito de outra for-
                                             ma, o método de Feynman permite mostrar que a trajetória mais pro-
                                             vável para o martelo é a parabólica.



                                               Referências
      Figura 9: Richard Feynman (1918-
      1988), físico que deu significativas      BRASIL/Confederação Brasileira de Atletismo. Regras Oficiais do
      contribuições para o desenvolvi-
      mento da mecânica quântica, um            Atletismo. Rio de Janeiro: Sprint, 2004.
      dos ganhadores do Prêmio Nobel
      de Física em 1965. Fonte: http://
                                                PARKER, S. Galileu e o Universo. São Paulo: Scipione, 1996.
      en.wikipedia.org
                                                RESNICK, Robert. HALLIDAY, David. Física 1. 4. ed. Rio de Janeiro: Livros
                                                Técnicos Científicos, 1994.



                                               ObrasConsultadas
                                                ALONSO, M.; FINN, E. J. Física: um curso universitário. São Paulo: Edgard
                                                Blucher, 1972.
                                                BRASIL/MEC/SEED. Caderno Técnico­Didático de Atletismo. Brasília:
                                                MEC/SEED, 1977.
                                                ROSENFELD, R. Feynman & Gell-Mann: Luz, Quarks, Ação. São Paulo:
                                                Odysseus: 2003.
                                                YOUSSEF, A. N.; FERNANDEZ, V. P. Matemática: Conceitos e Fundamentos.
                                                São Paulo: Editora Scipione, 1993.



                                               DocumentosConsultadosOnlInE
                                                http://pt.wikipedia.org/wiki/Jogos_Ol%C3%ADmpicos
                                                Acesso em: 13 dez. 2005.

                                                www.cbat.org.br/atletismo/provas/m/lancamento_martelo.asp
                                                Acesso em: 13 dez. 2005.




60     Movimento
                  Física



ANOTAÇÕES




            Trajetórias    61
       EnsinoMédio

                       Termodinâmica
                          Certamente um dos sonhos mais antigos do homem se manifesta no dese-

            I        jo de voar. Mas não é somente isso. Desde as mais antigas civilizações, perce-
                     bemos também uma incessante busca pela construção de máquinas que faci-
                     litassem ou melhorassem o trabalho humano. Nesse sentido, uma importante
                     questão passa a fazer parte dessa busca: poderia o fogo ou o vapor em alta


            n
                     temperatura ser utilizado na obtenção de potência mecânica?
                         A busca pela obtenção da potência mecânica a partir do calor, às vezes,
                     fruto de um olhar contemplativo a cerca da natureza, outras, fruto de um
                     olhar mercantilista, acabou motivando o desenvolvimento de um dos ramos


            t
                     mais importantes das ciências físicas, a Termodinâmica.
                         O desenvolvimento dessa ciência tem como mote a possibilidade de me-
                     lhorar o aproveitamento da potência fornecida pelas máquinas térmicas, ou se-
                     ja, melhorar a eficiência dessas máquinas e a resolução do problema do perigo
                     ligado ao trabalho com vapor a alta pressão e temperatura. Esse melhorar a efi-


            r        ciência estava ligado ao controle e aproveitamento da potência fornecida.
                         Qual era a pretensão? Transformar calor em trabalho e, para que isso se
                     tornasse possível, foi preciso entender e conhecer essa importante forma de
                     energia que hoje chamamos calor.


            o            De que fatores depende essa potência? A procura de uma resposta para es-
                     sa pergunta passou pela busca do que vem a ser a temperatura, pressão e calor.
                     Daí o desenvolvimento de alguns modelos para o estudo dessas entidades.
                         Falando nisso, como foi difícil chegar a uma medida de temperatura pe-


            d        la primeira vez, com alguma precisão. Não poderíamos contar apenas com o
                     tato. Aí vem a construção do primeiro termômetro, e mais outros, com dife-
                     rentes escalas, e os mais esquisitos pontos fixos. Acredite! Chegou-se inclusi-
                     ve ao estabelecimento da temperatura de uma vaca como um dos pontos fi-
                     xos. Se bem que não eram tão fixos assim.

            u            Com o desenvolvimento do termômetro, aparecia mais uma questão: afi-
                     nal de contas, o que esses termômetros mediam? O que era a temperatura?
                     Você já se perguntou a que se deve as sensações de calor que sentimos?
                         De fato não somos só nós que sentimos calor. As variações de tempera-

            ç        tura também estão relacionadas a efeitos como a dilatação ou a mudança de
                     estado físico de alguns materiais. Então, como os materiais reagem a mudan-
                     ças de temperatura? Sentem calor? O que seria então o calor? Agitação de par-
                     tículas, como sugeriu Galileu? Um fluido, conforme as idéias de Descartes?


            ã            Esses questionamentos e idéias levaram a concepção do calor como ener-
                     gia, no séc. XVIII, com Thompson e Joule. Esse último obteve, através de
                     uma série de experimentos, uma equivalência quantitativa entre energia me-
                     cânica e calor. Essa relação teve como conseqüência um dos mais importan-


            o
                     tes princípios da Física, o "Princípio da Conservação da Energia", o qual aca-
                     bou sendo utilizado por Helmholtz e Gibbs na formulação da "Primeira Lei
                     da Termodinâmica".
                        Hoje, no âmbito da Termodinâmica, temos quatro leis, tão importantes
                     quanto às equações de Maxwell são para o Eletromagnetismo: a "Lei zero da
                     Termodinâmica", que descreve as condições para o equilíbrio térmico; a "1ª

62   Introdução
                                                                                        Física




Lei da Termodinâmica", que manifesta as condições para a transformação de
calor em trabalho; a "2ª Lei da Termodinâmica", que aponta para a impossibi-
lidade do rendimento das máquinas térmicas serem 100%, e a "3ª Lei da Ter-
modinâmica", que busca compreender o comportamento da matéria nas pro-
ximidades do zero absoluto.
    Então, eis que surge uma nova variável, a entropia. Já apresentada na se-
gunda lei, por conta da reversibilidade e irreversibilidade dos processos fí-
sicos, tem também na terceira lei um papel importante. Mas, o que seria ou
para que serve a entropia?
    Essa grandeza física é útil para nos dar noção da direção do tempo em
certos processos: o tempo psicológico, em que um segundo pode represen-
tar uma eternidade; o tempo cosmológico, que é dado pela direção de ex-
pansão do universo, e, também, o tempo da Termodinâmica, que é dado pela
entropia, palavra de origem grega que significa transformação.
                                                                                    F
   Para encurtar a conversa, a mensagem das Leis da Termodinâmica é que a
energia do universo é constante enquanto que a entropia tende a aumentar.
   Quando os cientistas acharam que estava tudo pronto e explicado, a Ter-
modinâmica adentrou no mundo microscópico e das probabilidades. Apare-
                                                                                    Í
ceu aqui, uma pedra no caminho, conhecida como buraco negro.
    Como você, estudante, já deve ter percebido, muitas são as possibilidades
de estudos dentro da Termodinâmica. No entanto, não é possível neste livro
tratar de todas essas possibilidades. Desse modo, escolhemos alguns conteú-
                                                                                    S
dos que consideramos importantes para a construção do seu conhecimento.
    Iniciamos com o texto da Professora Leunice Ramme, "Lei Zero da Ter-
modinâmica", ela traz uma discussão sobre temperatura, equilíbrio térmico e
propagação de calor. A mesma professora Leunice Ramme e o professor Eze-
                                                                                    I
quiel Burkarter escreveram o texto "Modelos de calor", buscando esclarecer a
1ª Lei da Termodinâmica, apresentando o Princípio da Conservação de Ener-
gia. Esse texto busca na Filosofia uma explicação para o fogo e, na Química,
o entendimento da entalpia.
                                                                                    C
                                                                                    A
    A Professora Luiza Polak escreveu os textos "Vapor e movimento" e "Verso
e Reverso". O primeiro contempla a 1ª e a 2ª Leis da Termodinâmica, máqui-
nas térmicas, ciclo de Carnot, motores a combustão, processos reversíveis e ir-
reversíveis. Buscando entender o contexto histórico-social do desenvolvimento
das máquinas térmicas e as repercussões no mundo do trabalho, o texto rela-
ciona-se com as disciplinas de História e de Sociologia. O texto "Verso e Rever-
so" contempla entropia, entropia de Boltzmann, relação tempo entropia, além
dos processos reversíveis e irreversíveis. As relações interdisciplinares aconte-
cem com Biologia, enzimas, e com a Filosofia, Nietzsche versus Sócrates.
    A professora Luiza Polak e o professor Ezequiel Burkarter também escreve-
ram o texto "Pressão e volume", o qual aborda a equação geral dos gases, dis-
cutindo os conceitos de pressão, temperatura e volume. Buscando entender a
influência da pressão atmosférica na respiração, o texto recorre à Biologia. O
tratamento com as equações dos gases busca na Matemática a idéia de função.
   Bom estudo!

                                                                                                 63
       EnsinoMédio




64   Termodinâmica
                                                                                           Física




                                                                                    4


                                                            LEI ZERO DA
                                                        TERmODINÂmIcA
                                                                                  Leunice Ramme1



                                                              rio, calor, brisa, febre, inversão
                                                             térmica...

                                                        O que estas palavras tem em comum?




Colégio Estadual Padre Eduardo Michelis - Missal - PR
1



                                                                         leiZerodaTermodinâmica     65
       EnsinoMédio

                                   Para entender essas situações, vamos começar com a idéia de tem-
                               peratura. Usamos esse termo com naturalidade, em nosso cotidiano,
                               para indicar se alguma coisa está "fria" ou "quente". Por exemplo,
                               quando seguramos uma colher de metal, temos a sensação de que ela
                               é "mais fria"quando comparada a uma colher de madeira. Podemos até
                               pensar que a temperatura da colher de metal é menor que a tempera-
                               tura da colher de madeira se confiarmos nestas sensações atribuídas
                               ao tato. No entanto, como teremos certeza desta conclusão, se diferen-
                               tes pessoas atribuem valores diversos a estas "medidas de temperatu-
                               ra"? Utilizar apenas o tato como critério para avaliar e atribuir um valor
                               de temperatura aos objetos mencionados não é confiável, pois cienti-
                               ficamente, precisamos de certo rigor ao fazer medidas. Sensações, co-
                               mo quente e frio, podem nos enganar, levando a conclusões errôneas
                               acerca da temperatura de um objeto.


                                 Otermômetro
                                   Tentativas mais confiáveis de medida de temperatura remontam aos
                               antigos filósofos gregos. Galileu Galilei (1564-1642), no final do século
                               XV, construiu o primeiro termoscópio, baseado nas idéias dos gregos,
                               que servia apenas para comparar temperaturas de corpos diferentes.
                                   O aparelho era formado por um bulbo esférico de vidro ligado a
                               um tubo cilíndrico, também de vidro. O tubo era mergulhado na água
                               e o ar de dentro desse tubo era comprimido pela água. Quando aque-
                               cido, o ar expandia empurrando para baixo a coluna de água. O apa-
                               rato ainda não possuía escala, as medidas eram obtidas por compara-
                               ção da variação da coluna de água.
                                   O termoscópio de Galileu ganhou escala através do médico
                               Santorio (1561-1636), que o utilizava para medir temperaturas de seus
                               pacientes. A partir daí, surgiram muitas escalas, aproximadamente 60.
                               Normalmente eram escolhidos dois pontos fixos, associados a valores
                               numéricos, e este intervalo era dividido em partes iguais. Atualmente,
                               na construção de uma escala, utilizamos como pontos fixos o ponto de
      Termômetro de Galileu.   fusão e o ponto de ebulição da água.
                                   Desde o tempo de Galileu, já era observado que, normalmente, os
                               diversos materiais dilatam quando aquecidos e comprimem quando
                               resfriados. Assim, essa característica dos materiais é utilizada para com-
                               parar a variação produzida no volume com a variação da temperatura.
                               A dilatação ou a contração servem como indicador de quanto muda a
                               temperatura em um corpo.
                                   A substância colocada dentro do tubo que irá dilatar-se ou compri-
                               mir-se é denominada substância termométrica, a qual, no caso do ter-
                               moscópio de Galileu, foi o ar.



66   Termodinâmica
                                                                                                                                  Física

    E nos termômetros de hoje, qual é o líquido utilizado?
    Quando efetuamos uma medida utilizando um termômetro, o que
observamos não é, de fato, a temperatura, mas a variação de uma
grandeza que varia com a temperatura. Por exemplo, num termô-
metro clínico, medimos como a altura da coluna de mercúrio varia
com o aumento ou a diminuição da temperatura. Ao incluirmos este
equipamento em um sistema com outros corpos, precisamos aguar-
dar algum tempo para que a temperatura inicial mude e passe a ser
indicada em outro ponto do termômetro, como já foi observado no
início do texto.




 Fig. 1: O termômetro é uma espécie de régua com marcas igualmente distribuídas para representar as temperaturas a
 serem medidas. A figura mostra um Termômetro, graduado em graus, na escala Celsius (ºC).


    Vamos agora entender um pouco melhor as escalas termométricas.
    Aqui vamos nos limitar a discutir uma escala bem conhecida em
nosso país: a Celsius, muito utilizada nos termômetros que medem
temperatura corporal, ou ainda, a temperatura atmosférica.
    Na escala Celsius, o ponto ZERO indica a temperatura em que a
água permanece em seu estado sólido (gelo) e, ao mesmo tempo, em
seu estado líquido. A temperatura indicada no CEM é aquela em que
coexistem o estado gasoso e líquido. Tanto a referência de ZERO co-
mo a de CEM é obtida sob a pressão de 1atm, que é o valor da pres-
são atmosférica adotada ao nível do mar.
    Os termômetros têm sido construídos explorando as características
que as substâncias exibem ao sofrerem mudanças de temperatura. As-
sim, ainda é utilizada a idéia do primeiro termoscópio construído por
Galileu, o qual utilizava a dilatação como propriedade termométrica.
É importante ressaltar que, na indústria, também são usados termôme-
tros que se utilizam da variação de outras propriedades, como a con-
dutividade elétrica.


                        DEBATE

     Quais são as substâncias utilizadas em termômetros clínicos? Por que não utilizamos o leite
  nesses termômetros?
       E para medirmos baixas temperaturas, qual é o líquido utilizado? Poderia ser a água?
     Mais importante do que saber quais líquidos são utilizados, é saber quais não podem ser utili-
  zados e o porquê.
     Faça um pequeno relato registrando a discussão. A partir do que você escreveu, poderá
  observar o que entendeu.


                                                                                                                leiZerodaTermodinâmica     67
       EnsinoMédio

                       SistemasideaisXsistemasreais
                         Para tratarmos desse assunto, pensemos no fluxo de calor (energia
                     térmica) de um corpo com temperatura maior para um corpo de tem-
                     peratura menor. Isso poderia ser um ferro de passar roupas e uma ca-
                     misa de algodão (Sistema 1), ou você e o ar que o cerca (Sistema 2).
                         Sistemas como os citados são chamados de "sistemas reais" e são
                     difíceis de serem estudados, porque envolvem diversos fatores. Por
                     exemplo, com o seu corpo e o ar que o envolve, existem outros ob-
                     jetos, como as roupas, ou mesmo outras pessoas recebendo ou for-
                     necendo calor no mesmo ambiente. É preciso considerar ainda que
                     substâncias diferentes trocam calor de formas diferentes em função do
                     material do qual são constituídas.
                         Os sistemas ideais são modelos de eventos que poderiam aconte-
                     cer sem que se manifestassem tantos fatores, como no caso dos siste-
                     mas reais. Com esses modelos são feitas simulações tentando facilitar
                     a compreensão do fenômeno, através de certo controle sobre os fato-
                     res que influenciam em sua observação. Como se fosse um show mu-
                     sical, em que você quer observar com precisão apenas o dedilhar do
                     guitarrista sobre as cordas. Se você pudesse, retiraria o som e a névoa
                     de gelo seco que os envolvem e, assim, estaria exercendo um contro-
                     le sobre os fatores que prejudicam sua percepção.
                         Desta forma, selecionaria o que é importante, a arte como o guitar-
                     rista manobra as cordas. Esse seria o seu sistema idealizado criado para
                     estudar o dedilhar do guitarrista. Em ciência, por vezes criamos siste-
                     mas ditos ideais para observar o comportamento de certas grandezas,
                     buscando aproximações com o que se observa nos modelos reais.
                         Para falar em equilíbrio térmico, também vamos considerar um sis-
                     tema idealizado que, no caso desse estudo, é chamado de "sistema iso-
                     lado".
                         Vamos construir, então, nosso sistema isolado?
                         Imaginemos dois blocos, o bloco A e o B com diferentes tempera-
                     turas. Vamos supor que tanto o que está com maior temperatura quan-
                     to o que está com menor estão dentro de uma caixa de um material
                     que não permite a troca de calor com o meio externo, ou seja, é um
                     isolante perfeito. Esse é o nosso sistema isolado.
                        Será que essa caixa existe?
                         Supondo que essa caixa exista, vamos analisar os processos térmi-
                     cos que acontecem dentro dela? Como o nosso sistema é isolado, den-
                     tro da caixa, ocorre somente a passagem de calor de um bloco para o
                     outro. Mas como se dá essa passagem?
                         Existem aí duas situações: a passagem por condução e por radia-
                     ção. No caso da condução, o corpo de maior temperatura (A) transfe-


68   Termodinâmica
                                                                                                                                    Física

re energia térmica para o corpo de menor temperatura (B), como ilus-
tra a Figura 2. Já no caso da radiação, os dois corpos irradiam calor e
essa emissão é mais intensa quanto maior for a temperatura do corpo.
Assim, os dois corpos emitem e recebem calor. Como o corpo A está a
uma temperatura mais elevada, ele emite mais energia térmica do que
recebe. Já com B ocorre o contrário, ele recebe mais do que emite. As-
sim dizemos que o fluxo de calor se dá no sentido de A para B, ou se-
ja, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
    Passado algum tempo, os dois corpos estarão com a mesma tem-
peratura e, nessas condições de isolamento térmico, a situação se esta-
biliza, ou seja, no instante em que cessa o trânsito de energia térmica,
de um corpo para o outro, as duas temperaturas se igualam e dizemos
que o sistema atingiu o Equilíbrio Térmico.




 Corpos A e B inicialmente a diferentes temperaturas, TA > TB             Após algum tempo os corpos A e B atingem a mesma tempe-
                                                                          ratura, TA = TB

                                  Fig. 2: Esquematização de sistema ideal para fluxo de calor




                         ATIVIDADE

        Observe que, no texto acima, mencionamos alguns processos de transferência de calor que ocor-
        rem num sistema isolado. Você consegue identificar, em seu dia a dia, algum sistema como esse?
        Como ele se previne contra transferências de calor indesejáveis? Discuta com seus colegas e faça
        uma ilustração explicativa desse sistema.




   EquilíbrioTérmico
   Para descrever o fenômeno do Equilíbrio Térmico entre corpos que
participam de um mesmo ambiente, aparece a Lei Zero da Termodinâ-
mica. De acordo com essa lei:
    "Se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e este em
equilíbrio térmico com um terceiro C, então o primeiro, no caso o corpo
A, estará em equilíbrio térmico com o terceiro, no caso, o corpo C".


                                                                                                             leiZerodaTermodinâmica          69
       EnsinoMédio

                                Dessa forma, a Lei Zero é a ante-primeira Lei da Termodinâmica,
                            um conceito que fundamenta a compreensão da Primeira e da Segun-
                            da Lei. Sem ela, a Primeira e a Segunda Lei ficariam sem sentido. E,
                            no campo histórico-cronológico, as outras duas precederam a Lei Ze-
                            ro, mas por questão de lógica (coerência) e prioridade, ela vem antes,
                            daí a origem de seu nome.
                                A lei indica que o equilíbrio térmico pode envolver diversos corpos.
                            Um deles pode ser o termômetro. Assim, fazendo parte do sistema, este
                            alcançará a mesma temperatura e estará em equilíbrio com os outros ele-
                            mentos, identificando, por sua vez, a temperatura de equilíbrio.


                     DEBATE

         Mas se o sistema não for isolado e sim um sistema real em que estão presentes, no mesmo am-
     biente, pessoas, as roupas dessas pessoas, talheres de metal, a massa de ar, as paredes de alve-
     naria ou madeira, como fica a lei Zero?


                                Bom, agora já temos idéias sobre equilíbrio térmico e medidas de
                            temperaturas. Será que alguns fenômenos climáticos que ocorrem em
                            nossa atmosfera têm alguma coisa a ver com essas idéias?
                                Esses fenômenos da nossa atmosfera são dependentes de fatores
                            que, num conjunto, formam toda uma área de estudos: a Meteorolo-
                            gia. Portanto, para obtermos algumas respostas sobre o comportamen-
                            to do sistema global envolvendo a atmosfera, existem diversos dados
                            e relações a serem investigadas. Interessa-nos aqui os fenônemos rela-
                            cionados à transmissão de calor.
                                A convecção é uma forma de transferência de calor, que ocorre na pre-
                            sença de fluidos. Podemos observá-la se colocarmos uma vasilha de água
                            com serragem para ser aquecida numa chama do fogão. Com o aqueci-
                            mento, a porção de água que está no fundo da vasilha fica menos densa e
                            sobe, ocupando o lugar de porções com temperatura menor, que por es-
                            tarem mais densas, descem. Tal efeito pode ser percebido através do mo-
                            vimento da serragem, o qual é chamado de correntes de convecção.
                                O fenômeno de convecção ocorre também na atmosfera que envol-
                            ve o planeta Terra, mais especificamente na Troposfera, camada prin-
                            cipal dos fenômenos climáticos, e o desencadeador desses fenômenos
                            é a radiação solar, introduzindo na Troposfera energia calorífica e lu-
                            minosa, interferindo nos elementos do clima por meio do aquecimen-
                            to da atmosfera e da superfície líquida e sólida do planeta.




70   Termodinâmica
                                                                                                Física

   A radiação solar ultrapassa a atmosfera, atingindo as superfícies,
parte é absorvida e parte é irradiada, aquecendo as proximidades.


      Na área mais aquecida, o ar é mais quente. O ar mais quente se expan-
 de. Nisso, ele cria movimento. Eleva-se, mas se esfria à medida que sobe.
 Nessa região mais aquecida (na superfície) se desenvolve um centro de bai-
 xa pressão, para onde irá o ar das regiões vizinhas, em deslocamento hori-
 zontal. O ar sobe até atingir uma altura em que a sua temperatura e do seu
 vizinho são iguais. Nesse nível, ele se desloca horizontalmente no sentido
 oposto ao da superfície. (PRATES, In: Ciência hoje na escola, 1996, p.43)



    Esse deslocamento do ar, que são as correntes de convecção, é um
movimento cíclico que não tem fim.
    Em algumas situações, essas correntes são prejudicadas, como, por
exemplo: aproximação de uma intensa frente fria, esta fica presa por
duas camadas quentes, com isso o ar próximo ao solo fica parado,
acumulando poluição. Os cientistas ainda estudam os efeitos que essa
concentração de poluição pode causar, no entanto, já se sabe que os
mais prejudicados são as crianças, os idosos, fumantes e pessoas que
possuem doenças respiratórias e cardíacas.
    Cada vez mais, o homem vem interferindo nos fenômenos climáti-
cos. Uma das formas de interferência é a poluição, a qual é produzida
em grande escala nas cidades maiores, provocada por automóveis, in-
dústrias e usinas termoelétricas. Mas não se engane, a poluição acon-
tece também na zona rural, através de queimadas, um processo utiliza-
do pelos agricultores para acelerar o cultivo, criação de gado e para a
retirada da cana-de-açúcar.
    Entre os poluentes, um vilão é o monóxido de carbono (CO), suas
principais fontes são os automóveis dos diferentes combustíveis, espe-
cialmente os que utilizam óleo diesel.
    A concentração da poluição se dilui e se mistura com atmosfera.
Porém o grau de diluição depende de fatores como: temperatura, ve-
locidade do vento, movimento dos sistemas de alta e baixa pressão e
sua interação com a topografia local ­ montes, vales. Na Troposfera, a
temperatura tem tendência a diminuir com a altitude, mas a inversão
térmica contraria essa tendência.
   Mas o que causa a inversão térmica?




                                                                              leiZerodaTermodinâmica     71
       EnsinoMédio



                                 10
                                        8




                          Altura (km)
                                        6

                                        4

                                        2


                                            -15     0    +15
                                               Temperatura



                                 10
                                        8
                          Altura (km)
                                        6

                                        4

                                        2


                                            -15     0    +15
                                               Temperatura



                           Em situação normal, o ar se resfria a medida que se distancia da super-
                      fície da Terra. Dessa forma, o ar próximo a superfície, mais aquecido sobe,
                      abrindo espaço para que o ar mais frio desça, favorecendo a dispersão dos
                      poluentes (figura superior).
                          Durante o fenômeno da inversão térmica, uma camada de ar aquecido
                      se acumula sobre uma camada de ar frio, impedindo o processo, dificultan-
                      do o movimeto ascendente do ar, fazendo com que os poluentes se acu-
                      mulem e fiquem próximo da superfície da terra.
                                                                   Adaptado de http://www.cetesb.sp.gov.br/



                         O fenômeno da inversão térmica se mantém ativo enquanto es-
                     tá sob o efeito de altas pressões e ventos com velocidades baixas.
                     Outros aspectos que favorecem a inversão térmica são: a época do
                     ano e o período do dia, ocorrendo com mais freqüência no inver-
                     no e na madrugada.
                         As metrópoles também são ambientes que favorecem a inversão
                     térmica, devido a grande área construída, absorvem o calor durante o
                     dia e irradiam rapidamente durante a noite.
                         Entre as formas de transmissão de calor, encontra-se a radiação,
                     processo pelo qual o Sol emite calor. Uma parte da radiação é absorvi-
                     da ou refletida pelos elementos da própria atmosfera, enquanto outra
                     parte é refletida ou absorvida na superfície terrestre.
                         A radiação solar absorvida pela superfície da Terra é a maior res-
                     ponsável por seu aquecimento. Ao estar mais aquecida que o ar, a su-
                     perfície terrestre emite calor. Com essas considerações, dizemos que a
                     Terra e a atmosfera trocam calor, por radiação e por condução.
                         Esses processos de transferências de calor - condução, radiação, e
                     convecção - não estão presentes só no comportamento climático do
                     nosso planeta, mas também nos seres vivos!

72   Termodinâmica
                                                                                                    Física

  Algunsexemplosdetransferênciadecalornos
  seresvivos
    A condução aparece quando, por exemplo, pegamos algo que se
encontra com temperatura menor, o objeto e a mão trocam calor até
chegar num equilíbrio, nesse caso, o organismo, com temperatura
maior, perde calor para o objeto.
    No nosso caso, nosso organismo tem condições de trabalhar para
manter a temperatura interna do corpo estável, quando sujeito a varia-
ção de temperatura externa. Isso porque, possuímos receptores de frio
e de calor cuja função é perceber imediatamente essas variações a que
ficamos submetidos.
    A forma de transferência mais considerável é a radiação, todos os
seres vivos recebem e emitem radiações na freqüência do infraverme-
lho. Para nós, seres humanos, essa radiação é invisível, mas para as
serpentes (cobra é uma denominação inglesa, que se refere a Naja, a
qual não se encontra no Brasil), essa radiação é importante, já que elas
são praticamente "surdas" e "cegas".



                PESQUISA

     As serpentes conseguem perceber a radiação na freqüência do infravermelho.
      Você já ouviu falar: "serpentes sentem o calor da presa"? Será esse o motivo de as serpentes loca-
 lizarem suas presas com facilidade? Que estrutura do organismo da serpente possibilita essa percep-
 ção? Esse "calor" será algo emitido pelos seres vivos?
     Durante a pesquisa, observe e diferencie as serpentes de hábitos noturnos e diurnos, quanto a im-
 portância da percepção da radiação infravermelho.
    Tendo como base as fontes de pesquisa, discuta com seus colegas e apresente uma conclusão
 ao seu professor.

    Já a convecção ocorre no processo de respiração pulmonar. Ao expi-
rar, a pessoa expele o ar do organismo com uma temperatura de aproxi-
madamente 36,50C, esse ar, próximo da pessoa, sobe e ocupa o espaço
do ar mais frio. Então, esse ar frio desce e é inspirado pela pessoa.
    A inspiração ocorre pelas narinas, aberturas que levam o ar às fos-
sas nasais. Por sua vez, nas paredes das fossas nasais pelos e glându-
las produtoras de muco filtram o ar que entra através da retenção de
impurezas.
    Na respiração, o ar inspirado de um ambiente com temperatura em
torno de 25ºC precisa entrar em equilíbrio com o organismo que deve
se encontrar em torno de 36,5 ºC, em situação de normalidade. Isto se
a pessoa não estiver com febre!

                                                                             leiZerodaTermodinâmica          73
       EnsinoMédio

                                As fossas nasais são bastante vascularizadas e, por isso, são respon-
                            sáveis pelo aquecimento do ar que entra no sistema respiratório atra-
                            vés das narinas antes que eles cheguem aos pulmões.
                                Além dessas formas, existe ainda a evaporação. O líquido acumula-
                            do na camada externa da pele, a epiderme, evapora da superfície des-
                            ta para as vizinhanças.


                     ATIVIDADE

     1. Você já teve febre? Que sensação sentiu? Discuta com seus colegas e responda a questão: Por
        que sentimos frio quando estamos com febre?
     2. Quando a temperatura está abaixo do valor aceito como normal para nós, humanos, sentimos frio.
        No entanto, quando o termômetro marca, por exemplo 30ºC, sentimos calor. Por que isso acon-
        tece se, em tese, também estamos perdendo calor para o ambiente, uma vez que 30ºC é menor
        que 37ºC?

                                Temos feito até aqui uma descrição da temperatura em termos ma-
                            croscópicos, mencionando, por exemplo, a temperatura do corpo to-
                            do, mas não fizemos alusão a efeitos microscópicos que a influenciam.
                            Na expectativa de se propor um modelo teórico para o comportamen-
                            to microscópico da temperatura para o caso de gases, surge a Teoria
                            Cinética dos Gases, que teve, como marco de seu surgimento, o livro
                            Hydrodinamica, de Bernoulli, em 1738.
                                Um dos méritos da Teoria Cinética é que assume o modelo atômi-
                            co da matéria. Contudo, a falta de evidência experimental do modelo
                            atômico fez com que a teoria cinética tivesse pouco impacto na épo-
                            ca. Basicamente, em seu corpo de hipóteses, a Teoria Cinética busca-
                            va a aplicação das leis de Newton, assim como as idéias de conserva-
                            ção de momentum e energia cinética, a cada molécula do sistema. O
                            comportamento macroscópico seria resultado do comportamento mé-
                            dio dos componentes microscópicos.
                                Trabalhos de James Clerk Maxwell (1831-1879), Josiah Williard Gi-
                            bbs (1939-1903) e Ludwig Boltzmann (1831-1879), especialmente na
                            segunda metade do Séc. XIX, deram contribuições muito importantes à
                            Teoria Cinética dos Gases, particularmente no que diz respeito ao cál-
                            culo das médias de grandezas relativas aos componentes microscópi-
                            cos do sistema.
                                Num resultado da Teoria Cinética devido a Maxwell e Boltzmann, a
                            temperatura é associada à energia de movimento das moléculas do sis-
                            tema, por meio do comportamento médio das suas velocidades. Vem
                            daí a idéia de que a temperatura está associada ao nível de agitação
                            molecular, algo de que você provavelmente já ouviu falar, mas não sa-
                            bia muito bem de onde havia saído.

74   Termodinâmica
                                                                                                Física

    A aplicação de métodos estatísticos e probabilísticos aos métodos da
Teoria Cinética acabou levando ao desenvolvimento, a partir do final do
Séc. XIX, de outra teoria mais abrangente que esta, a Mecânica Estatísti-
ca. Nessa nova teoria, estudos de grandezas macroscópicas, como tem-
peratura, pressão e volume, são considerados, inclusive alguns resulta-
dos da mecânica quântica, como o princípio de exclusão de Pauli.
    Ainda hoje, os resultados da Mecânica Estatística têm servido para a
interpretação microscópica de grandezas macroscópicas ligadas à ter-
modinâmica, mais do que isso, esses métodos têm sido aplicados a sis-
temas como redes neurais ou ao complicado movimento de grãos de
pólen numa folha úmida, um exemplo do movimento browniano. Tra-
ta-se da manifestação de um difícil caminho que começa com a tenta-
tiva de se entender os fenômenos relacionados à temperatura.


  Referências
   PRATES, J. P. Origens dos Ventos In: Ciência Hoje. Rio de Janeiro:
   SBPC,1996.

  ObrasConsultadas
   AYOADE, J. O. Introdução à Climatologia para os trópicos. 10. ed.
   Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, 2004.
   CARVALHO, A. M. P. (org.): Termodinâmica, um ensino por investigação.
   São Paulo, Faculdade de Educação, 1999.
   ROCHA, J. F. (org.). Origens e Evolução das Idéias da Física. Salvador:
   EDUFBA, 2002.
   ROSS, J. L. S. (org.) Geografia do Brasil. 5.ed. São Paulo: Editora da
   Universidade de São Paulo, 2005.
   SANTOS, M. Por uma Geografia Nova ­ Da Crítica à Geografia a uma
   Geografia Crítica. 2.ed. São Paulo: Editora Hucitec, 1980.
   SEARS, F. W.; SALINGER, G. L. Termodinâmica, Teoria Cinética e
   Termodinâmica Estatística. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois S.
   A., 1975.
   SEGRÈ, G. Uma questão de graus: o que a temperatura revela sobre o
   passado e o futuro de nossa espécie, nosso planeta e nosso universo. Rio
   de Janeiro: Rocco, 2005.
   TEIXEIRA, W. et al.(orgs.). Decifrando a Terra. São Paulo: oficina do Texto,
   2000.
   TIPLER, P. A. Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica. 3.ed. Rio de
   Janeiro: Guanabara, 1995.

  DocumentosConsultadosOnlInE
   http://www.cetesb.sp.gov.br/inversaotermica Acesso em: 01 set. 2006.


                                                                              leiZerodaTermodinâmica     75
       EnsinoMédio




76   Termodinâmica
                                                                                                   Física




                                                                                         5

                                                                      mODELOS
                                                                      DE cALOR
                                                                    Leunice Ramme1, Ezequiel Burkarter2



                                                             ma das maiores conquistas do
                                                             homem foi a descoberta do fogo.
                                                            Este que para muitas civilizações
                                                        seria patrimônio dos deuses, ao ser
                                                        descoberto, passa a ser utilizado pelo
                                                        homem na alteração da matéria, em
                                                        atos que vão desde o assar uma carne
                                                        até o desenvolvimento de técnicas de
                                                        fermentação, vitrificação e o manuseio
                                                        de metais.

                                                        Calor, energia, trabalho...
                                                        O que essas palavras têm em comum?




Colégio Estadual Padre Eduardo Michelis - Missal - PR
1

Colégio Estadual Milton Carneiro - Curitiba - PR
2




                                                                                     ModelosdeCalor         77
          EnsinoMédio

        Deondevemofogo?
        Na Grécia Antiga, Heráclito (aproximadamente 500 a.C.) considerou o fogo como a substância
     fundamental do universo.

            "Mas pode dizer-se que o fogo perde, na sua doutrina, todo o carácter corpóreo: é um princípio ac-
       tivo, inteligente e criador. `Este mundo, que é o mesmo para todos, não foi criado por qualquer dos deu-
       ses ou dos homens, mas foi sempre, é e será fogo eternamente vivo que com ordem regular se acende
       e com ordem regular se extingue'. A mudança é, por isso, uma saída do fogo ou um regresso ao fogo.
       `Todas as coisas se trocam pelo fogo e o fogo troca-se por todas, como o ouro se troca pelas merca-
       dorias e as mercadorias pelo ouro". (DIELS. In: ABBAGNANO, 1999, p.33)

         Já para Empédocles (490-430 a.C.), o fogo, juntamente com a água, o ar e a terra, era um dos
     quatro elementos que formavam o universo.
         Aristóteles (384-322 a.C.) aceitava a teoria dos quatro elementos, acrescentando o éter. Para
     ele, o fogo busca o seu lugar natural: o céu e, por isso, sobe. Considerado um dos quatro ele-
     mentos canônicos, o fogo agregava o quente e o seco.
         Os gregos acreditavam que as substâncias inflamáveis continham o elemento fogo. Assim, duran-
     te a combustão, esse elemento era liberado.

           A dominação do poder do fogo, por outro lado, também foi objeto de interesse dos renascentis-
       tas. Muitos modelos foram propostos, baseados na utilização do vapor como fonte de potência mecâ-
       nica. O problema era o imenso poder do calor, perigoso de produzir e difícil de controlar. Um exemplo
       era a máquina térmica mais eficiente da época o canhão, que precisava de um cilindro de grossas pa-
       redes para conter a força produzida, usava uma substância caríssima, a pólvora, e funcionava intencio-
       nalmente ao contrário do que se esperaria de uma máquina térmica: a potência gerada era incontrolá-
       vel e destrutiva ­ pelo menos do ponto de vista do inimigo. O imenso poder do fogo já era conhecido
       e admirado, mas precisava ser domado. (Quadros, 1996, p. 14)

                                                 Esse "domar" o fogo, que neste caso pode ser traduzido
                                             por domar o calor, foi motivado especialmente por questões
                                             ligadas à mineração do carvão. A disseminação do uso de
                                             máquinas, nessa época, provocou grandes transformações
                                             sociais e tecnológicas, destaca-se, por exemplo, a substitui-
                                             ção da energia humana e animal pela força dessas máquinas.
                                             Ressalte-se, contudo, o uso do calor nesse processo.
                                                 Voltemos ao ato de "domar" o fogo ou o calor.
                                                 A idéia do fogo como um dos quatro elementos ainda
                                             estava presente no século das luzes, o século XVIII. Acei-
                                             tando essa idéia, o químico George Ernest Stahl (1660-1734)
                                             elaborou uma teoria que explicava as reações químicas que
                                             ocorriam em presença do fogo. Para Stahl, uma espécie de
                                             espírito do fogo, o flogisto ou flogístico (do grego phlogis-
                                             tos, que significa queimando ­ ígneo, combustível), estava
                                             presente nas substâncias e era liberado quando essas eram
                                             aquecidas. O calor era então, juntamente com a luz, efeito
      Fonte: http://www.sxc.hu
                                             perceptível desse princípio do fogo.
78     Termodinâmica
                                                                                                       Física



                ATIVIDADE

     O químico britânico Joseph Priestley (1733-1804), em 1774, aquecendo óxido de mercúrio, obteve
 um ar sem cor. Ele observou que esse ar tinha a propriedade de nutrir a chama de uma vela, fato já ob-
 servado anteriormente por Robert Boyle (1627-1691) e Robert Hooke (1635-1703) no século anterior.
 Ao deparar com o aumento do fogo na presença desse ar, Priestley chamou-o de ar deflogisticado, por
 acreditar que a ausência do flogisto no ar fazia com que certa quantidade de flogisto saísse com mais
 intensidade do fogo para ocupar o espaço vazio existente nesse ar. (Adaptado de: BRAGA, et.al., 2000)
      Agora, a partir da leitura acima, pense, discuta com seus colegas e responda: seria esse ar deflo-
 gisticado o mesmo ar da teoria dos quatro elementos? Justifique sua resposta.



  Ohomemtentandoentenderofogo
    Se por um lado a teoria do flogístico dava conta de muitos proble-
mas químicos, por outro continha em sua estrutura muitos componen-
tes metafísicos: a substância flogístico era invisível e impossível de ser
isolada, como uma espécie de espírito.
    Por isso, a teoria passou a ser criticada pela Filosofia e, também,
pelos iluministas. Esses, buscavam uma ciência baseada na razão,
nos moldes da revolução científica do século XVII, não cabendo as-
pectos metafísicos. A influência iluminista, especialmente na Fran-
ça, fez com que muitos químicos começassem a desconfiar da exis-
tência do flogístico.
    O químico francês Lavoisier (1743-1794) viveu na época em
que se elaboravam as idéias iluministas, as quais seriam as ba-
ses filosóficas da sociedade que estava sendo construída. Nessa
sociedade, o conhecimento científico seria livre de dogmas, su-
perstições, autoridades (por exemplo, as eclesiásticas), mas pau-
tada na racionalidade, descritas em modelos matemáticos.
    A teoria do flogístico afirmava que os corpos, ao serem quei-
mados liberavam uma certa quantidade de flogístico, diminuin-
do sua massa. No entanto, os químicos experimentais observaram
que acontecia o contrário em alguns processos. Diante da impos-
sibilidade de encontrar explicações que convencessem os cientis-
tas, além dos filósofos, os químicos experimentais passaram a bus-                    Fonte: http://www.sxc.hu
car novas explicações para o fogo.
   Mas qual foi a contribuição de Lavoisier?
   Os físicos que desenvolveram a mecânica após Newton, dentre
os quais Euler (1707-1783), d'Alembert (1717-1783) e Laplace (1749-
1827), tiveram como objetivo principal eliminar os aspectos metafísicos
do pensamento newtoniano.

                                                                                       ModelosdeCalor            79
       EnsinoMédio


         O papel central da ação divina no sistema de mundo newtoniano era tido como uma evidência des-
     sa contaminação "metafísica", na toda poderosa Razão para rechaçar o "espírito do sistema", asseguran-
     do a autonomia da Física em relação à Metafísica. Por outro lado, essas pesquisas visavam consolidar a
     universalidade, sucessivas vezes contestada, do princípio de gravitação universal. (ABRANTES, 1989, p. 9)


                                 Lavoisier, juntamente com alguns físicos, como Laplace, defendia as
                              idéias mecanicistas, acreditando que o comportamento dos corpos po-
                              deria ser explicado pelas leis da mecânica de Newton, inclusive as re-
                              ações químicas.
                                 E o fogo? Estudos de Lavoisier permitiram que se chegasse a com-
                              preensão mais aproximada desse "elemento". Mostrou que o fogo era
                              resultado de uma reação química chamada de combustão, na qual um
                              material qualquer é combinado com o oxigênio, formando alguns ti-
                              pos de óxidos, razão porque a reação também é chamada de reação
                              de oxidação. Um duro golpe na teoria do flogístico!


                     ATIVIDADE

         Pesquise o processo da incandescência. Busque exemplos cotidianos onde seja possível observar
     a incandescência.


                                 CaloreFogo,qualarelação?
                                 Será que a construção de máquinas indica que já fizemos essa domi-
                              nação? Pensando em termos de aplicações, é possível que alguém res-
                              ponda que sim. Mas e do ponto de vista da ciência? É suficiente encontrar
                              uma aplicação? Mesmo as aplicações demandam conhecimento a cerca
                              da natureza dos processos, o que se aplica inclusive no caso do calor.
                                 O aperfeiçoamento das máquinas térmicas está, portanto, intima-
                              mente ligado aos conhecimentos científicos sobre a natureza do calor,
                              desenvolvidos ao longo dos séculos XVII e XVIII, e as transformações
                              econômicas e sociais da sociedade neste período.
                                  Mas permanece a pergunta: o que é o calor?


                     ATIVIDADE

         Formule a sua própria teoria sobre o que vem a ser o calor. Procure escrever suas hipóteses, como
     se você fosse um cientista a registrar suas idéias antes de defendê-las diante de seus colegas (também
     cientistas). Lembre-se de que um cientista nem sempre tem noção da importância de suas anotações,
     portanto guarde bem os seus registros.



80   Termodinâmica
                                                                                                         Física

    Na visão de Galileu Galilei (1564-1642) por exemplo, o "calor" es-
taria associado ao movimento de partículas. Não haveria calor, apenas
uma sensação mental ligada ao movimento de partículas. A concepção
de calor de Descartes, por sua vez, estava ligada ao fato de que tudo
no mundo real resultava da interação de dois princípios: "extensão" (a
matéria) e "movimento".


      Para dar conta do mundo como o vemos, Descartes propôs a existência de três tipos de partículas,
 distintas por sua extensão: partículas de fogo, as menores, algumas infinitamente pequenas; boules, in-
 termediárias; e as partículas de matéria, os constituintes dos objetos... A dilatação dos objetos seria cau-
 sada pela pressão de partículas de fogo e boules, comprimidas entre as partículas de matéria. A vibração
 das partículas de matéria causaria a sensação de calor, e esta vibração seria provocada pela agitação da
 `matéria sutil', isto é novamente partículas de fogo e boules. Discípulos de Descartes fundiram mais tarde
 essas duas partículas em um `fluido sutil' posteriormente denominado calórico. (Quadros, 1996, p. 38)


    Boyle, discípulo de René Descartes (1596-1650), também defendia
a idéia de que o calor estaria associado ao movimento, randômico de
átomos, e poderia ser gerado por fricção, atrito ou percussão.
    Como nenhuma das teorias dava uma explicação suficientemente
consistente sobre a natureza do calor, ainda no século XVII, tínha-
mos duas teorias sobre a natureza do calor. Numa delas, o calor se-
ria tal qual um fluido indestrutível, invisível e imponderável, o caló-
rico, que passava dos corpos quentes para os corpos frios. Na teoria
concorrente, a "Teoria do Movimento Molecular", o calor estaria li-
gado às vibrações dos átomos ou moléculas que compunham o ma-
terial. Como não havia, a essa época, uma teoria atômica da matéria,
a idéia do movimento molecular perdeu força em relação à teoria
do calórico, que recebeu destaque no século XVIII, inclusive com al-
guns experimentos.
    Joseph Black (1728-1799), pensador influente do século XVIII, pro-
curou medir o calor e suas conseqüências. É devida a Black a defini-
ção da quantidade calor, que obedecia a uma lei de conservação mui-
to parecida com a lei da conservação do momentum de Isaac Newton
(1642-1727). Dito de outra forma, dois corpos colocados em contato
trocam calor e alteram suas temperaturas, da mesma forma que dois
corpos têm suas velocidades alteradas após colidirem-se.
    Assim como o momentum é conservado no caso de uma coli-
são, também a quantidade de calor é conservada no caso do conta-
to entre dois corpos. A quantidade de calor que entra num corpo é
igual à quantidade de calor que sai do outro corpo. Por conta des-
sa lei de conservação, a idéia de Black acabou fortalecendo a teo-
ria do calórico.




                                                                                           ModelosdeCalor         81
       EnsinoMédio

                                 Dentre outros experimentos, em 1761, Black estudou o ponto de fu-
                             são do gelo. De seus resultados, observou que a temperatura de uma
                             mistura de água e gelo colocada numa sala quente varia mais rapida-
                             mente que a temperatura do gelo sozinho, que mantém-se por um bom
                             tempo até que o processo de fusão esteja completo. A conclusão é que
                             se flui calórico das vizinhanças para a mistura de água e gelo, mais ain-
                             da ocorrerá no caso do gelo sozinho. Portanto, segundo Black, a mistu-
                             ra de água e gelo continha mais calórico que o gelo sozinho.
                                 Pelos experimentos mencionados, percebe-se uma tendência de se
                             moldar as propriedades do calórico, aos fenômenos conhecidos. Con-
                             tudo, em ciência, um modelo teórico não deve se limitar a explicar os
                             fenômenos conhecidos, mas também deve, ser capaz de fazer previ-
                             sões a respeito de eventos.


                     ATIVIDADE

         Em resumo, a teoria do calórico considera o calor como sendo uma substância pertencente ao cor-
     po. Retome as suas anotações e compare a sua teoria com a teoria do calórico. Procure pontos co-
     muns e pontos contraditórios entre as duas.


                                 O problema é que a capacidade de se fazer previsões não apare-
                             ceu na teoria do calórico. Além disso, as explicações dadas por essa
                             teoria aos fenômenos conhecidos manifestam certas fragilidades, além
                             dos aspectos metafísicos. Entretanto, como já dito, a falta de teoria atô-
                             mica consistente impedia a refutação da teoria do calórico, que só foi
                             ser derrubada no século XIX.

                                CaloréEnergia?
                                 Em seu trabalho na fábrica de canhões, Benjamin Thompson (1753-
                             1814), o conde de Rumford, observou fenômenos cuja explicação aca-
                             bou representando um duro golpe contra a teoria do calórico.
                                 A perfuração do ferro para a fabricação dos canhões aquecia tanto
                             a broca quanto o próprio ferro. Para evitar a fusão, o metal precisava
                             ser resfriado com água. De acordo com a teoria do calórico, o aqueci-
                             mento era devido ao fato de serem arrancados pedaços do metal pela
                             broca, durante a perfuração, quando o fluido era expelido.
                                 O uso de uma broca "cega" (que não conseguia arrancar pedaços
                             perfurando o metal) mostrou que o calor produzido era ainda maior, e
                             não havia saída de calórico do material. Segundo Rumford, esse resul-
                             tado só poderia ser explicado com a hipótese de o calor não ser flui-
                             do, mas uma forma de movimento, ou em outras palavras, uma forma
                             de energia. O calor seria produzido pela agitação das partículas do me-
                             tal, mediante o atrito com a broca.

82   Termodinâmica
                                                                                                         Física

      Essa observação foi, em princípio, rejeitada pela comunidade cien-
tífica, mas ganhou força com os trabalhos do médico alemão Julius von
Mayer (1814-1878) e de James Joule (1818-1889).
     Julius von Mayer percebeu que o sangue venal de pacientes na ilha
de Java (Indonésia) apresentava uma coloração vermelha brilhante, ca-
racterística do sangue arterial, que é mais oxigenado. Essa observação
levou von Mayer a concluir que, em climas quentes, o corpo humano
necessita de menos oxidação para manter-se aquecido.
     É devido a Mayer, a idéia de que o corpo humano retira energia
                                                                               Julius von Mayer (1814-1878).
dos alimentos e a transforma em trabalho mecânico pelos músculos,              Foi o primeiro a estabeler o Prin-
ou em calor, nas reações de oxidação do sangue. O médico alemão foi            cípio da conservação de energia,
ainda o primeiro a propor o "Princípio da Conservação da Energia",             embora não tenha sido aceito na
                                                                               época devido a falta de evidên-
segundo o qual a quantidade total de energia no universo seria cons-           cias experimentais. Fonte: http://
tante, sofrendo transformações mediante processos físicos e químicos.          en.wikipedia.org
Mayer tentou demonstrar esse princípio através do estabelecimento de
um equivalente mecânico do calor, contudo seus resultados receberam
pouco crédito da comunidade científica de então.
     A descrença, em princípio, nos trabalhos de Rumford e Mayer, mos-
tra quão lento e dificultoso pode ser o processo de superação de um
modelo científico. O trabalho de Rumford, por exemplo, foi ignorado
pelos cinqüenta anos seguintes a sua apresentação.
     Na década de 1840, o trabalho de James Joule deu uma base con-
sistente para a teoria da agitação molecular, através do estabelecimen-
to de uma relação entre trabalho mecânico e calor. Joule estudou siste-
mas em que o calor era produzido por meio de dissipação de energia
na viscosidade de líquidos, a fricção entre sólidos e a passagem de cor-
rente elétrica por fios (como num chuveiro), por exemplo.
     Uma idéia importante nos trabalhos de Joule vem justamente do que
vimos sobre Mayer, a transformação de uma forma de energia em outra.
Um exemplo disso pode ser visto quando um copo cai de uma mesa. No
topo da mesa, o copo tem uma certa energia potencial gravitacional, en-
quanto cai, essa energia é convertida em energia cinética. Ao atingir o
chão, parece que a energia se perde. Entretanto o que ocorre é que par-
te da energia mecânica é transformada em aquecimento do corpo e do
chão e, a outra parte, é transformada em energia sonora. A energia total
do processo permanece constante, temos apenas uma transformação em
cada instante.


                ATIVIDADE

     Provavelmente o trabalho mais conhecido de Joule, que inclusive aparece na maioria dos livros de
 termodinâmica, foi a obtenção experimental de um equivalente mecânico para o calor. Faça uma pes-
 quisa buscando descrever esse famoso experimento e sua conseqüência no desenvolvimento do con-
 ceito de calor!

                                                                                      ModelosdeCalor                83
       EnsinoMédio

                        Assim como Mayer e Thompson, Joule também enfrentou dificul-
                     dades para convencer a comunidade científica a cerca de suas idéias,
                     especialmente por não pertencer a uma sociedade acadêmica, ele era,
                     na verdade, um cervejeiro.
                        Uma sólida base matemática para o princípio da conservação da
                     energia, inclusive no que diz respeito ao conceito de calor como uma
                     forma de energia, tem sua formulação atribuída a Hermann Helmholtz
                     (1821-1894) e Josiah Willard Gibbs (1839-1909). Por serem feitos por
                     acadêmicos, esses trabalhos acabaram recebendo considerável crédito
                     ainda na metade do século XIX, quando foram publicados. Nesse con-
                     texto, o princípio da conservação da energia tornou-se conhecido co-
                     mo "Primeira Lei da Termodinâmica", e as ciências do calor também
                     passaram a ter uma base matemática.
                        Podemos dizer que depois de ser domado experimentalmente, a
                     base matemática permitiu que o calor fosse "domado" também pelas
                     explicações e previsões da teoria.
                        Que tal, então, observarmos com mais detalhes os conceitos envolvi-
                     dos na Primeira Lei da Termodinâmica? Que grandezas estão de fato en-
                     volvidas? Como o "calor energia" aparece nessa formulação?


                       Calor,energiaetrabalho,ahistóriacontinua
                         Como você já deve ter visto, a idéia de trabalho está enraizada nas
                     leis de Newton para o movimento. Quando você puxa uma mesa, por
                     exemplo, e a arrasta, está efetuando trabalho sobre ela. Contudo, se a
                     mesa estiver imobilizada, talvez presa por parafusos, mesmo exercen-
                     do uma força, é possível que você não consiga movimentá-la, por isso
                     não estará realizando trabalho sobre ela.
                         Você também deve ter ouvido falar que a idéia de trabalho está as-
                     sociada ao conceito de energia. Dizemos que o trabalho de uma força
                     não conservativa é igual a variação da energia mecânica total do siste-
                     ma, dito de outra forma, é igual a soma das variações na energia ciné-
                     tica e potencial.
                         Mas agora uma novidade! Pode-se realizar trabalho também em
                     processos em que não há variação de energia cinética (K) e nem
                     potencial (U). Quando você encher uma bexiga e colocá-la num
                     congelador, poderá observar que, ao ser retirada de lá, ela parece-
                     rá um pouco murcha. Se não houve vazamento, um processo co-
                     mo esse é chamado de contração do gás, nesse caso o ar que está
                     dentro da bexiga. Apesar de a bexiga ter permanecido em repouso,
                     houve realização de trabalho, e, portanto, alguma variação de ener-
                     gia. Em termodinâmica, geralmente nos preocupamos com proces-
                     sos como esse.



84   Termodinâmica
                                                                                                         Física

    Vejamos mais alguns exemplos.
    A Figura (1) representa um processo em
que um pedaço de fio de comprimento L é
puxado. Uma das extremidades está fixa, en-
quanto a outra é puxada com uma força F. Se o
fio sofre um pequeno "esticão" L, como mos-
tra a figura, o trabalho da força é: W = F L.
Note que a força F está na mesma direção
do movimento, essa é uma condição impres-
cindível para a realização de trabalho: pelo
menos uma das componentes da força deve
estar na mesma direção do movimento.
                                                  Fig. 1: Pedaço de fio sendo esticado por uma força F


   E quanto ao leite quando ferve, será que é a mesma coisa? Observe a
seqüência de fotos colocada a seguir:




  Fig. 2:Fotos - etapas da fervura do leite.


    Quando o leite ferve, sobe e derrama, há também a realização de
trabalho. Note que no caso do leite, não temos um único "pontinho"
mudando de posição, mas toda a superfície do leite sobe. Na verdade,
o que ocorre é que o volume (V) do leite aumenta V, quando ocor-
re a fervura.


                                                                                              ModelosdeCalor      85
       EnsinoMédio

                                  Assim como no fio, no caso do leite é como se houvesse uma for-
                              ça sendo aplicada em cada ponto da sua superfície, ou uma força to-
                              tal sendo distribuída ao longo dessa superfície.
                                  Esta força distribuída, ou dividida, ao longo da superfície, é o que
                              chamamos de pressão (P), e é quantitativamente definida desta forma:
                                                                     F
                                                                P=
                                                                     A
                                  A idéia de pressão será discutida com mais cuidado no texto Pres-
                              são e Volume da Profª. Luiza Polak. Aqui nos interessa saber que o lei-
                              te realizou um trabalho: W = P V.
                                  A expansão de um sistema, como no caso do leite, foi de grande in-
                              teresse no desenvolvimento das máquinas térmicas.
                                  Olhando com mais atenção o caso do leite fervido, o que particular-
                              mente interessa nessa situação, é a expansão do leite durante a fervura.
                              Não nos interessa se ao ferver, o leite sobe formando bolhas, ou se sua
                              superfície sobe uniformemente. O trabalho no final é o mesmo. Por is-
                              so, dizemos: o que importa são os estados final e inicial, ou seja, no ca-
                              so do leite, seu volume antes e depois da fervura.


                     ATIVIDADE

          Suponha um ciclista ou você subindo uma ladeira de bicicleta? Como fa-
     zer para cansar menos: subir em zig-zag ou em linha reta? Faria alguma di-
     ferença se subimos em linha reta ou em zig-zag? Existe semelhança entre o
     leite fervendo e a subida da ladeira? Pense, compare e responda: Muda o
     trabalho final conforme a maneira que subimos?
                                                                                      Fonte: http://k41.phase.com



                                  Em termodinâmica, essas mesmas idéias sobre trabalho podem ser
                              sintetizadas em um enunciado conhecido como a Primeira Lei da Ter-
                              modinâmica, que diz:

                                    "Se o estado de um sistema isolado é alterado mediante a realização de
                                trabalho; a quantidade de trabalho necessária dependerá somente dos es-
                                tados inicial e final, e não dos meios através dos quais este trabalho foi reali-
                                zado ou dos estados intermediários entre o início e o fim do processo".


                                  Apenas por uma questão de convenção, estabelecemos que o tra-
                              balho realizado sobre o sistema, como no caso do fio que é puxado, é
                              positivo. O trabalho realizado pelo sistema, como no caso do leite que
                              ao subir empurra o ar que está sobre sua superfície, é negativo!
                                  Mas o que essas idéias sobre trabalho têm a ver com o tal conceito de
                              calor? É justamente nesse enunciado da primeira lei que surge a conexão.

86   Termodinâmica
                                                                                        Física

  Umarepresentaçãomatemáticaparaa
  Primeiralei
    Lendo com atenção, você pode observar que nesse enunciado da
primeira lei não há muita referência a informações quantitativas, ou
sobre a natureza desse trabalho. Muitas vezes a comunidade científi-
ca protesta contra esse tipo de enunciado, isso porque, na maioria das
situações uma teoria só consegue adesões quando pode ser lida por
meio de sentenças matemáticas.
    Vamos então procurar uma sentença dessas para esse enunciado?
    Como diz o enunciado, o trabalho em um sistema isolado é o mes-
mo independentemente da trajetória. Assim, em termodinâmica, de-
finimos uma grandeza chamada de "energia interna do sistema" (U),
cuja diferença (Uf ­ Ui) entre os estados final e inicial é igual ao traba-
lho (Wiso) realizado num processo isolado. Como o processo é isolado,
o trabalho é realizado pelo sistema. Matematicamente escrevemos:
                             Uf ­ Ui = ­ Wiso
                              Ui ­ Uf = Wiso
    Uma outra maneira de interpretar a equações precedentes, é con-
siderar que o trabalho realizado num processo em que o sistema está
isolado é igual ao decréscimo da energia interna do sistema.
    Quando ocorre uma expansão, ou contração, de um gás, (sem a in-
terferência de um meio externo) dizemos que houve realização de tra-
balho pelo sistema a custa da energia interna. Uma situação como essa
pode ser visualizada quando o cheiro de um perfume se espalha por
uma sala espontaneamente.
   Mas e quanto ao calor?
   Em situações como a do leite fervendo ou do fio sendo esticado,
a realização de trabalho implicou em variações de volume e compri-
mento. Note, entretanto, que o volume do leite não aumentou sozi-
nho, mas tivemos que colocar a leiteira no fogo. Não foi um processo
espontâneo, o leite, neste caso, não constitui um sistema isolado. Mas
ao ser aquecido, o leite acaba realizando trabalho.
   Assim, finalmente, o calor é compreendido em termos da diferen-
ça entre o trabalho total (W) realizado durante o processo e o trabalho
realizado num processo em que o sistema está isolado (Wiso).
                               Q    W ­ Wiso
    No processo em que o leite sobe na leiteira e derrama, o trabalho
para o aumento do volume é feito por causa do fluxo de calor para o
sistema. O leite não ferveria se não estivesse sendo aquecido no fogo,
não é um sistema isolado.


                                                                              ModelosdeCalor     87
       EnsinoMédio

                         Numa outra leitura da equação anterior, podemos dizer que num
                     processo em que o sistema está isolado, não há fluxo de calor para o
                     sistema. O trabalho total (W) é igual ao trabalho em processo isolado
                     (Wiso), por isso Q será igual a zero. Processos como esse, onde não
                     há fluxo de calor para o sistema, são chamados de adiabáticos.
                         Notemos que tanto o fluxo de calor ( Q) quanto a energia interna
                     (U) são definidos em termos do trabalho mecânico, e portanto a uni-
                     dade de medida dessas duas grandezas é a mesma do trabalho, ou se-
                     ja, o Joule (J).
                         Em alguns processos, o trabalho total (W) é maior que o trabalho
                     adiabático (Wiso), nesses casos o sinal de Q será positivo, e dizemos
                     que houve fluxo de calor para o sistema. Se o trabalho Wiso for maior
                     que o trabalho W, então o sinal de Q será negativo, caso em que hou-
                     ver fluxo de calor saindo do sistema. O valor de Q representará sem-
                     pre o fluxo líquido de calor durante o processo.
                         O termo fluxo, usado neste texto, está ligado à nossa interpretação
                     de calor como energia em trânsito, afastando-se da interpretação do
                     calor como fluido. Note que o fato de haver realização de trabalho im-
                     plica na transformação de um tipo de energia em outro.
                         O fluxo de calor ocorre de um objeto com temperatura maior para
                     um objeto com temperatura menor. Ou ainda, se a temperatura das vi-
                     zinhanças for maior que a temperatura do sistema, ocorre fluxo de ca-
                     lor das vizinhanças para o sistema. Em outras palavras, as mudanças
                     de temperatura dos objetos podem ser interpretadas em termos de flu-
                     xo de calor ou de transferência de energia.
                         Temos definido calor (Q) e energia interna (U) em termos de reali-
                     zação de trabalho. Como essas duas grandezas estão relacionadas?
                         A variação da energia interna (U) foi definida em termos do trabalho
                     adiabático (Wiso), como na equação seguinte, que chamaremos de (1):
                                                  U = ­ Wad (1)
                         O fluxo de calor foi definido como a diferença entre o trabalho to-
                     tal e o trabalho adiabático, como na equação (2):
                                                Q = W ­ Wiso    (2)
                        Isolando Wiso na equação (2) e substituindo o resultado na equa-
                     ção (1), obtemos:
                                                 U = Q ­ W (3)
                        Verifique agora, que temos na equação (3) uma relação entre o tra-
                     balho total realizado, o fluxo de calor e a energia interna. Tal equa-
                     ção é uma outra forma de se escrever a primeira lei da termodinâmi-
                     ca e é uma expressão do Princípio da Conservação da Energia, um dos
                     princípios mais fundamentais da Física. Qualquer processo no univer-



88   Termodinâmica
                                                                                              Física

so obedece a esse princípio: desde a queda de um copo de uma mesa
até o aumento do volume do leite durante a fervura.
    Existem ainda processos químicos em que o sistema absorve ca-
lor, mas tem sua pressão mantida constante. O calor absorvido por um
sistema à pressão constante é representado de uma maneira especial,
é chamado de variação da entalpia ( H) do sistema. Isolando Q na
equação (3), podemos escrever a entalpia por meio da equação (4):
                              H = U ­ W (4)
    A definição de entalpia torna-se importante na medida em que mui-
tas reações químicas ocorrem à pressão constante. Através do concei-
to de entalpia podemos associar o calor à energia absorvida numa re-
ação que se dá à pressão constante.



               DEBATE

    No momento em que você se pôs a escrever a sua teoria do calor, sentiu alguma dificuldade?
 Recebeu críticas de seus colegas? Perceba que em meio as dificuldades, ao longo da história, hou-
 ve o desenvolvimento de um conceito de calor, aceito atualmente como científico. Diante das dis-
 cussões feitas ao longo do texto, como você encara suas concepções sobre calor?



  Conseqüênciasdaidéiadocalorenergia
    A idéia de calor energia não pára por aqui, pois acabou tendo par-
ticipação em outro processo que desencadeou uma verdadeira revolu-
ção na história da ciência. Na época da segunda revolução industrial
(segunda metade do séc XIX), o controle da temperatura na produção
de aço era de grande importância, tendo em vista a qualidade deseja-
da para tal produto. Esse controle era dificultado pelas altas tempera-
turas envolvidas, as quais inviabilizavam a utilização de termômetros
convencionais. Surgiu, então, a necessidade de se pesquisar um novo
parâmetro que, ligado à energia desses corpos, servisse de base para
medidas de temperaturas.
    Quando um objeto está a uma temperatura muito alta, manifesta
um certo brilho, uma incandescência, é o caso da lâmpada incandes-
cente, das brasas do fogo e do Sol. Já se sabia que uma das formas
de transferência de calor é a irradiação, assim
buscava-se uma explicação científica que pu-
desse dar idéia da quantidade de energia libe-
rada por um corpo aquecido, a chamada radia-
ção térmica, como por exemplo, no processo
de produção do aço.
                                                   Fonte: http://imag.search.com


                                                                                   ModelosdeCalor      89
       EnsinoMédio

                         Os resultados teóricos da termodinâmica, da mecânica e do eletro-
                     magnetismo, encontrados até então, estavam em desacordo com os re-
                     sultados experimentais. Não se havia encontrado uma "fórmula" que
                     pudesse prever com precisão a energia irradiada por um corpo aqueci-
                     do. Na verdade, as previsões teóricas previam uma energia infinita, re-
                     sultado que ficou conhecido como "catástrofe ultravioleta".
                         Em dezembro de 1900, contudo, Max Planck (1858 ­ 1947), um
                     professor de termodinâmica, apresentou um artigo sobre as proprieda-
                     des da radiação térmica que, a princípio, atraiu pouca atenção da co-
                     munidade científica, mas acabou sendo um marco para a ciência. Em
                     seus estudos, Planck descobriu que para se explicar a radiação térmica
                     era preciso supor que a energia era emitida em pacotes, ou grãos de
                     ondas eletromagnéticas. Tais grãos foram chamados de quanta (plural
                     de quantum) de energia.
                         O artigo de Planck trouxe ao mundo da ciência as idéias da quan-
                     tização da energia e da natureza dual da matéria, que sob certos as-
                     pectos pode se comportar como onda ou como partícula. Essa idéia
                     também foi associada à luz nos trabalhos de Einstein sobre o efeito fo-
                     toelétrico. Foi o surgimento da mecânica quântica, e ainda hoje, estu-
                     dos da estabilidade da matéria, átomos e moléculas são possíveis gra-
                     ças a essas considerações.
                         E então, com toda a história contada até aqui, você é capaz de responder
                     a nossa questão inicial?


                       Referências
                        ABBAGNANO, N. História da Filosofia. vol.1. Tradução de Antonio B.
                        Coelho, Franco de Souza e Manuel Patrício. Lisboa: Editorial Presença, 1999.
                        ABRANTES, C. C. P. Newton e a Física Francesa no Século XIX, in História
                        e Filosofia da Ciência, Campinas, Série 2, 1 (1): 5-31, jan.-jun. 1989.
                        BRAGA, Marco. et al. Lavoisier ­ E a ciência no iluminismo. São Paulo:
                        Editora Atual, 2000.
                        QUADROS, Sérgio. A Termodinâmica e a Invenção das Máquinas
                        Térmicas. São Paulo: Scipione,1996.


                       ObrasConsultadas
                        ADKINS, C. J. Equilibrium Thermodynamics. 3.ed. Cambridge: Cambridge
                        University Press, 1983.
                        CHASSOT, Ático. A Ciência através dos tempos. 2.ed. São Paulo:
                        Moderna, 2004.




90   Termodinâmica
                                                                                      Física

MENEZES, L. C. A Matéria ­ Uma Aventura do Espírito: Fundamentos e
Fronteiras do Conhecimento Físico. São Paulo: Editora Livraria da Física,
2005.
RESNICK, R.; ROBERT, R. Física Quântica. Rio de Janeiro: Editora
Campus, 1978.
RUSSELL, J. B. Química Geral. 2.ed. São Paulo, Makron Books do Brasil
Editora Ltda, 1994.
SEARS, F. W.; SALINGER, G. L. Termodinâmica, Teoria Cinética e
Termodinâmica Estatística. 3.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois S. A.,
1975.
TIPLER, Paul A. Tradução MACEDO, Horácio. Física. 3.ed. Rio de Janeiro:
Livros Técnicos e Científicos, 1995.




             ANOTAÇÕES




                                                                            ModelosdeCalor     91
       EnsinoMédio




92   Termodinâmica
                                                                      Física




                                                             6



                                             VApOR E
                                           mOVImENTO
                                                           Luiza A. C. Polak1



                                          e é possível transformar car-
                                          vão em cinza, por que a cinza
                                        não pode ser transformada em
                                        carvão?




Colégio Estadual São José - Lapa - PR
1



                                                        VaporeMovimento         93
       EnsinoMédio

                         O princípio da conservação da energia estabelece que as diferentes
                     formas de energia podem ser transformadas umas nas outras, mas nunca
                     criadas ou destruídas, sendo que a energia total do universo é constante.
                         O carvão transformado em cinzas, pela combustão, não retorna em
                     carvão ao ser resfriado. Será que o princípio da conservação de ener-
                     gia não é universal?
                        Para podermos responder a essas questões, torna-se necessário re-
                     cuarmos um pouco no tempo para estudarmos as máquinas que trans-
                     formam a energia térmica em outras formas de energia.
                        Instrumentos que transformavam energia térmica em energia me-
                     cânica existem desde a antigüidade, como, por exemplo, a máquina
                     de Herão de Alexandria (50 a.C.-50 d.C.) (Fig. 1). Embora não tives-
                     se nenhuma aplicação prática, pois sua utilização restringia-se a uma
                     simples curiosidade, essa curiosidade mostrou que é possível produzir
                     movimento através da energia térmica.


                                                                                     cânula




                                    Fig. 1: Representação da máquina de Herão. Para o seu funciona-
                                    mento, colocava-se a água na esfera provocando o seu aquecimento
                                    com fogo. O vapor saía pela cânula, movendo a esfera sobre o eixo.


                         Posteriormente, em 1698, Thomas Savery (1650-1715) criou uma má-
                     quina que funcionava como uma bomba d'água, da qual não se tem no-
                     tícia de quantas foram construídas, nem de sua real eficácia na prática.
                         O precursor das máquinas a vapor com alguma aplicação prática foi
                     o inglês Thomas Newcomen (1663-1729), em 1712. A máquina, por ele
                     criada, necessitava de uma quantidade grande de material combustível
                     para funcionar e a sua utilização ficava restrita ao bombeamento de água
                     a grandes alturas. Para que você tenha uma idéia de sua utilidade, no ano
                     de 1930 ainda existia uma máquina de Newcomen em funcionamento.
                         Apesar dos fatos citados acima, sobre os momentos iniciais de estu-
                     dos das máquinas térmicas, quando pesquisamos sobre esse assunto,
                     quase sempre o crédito da construção das máquinas térmicas é atribu-
                     ído a James Watt (1736-1819), tanto que a unidade de potência, inicial-
                     mente ligada à potência do vapor, leva seu nome.



94   Termodinâmica
                                                                                                      Física

    Watt, a partir de estudos da máquina de
Newcomen, separou o pistão do reservatório de
água em baixa temperatura, utilizada para res-
friar o vapor e condensá-lo, mantendo-o sem-
pre em uma temperatura elevada, economizan-
do, assim, combustível.
    Na máquina de Watt, Fig. 2, a água é transfor-
mada em vapor na caldeira através do calor ce-
dido pela fonte quente. Esse vapor movimenta o
pistão (energia térmica é transformada em ener-
gia mecânica) e o vapor não aproveitado é no-
vamente transformado em água, cedendo calor           Fig 2: Representação da máquina de watt (adaptado   de
                                                       PINHO E ANDRADE. In: ROCHA, 2002, p. 152)
para a fonte fria, reiniciando o processo.
    Durante os séculos IV a XIII, na Europa Ocidental, a maioria do
trabalho era executado através de tração animal. Nos séculos XV a
XVIII, na Europa Ocidental, as máquinas movidas pela força da água
ou dos ventos influenciaram o desenvolvimento dos meios de pro-
dução. Essas mudanças foram se estabelecendo gradativamente e ti-
veram uma grande importância na mudança da relação entre capital
e trabalho.
    A partir do final do século XVIII a Grã-Bretanha passa a utilizar as
máquinas térmicas no desenvolvimento das indústrias de mineração.

    É evidente que nenhuma economia industrial pode desenvolver-se além
 de um certo ponto se não possui uma adequada capacidade de bens de
 capital.
     Felizmente essas desvantagens afetavam menos a mineração, que era
 principalmente a do carvão, pois o carvão tinha a vantagem de ser não somen-
 te a principal fonte de energia industrial do século XIX, como também um im-
 portante combustível doméstico, graças, em grande parte, à relativa escassez
 de florestas na Grã-Bretanha.
     O crescimento das cidades, especialmente Londres, tinha causado uma
 rápida expansão da mineração do carvão desde o final do século XVI. Por volta
 dos princípios do século XVIII, a indústria do carvão era substancialmente uma
 moderna indústria primitiva, mesmo empregando as mais recentes máquinas a
 vapor (projetadas para fins semelhantes na mineração de metais não-ferrosos,
 principalmente na Cornuália) nos processos de bombeamento.
     Portanto, a mineração do carvão quase não exigiu nem sofreu uma impor-
 tante revolução tecnológica, suas inovações foram antes melhorias do que
 transformações de produção. Mas sua capacidade já era imensa e, pelos pa-
 drões mundiais, astronômica.
                                                     (Adaptado de HOBSBAWM, 2005)




                                                                                       VaporeMovimento         95
       EnsinoMédio



                     ATIVIDADE

        Leia os textos a seguir. Após, reflita sobre os textos lidos e procure responder às questões
     colocadas:

          Texto 1: "A dinamização da economia de mercado pelo capitalismo ganha impulso com a Re-
      volução Industrial, que tem início na Grã-Bretanha, no último quartel do século XVIII. Ela consiste es-
      sencialmente na invenção de máquinas capazes de realizar tarefas que antes requeriam a mão do
      homem. Na manufatura, a operação é realizada pelo trabalhador com o auxílio da ferramenta. Na ma-
      quinofatura, a ferramenta é engastada numa máquina, que substitui o trabalhador na realização de
      uma tarefa. A máquina é mais "produtiva" do que o homem porque supera facilmente os limites físi-
      cos do organismo humano. Movida por força hidráulica e pouco depois pela energia do vapor, a má-
      quina pode dar conta de trabalhos para os quais o homem é fraco demais". (SINGER, 1987, p. 16-17)



          Texto 2: No século XIX, as máquinas térmicas tornaram-se de grande importância para o desen-
      volvimento das indústrias de mineração da Inglaterra, as minas de carvão estavam no seu limite de
      exploração, a drenagem da água do interior das minas e a elevação do carvão eram muito difíceis, o
      que com a máquina tornou-se uma tarefa de mais fácil execução.
          Mas, não foi só na mineração que as máquinas a vapor tiveram uma grande contribuição. As outras
      indústrias beneficiaram-se da mobilidade da máquina a vapor, pois podiam agora se instalar em qualquer
      lugar não dependendo mais da presença de quedas d'água ou ventos para mover seu maquinário.
          A importância das máquinas a vapor foi tal que Carnot disse que a Inglaterra poderia prescindir
      até de sua esquadra naval, mas não de suas máquinas a vapor.
         Carnot ressaltou que apesar de sua grande importância social, econômica e política muito pou-
      co se sabia sobre o funcionamento destas máquinas. (Adaptado de: AURANI, 1985)


     1. Carnot deixa a marinha inglesa em segundo plano, quando a compara com as máquinas térmicas.
        Entretanto, a marinha inglesa tinha uma função de proteção a este reino que é cercado de água. Por
        que então a marinha inglesa ficou em segundo plano?
     2. Além da evolução científica, a máquina a vapor, como citado no texto anterior, teve também um gran-
        de papel social, político e econômico. Que vantagem representou o uso da máquina para o capital?
        E para o trabalhador?


                                  A Revolução Industrial britânica contribuiu para a economia mun-
                              dial no século XIX, com o desenvolvimento das máquinas e das ferro-
                              vias. A Grã-Bretanha já tinha assumido o lucro privado e o desenvol-
                              vimento econômico como objetivos políticos governamentais da maior
                              importância. Mas, era preciso uma nova política e ideologia para que
                              o capitalismo se consolidasse em escala mundial. Nesse sentido, a con-
                              tribuição viria dos franceses, através da Revolução Francesa.

96   Termodinâmica
                                                                                                    Física


     A revolução francesa não foi feita ou liderada por um partido ou movimento organizado, no sentido
 moderno, nem por homens que estivessem tentando levar a cabo um programa estruturado. Nem mes-
 mo chegou a ter "líderes" do tipo que as revoluções do séc. XX nos tem apresentado, até o surgimen-
 to da figura pós-revolucionária de Napoleão. Não obstante, um surpreendente consenso de idéias ge-
 rais entre um grupo social bastante coerente deu ao movimento revolucionário uma unidade efetiva. O
 Grupo era a "burguesia"; suas idéias eram o liberalismo clássico, conforme formuladas pelos "filósofos"
 e "economistas" e difundidas pela maçonaria e associações informais.
      Mais especificamente, as exigências do burguês foram delineadas na famosa Declaração dos Di-
 reitos do Homem e Cidadão, de 1789. Este documento é um manifesto contra a sociedade hierár-
 quica de privilégios nobres, mas não a favor de uma sociedade democrática e igualitária. Os homens
 eram iguais perante a lei e as profissões estavam igualmente abertas ao talento; mas se a corrida co-
 meçasse sem handicaps, era igualmente entendido como fato consumado que os corredores não
 terminariam juntos. (HOBSBAWM, 2005, p.90-91)

   O capitalismo industrial adotou os ideais liberais que buscavam a
unificação de todos os mercados, a não aceitação da intervenção do
estado no funcionamento deste mercado, a propagação da liberdade
dos indivíduos e a livre concorrência.
   A Revolução Industrial, por estar voltada para problemas gerados
na indústria, tornou-se um estímulo para a atividade científica no pe-
ríodo entre os séculos XVIII e XIX. Nesse período, ocorreram profun-
das modificações na vida social e econômica com o estabelecimento
da sociedade capitalista.
   Você pode estar pensando que é a primeira vez na história que uma
teoria científica nasceu da necessidade da sociedade. Pois, se pensa as-
sim, está muito enganado: Lembra-se dos lançamentos verticais? Sabia
que eles só foram estudados para melhorar a pontaria dos canhões,
uma rudimentar máquina térmica, durante as guerras?


                ATIVIDADE

       Texto 1: A maioria dos progressos tecnológicos foi obra de inventores e artífices que usavam
   os conhecimentos práticos e pouca ou nenhuma ciência teórica.
      Segundo este ponto de vista, a Revolução Industrial foi desencadeada por fatores sociais e
   econômicos, não pela Ciência. A máquina a vapor, que utilizou as forças naturais do calor e do
   vapor para acionar máquinas para fabricação e transportes de mercadorias, foi inventada por em-
   presários habilidosos que só empregaram ocasionalmente métodos científicos e tinham escas-
   sos conhecimentos científicos.
       A Ciência tem sido freqüentemente estimulada por problemas e invenções tecnológicas. No sé-
   culo XIX, Carnot e Clapeyron usaram o trabalho de projetistas de máquinas a vapor. James Prescott
   Joule, co-descobridor da primeira lei da termodinâmica, voltou-se para o estudo do calor enquanto
   tentava projetar um motor eletromagnético. (Adaptado de: KNELLER, 1980, p. 249-251)


                                                                                     VaporeMovimento         97
          EnsinoMédio



                             ATIVIDADE

            Texto 2: O extraordinário desenvolvimento das forças produtivas alcançado pelo capitalismo in-
        dustrial resulta tanto do fomento da atividade científica como da estreita interligação dos laboratórios
        com as fábricas, estas recebendo, com rapidez, os resultados das pesquisas e os aplicando à produ-
        ção e enviando de volta com igual rapidez os novos problemas suscitados pelo avanço técnico. (SIN-
        GER, 1996, p. 21)

      1. Os seres humanos, ao longo da história, vem produzindo bens e serviços necessários à sua sub-
         sistência. Nessa produção, o homem interage através da sua força de trabalho com diversos instru-
         mentos de produção (matéria prima, equipamentos, máquinas, etc...). Cada sociedade humana es-
         tá associada a um modo de produção que é dominante. Pesquise e caracterize as transformações
         que as sociedades humanas sofreram em decorrência do modo de produção, desde o modo de
         produção presente no feudalismo até os dias atuais.
      2. O texto 2 mostra uma associação entre ciência e técnica no desenvolvimento da sociedade capita-
         lista. Que conseqüências essa associação trouxe para a produção de bens e serviços?

                                              A termodinâmica evolui a partir de necessidades postas pela indús-
                                          tria capitalista que necessitava do desenvolvimento desta ciência pa-
                                          ra seu completo estabelecimento. Nesta evolução, Sadi Carnot (1796-
                                          1832), físico e engenheiro militar nascido na França, teria importância
                                          fundamental, conforme veremos a seguir.
                                              Carnot utilizou como ponto de partida a busca pelo aumento da efici-
                                          ência da máquina a vapor. O setor industrial dependia destas máquinas,
                                          pois seu aperfeiçoamento, com conseqüente aumento de eficiência, traria
                                          benefícios para a produção.
                                             Eficiência lembra ação, produzir um efeito.
                                             Será que isso tem a ver com o fato do carvão transformado em cin-
                                          zas não poder retornar em carvão?
                                              Carnot, que aceitava a teoria do calórico, fez uma analogia do que
                                          acontecia na máquina com uma queda d'água: a água cai de uma al-
                                          tura maior para uma altura menor porque a água do alto possui maior
                                          energia potencial gravitacional, isto é, mais potência motriz. Da mesma
                                          forma, o calórico é transferido da fonte quente (que possui mais calóri-
                                          co) para a fonte fria (que possui menos calórico). Nesta transferência, a
                                          potência motriz do calórico é transformada em trabalho mecânico. Car-
      Sadi Carnot (1796-1832).            not observou que existia um equilíbrio entre o calórico cedido e recebi-
      Propôs uma teoria para explicar     do, o qual não era destruído e sim transportado do corpo quente para
      o funcionamento das máquinas
      térmicas no seu livro Reflexões     o corpo frio e demonstrou que é impossível acontecer essa transferên-
      potência motriz do fogo. Fonte:     cia sem perdas.
      http://br.geocities.com/saladefi-
      sica9/biografias/carnot.htm
                                              Dizer que a transferência de calórico acontece com perdas significa
                                          que nem toda a potência motriz fornecida à máquina é usada para fa-


98    Termodinâmica
                                                                                                        Física

zer o trabalho para qual ela foi projetada. Isso quer dizer que não exis-
te máquina térmica cujo rendimento seja de 100%.
   A lei da conservação da energia estaria errada?
   Ao expor suas idéias, Carnot iniciou as bases para que se estabele-
cesse o que seria chamado mais tarde de "2ª Lei da Termodinâmica".
Além disso, foi capaz de perceber que a potência motriz do calórico
dependia exclusivamente da temperatura das fontes quente e fria.
   Querendo obter uma máquina mais eficiente, Carnot idealizou
uma máquina térmica cujo rendimento seria o maior dentre todas.
Essa máquina utilizaria não mais o vapor d'água, como a de Watt, e
sim um outro gás.
   Como isso seria conseguido?
    Através de seus estudos, ele pôde perceber que a máxima eficiên-
cia seria obtida unicamente quando a mudança de temperatura do gás
no cilindro, onde encontra-se o pistão, fosse causada pela variação do
volume desse gás. Isso se daria quando não houvesse contato entre as
fontes fria e quente da máquina.
    Entretanto, como conseguir a variação de volume (contração e dila-
tação do gás) sem o contato entre as fontes fria e quente? Pois é aí que
entra a máquina idealizada por Carnot. Como poderíamos melhor vi-
sualizar esta máquina? Uma das formas seria a representação por meio
de um esquema do funcionamento da máquina. Uma outra forma se-
ria através de um diagrama ou gráfico, representando o ciclo comple-
to da máquina de Carnot, mas isto fica para você.


                 PESQUISA

     Que tal uma pesquisa em livros, revistas científicas e até na Internet a respeito da máquina de Carnot.
 1. Faça um desenho esquemático do funcionamento da máquina e também a sua representação através
    de um gráfico. Que transformações térmicas acontecem durante o funcionamento da máquina.
 2. Na máquina idealizada por Carnot, não existe contato entre a fonte fria e a fonte quente. Que tipo de
    processo físico ocorre?
 3. Procure responder à seguinte questão: é possível utilizar a máquina de Carnot em uma situação real?

   A representação gráfica do ciclo teórico de Carnot e do seu funciona-
mento foi feita por Émile Clapeyron (1799-1864). Esse cientista também
incorpora uma formulação algébrica ao trabalho de Carnot. O procedi-
mento adotado por Clapeyron confere maior clareza à obra de Carnot,
sendo de fundamental importância para o estudo da termodinâmica.
   A esta época, muitos pesquisadores já relacionavam o calor com
outras formas de energia (conversão de energia cinética em calor atra-
vés da fricção e liberação de energia em reações químicas), existindo

                                                                                        VaporeMovimento          99
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                                    já alguns princípios para explicar o Trabalho nas máquinas térmicas,
                                    dentre os quais destacamos:
                                       Princípio de Carnot-Kelvin: O Trabalho produzido depende da dife-
                                       rença de temperatura entre a fonte fria e a fonte quente.
                                       Princípio de Mayer-Joule: O Trabalho produzido é proporcional ao
                                       Calor
                                        Mas não existia ainda uma formulação matemática para a termodi-
                                    nâmica. Essa necessidade estava posta para a época, pois o determi-
                                    nismo newtoniano instituído por Joseph Louis Lagrange (1736-1813) e
                                    Pierre Simon (1794-1827), o Marquês de Laplace, era predominante na
                                    comunidade científica. Uma ciência, sendo apenas experimental, sem
    Lorde Kelvin (1824-1907).       formulação matemática, tinha sua aceitação dificultada.
    Fonte: http://hsci.cas.ou.edu
                                        Os estudos feitos por Mayer, Joule e Helmholtz, ligados à idéia da
                                    conservação de energia, previam que a quantidade de calor recebida
                                    pelo corpo de menor temperatura deveria ser menor que aquela cedi-
                                    da pelo corpo de maior temperatura. A diferença entre as duas tempe-
                                    raturas seria equivalente à quantidade de trabalho produzida.
                                        Nesse contexto, Sir William Thomson (1824-1907), cientista inglês
                                    também conhecido como Lorde Kelvin, suscita uma questão:
                                       Como a condução de calor entre dois corpos compensa o efeito me-
                                    cânico que pode ser obtido da diferença de temperatura inicial?
                                        Para responder a esta questão, Rudolf Clausius (1822-1888) estudou
                                    a produção de trabalho pelo calor através de processos cíclicos, como
                                    proposto por Carnot. O problema real era que sem a idéia do calóri-
                                    co não era possível justificar a assimetria existente entre processos re-
                                    versíveis e irreversíveis. Leia o texto colocado na seqüência que pode-
                                    rá ajudá-lo a entender essa assimetria.

         Os processos irreversíveis são aqueles que possuem uma direção preferencial no tempo, não po-
     dendo ser executados "de trás para frente". Quando um mergulhador pula em uma piscina, sua ener-
     gia cinética é convertida em calor, aquecendo a água. É um processo irreversível: o resfriamento súbito
     da água não devolveria o mergulhador ao trampolim. Já pensou na fumaça voltando pela chaminé, en-
     quanto a sala se resfria e a lenha reconstitui-se a partir das cinzas? É um absurdo, mas perfeitamente
     possível se encarado unicamente sob a óptica da conservação da energia.
         Mas o que se verifica é uma clara assimetria: energia mecânica pode ser transformada em calor
     sem restrições, mas a conversão de calor em energia mecânica só ocorre sob circunstâncias espe-
     ciais. Por quê?
         A teoria de Carnot também tem problemas com os processos irreversíveis. Em tais processos, pa-
     rece haver uma inegável produção de calórico, como nos canhões do conde Rumford. Surge a neces-
     sidade de uma teoria do calor que justifique a existência desses processos, até porque representam a
     grande maioria dos processos físicos. O mundo real possui uma clara ordenação temporal. Qualquer
     filme visto de trás para frente exibe situações absurdas. Essa tendência natural ao imperfeito, implícita
     na ordem temporal, precisa de uma justificativa teórica. (Adaptado de: QUADROS, 1996)


100 Termodinâmica
                                                                                     Física

    Será que esses processos irreversíveis têm alguma coisa a ver com o
fato do carvão transformado em cinzas não poder ser revertido em car-
vão com o resfriamento?
   Em seus estudos, Clausius buscou a conciliação entre a universali-
dade da Primeira Lei da Termodinâmica e a separação entre os proces-
sos reversíveis e irreversíveis. Ele postulou que:
   "O calor não pode nunca passar de um corpo mais frio para um corpo
mais quente sem que ocorram ao mesmo tempo mudanças associadas".
    Tudo que sabemos em relação à troca de calor entre dois corpos de
temperatura diferentes confirma isso, pois o calor em toda parte ma-
nifesta uma tendência em igualar diferenças de temperatura e, conse-
qüentemente, em passar numa direção contrária, isto é,do corpo mais
quente para o mais frio.
    O postulado anterior consiste no que hoje chamamos de Segunda
Lei da Termodinâmica, versão de Clausius. Na prática, se esse postula-
do não fosse verdadeiro, seria possível refrigerar um ambiente com um
refrigerador, sem o uso de eletricidade, por exemplo.
   Mas como equacionar essa lei? Comecemos pensando no objetivo de
uma máquina térmica: converter uma certa quantidade de calor em tra-
balho. Bem, e daí?
    Na verdade, a Segunda Lei não invalida a primeira, a considera-
ção é apenas de que a história toda ainda não foi contada. Na prática,
o reservatório térmico que aparece no ciclo de Carnot, pode ser, por
exemplo, a atmosfera ambiente ou grandes massas de água, e como os
estados final e inicial do fluido são os mesmos, a energia interna pode
ser considerada constante ( U =0). Assim, a Primeira Lei da Termodi-
nâmica pode ser reescrita como na Equação (1):
                       W = Q = Qq ­ Qf (1)
    Esse Q é o calor absorvido no processo, dado pela diferença entre
o calor fornecido pela fonte quente (Qq) e o calor rejeitado (Qf,) para
a fonte fria, que vai para o reservatório frio.
    O rendimento ( ) de uma máquina é definido como a razão entre o
trabalho efetuado e o calor absorvido do reservatório quente:
                                  W
                              =         (2)
                                  Qq

   A combinação das Equações (1) e (2) leva a:
                                   Qf
                            =1­           (3)
                                   Qq




                                                                          VaporeMovimento 101
       EnsinoMédio

                                No caso do rendimento máximo (100%), todo o calor absorvido do
                            reservatório quente seria transformado em trabalho, e a rejeição de ca-
                            lor à fonte fria seria nula (Qf = 0). Mas para que o rendimento de uma
                            máquina térmica seja de 100%, ela não pode perder energia por meio
                            de atrito entre as peças, viscosidade, ou qualquer força que produza
                            calor. Mas você já deve ter percebido que a carcaça de um condiciona-
                            dor de ar aquece, então, nesse caso, essa condição não é satisfeita.
                               Como equacionar esse problema de rendimento, sem se esquecer da
                            questão da reversibilidade ou não dos processos?
                                Com base nas idéias de Carnot, Clausius associou o trabalho reali-
                            zado pelas máquinas térmicas com a diferença entre a Potência Motriz
                            da fonte quente (Pq) e da fonte fria (Pf). Para ele essa potência seria da-
                            da pelo produto de uma grandeza, a qual chamou de entropia (S), pe-
                            la temperatura, como na Equação (4).
                                                      W = SqTq ­ SfTf    (4)

                                Comparando as equações (4) e (1), você pode perceber que elas
                            serão iguais somente se a entropia for a razão entre o calor trocado e
                            a temperatura:
                                                                Q
                                                           S=
                                                                T
                               Você deve estar se perguntando: "mas que vantagem temos com isso?"
                                Com essa formulação, Clausius constatou que se um processo é re-
                            versível, ou se uma máquina tem rendimento de 100%, a entropia do
                            sistema se conserva. Se, por outro lado, o sistema não é reversível ou
                            se uma máquina não tem rendimento de 100%, a entropia do sistema
                            aumenta ( S > 0).
                                Assim, a Segunda Lei da Termodinâmica pode ser escrita em termos
                            da entropia do sistema:
                               "Em qualquer processo, a entropia do universo nunca diminui".


                     DEBATE

         No caso do carvão sendo transformado em cinzas, seria possível diminuir a entropia esponta-
     neamente? Como? Que tipo de processo ocorre com o carvão e o que isso tem a ver com a dimi-
     nuição ou aumento da entropia?

                               Você deve estar curioso, afinal, o que vem a ser essa tal de entropia?
                                Por enquanto, vamos pensá-la apenas como parâmetro usado para
                            descrever a reversibilidade ou não de um processo, mas fisicamente a
                            mensagem da entropia é mais importante ainda. Não deixe de ler o ca-
                            pítulo 7 (Verso e Reverso ­ A ordem do Universo), onde essa grande-
                            za receberá um tratamento mais aprofundado.

102 Termodinâmica
                                                                                                     Física

    Voltando à questão das máquinas térmicas, Lord Kelvin tratou da ir-
reversibilidade, observando que não é possível uma máquina térmica
cíclica, em que todo o calor seja transformado em trabalho. Ele postula
o que chamamos segunda lei da termodinâmica, versão Kelvin:
   "Não existe uma máquina térmica cujo rendimento seja 100%".

   Lembra do que foi dito a respeito da entropia neste caso?
    Podemos observar que sem a conservação da energia e sem o ca-
lor ser visto como uma forma de energia, as leis da termodinâmica
não teriam a forma que tem hoje, ficando talvez restritas a enuncia-
dos qualitativos.
    Além dos refrigeradores domésticos, os motores dos automóveis
ou dos aviões também são máquinas térmicas. Esses motores funcio-
nam em quatro tempos. Nos automóveis existem de 4 a 8 cilindros,
nos aviões chegam até 24 cilindros. Veja a representação do funciona-
mento de um destes motores:

 A) 1º tempo-admissão: O pistão acionado pela biela e pelo virabrequim afasta-se do fundo do cilindro
    e cria uma queda de pressão. Abre-se a válvula Y e produz-se uma mistura gasosa (vapor de com-
    bustível e ar).
 B) 2º tempo-compressão: Chegando a extremidade do cilindro, o pistão volta para o fundo, a válvula
    agora fechada. O gás aspirado reduz-se ao volume da câmara de combustão. A compressão favo-
    rece a inflamação da mistura detonante.
 C) 3º tempo-explosão: Uma faísca produzida pela vela ocasiona a explosão da mistura de gases. A alta
    pressão e temperatura dos gases que se expandem propiciam o fornecimento de trabalho exterior.
 D) 4º tempo-escape: A válvula X é aberta, resfriando-se e anulando a pressão. O pistão volta ao fun-
    do do cilindro expelindo os gases queimados. Recomeça-se o ciclo.
     Note que o processo é nada mais que compressão e expansão de gases.




                Pistão
                    biela
           virabrequim




                                                                                 (Adaptado de GREF, 2005 )


    Nestes motores, devemos resfriar o cilindro para que a alta tempe-
ratura dos gases não carbonize o óleo usado na sua lubrificação, o que
ocasionaria a aderência do pistão ao cilindro. Faz-se a refrigeração por
meio da circulação de água e radiador.


                                                                                   VaporeMovimento 103
       EnsinoMédio

                               A mistura de gás combustível e ar é dosada no carburador. O com-
                            bustível líquido é pulverizado por corrente de ar aspirado pelo pistão, e
                            como o líquido é volátil, as gotas arrastadas vaporizam-se rapidamente.
                               Mesmo com os carros modernos que utilizam injeção eletrônica e
                            muitas outras inovações o motor ainda não sofreu modificações . Ele
                            continua com os quatro tempos: ignição, compressão, explosão e escape.
                            O que mudou foram as imediações do motor, não o próprio motor.


                     DEBATE

     1. Discuta com seus colegas se realmente os meios de transporte, que tem como responsável pelo
        movimento as máquinas térmicas, foram uma solução para o transporte da população em compa-
        ração com a tração animal. Quais as vantagens de um sobre o outro?
     2. Há algum meio de transporte moderno que não dependa ou não seja uma máquina térmica?
     3. Quais seriam as conseqüências na atualidade se deixássemos de utilizar os modernos meios de
        transporte e voltássemos a usar a tração animal como meio de locomoção a longas distâncias?


                                Neste estudo vimos que a aparente violação da lei da conservação
                            da energia nos processos irreversíveis foi explicada pelas Leis da ter-
                            modinâmicas através das resolução dos problemas levantados no âm-
                            bito da temática das máquinas térmicas.
                                Neste instante, a titulo de uma conclusão, você poderia responder
                            ao questionamento inicial: Conseguimos transformar carvão em cinzas. Por
                            que então não conseguimos transformar cinza em carvão?


                              Referências
                               AURANI, K. M. Ensino de Conceitos: estudo das origens da 2ª Lei da
                               termodinâmica e do conceito de entropia a partir do século XVIII. São Paulo,
                               1985. Dissertação de mestrado. USP.
                               GREF. Física 2. São Paulo: Edusp, 2005.
                               HOBSBAWM, E. J. A. Era das Revoluções 1789-1848. São Paulo: Paz e
                               Terra, 2005.
                               KNELLER, J. A Ciência como construção humana. São Paulo: Edusp,
                               1980.
                               QUADROS, S. A Termodinâmica e a invenção das máquinas térmicas.
                               São Paulo: Editora Scipione,1996.
                               SINGER, P. O Capitalismo sua Evolução sua Lógica e sua Dinâmica.
                               São Paulo: Editora Moderna,1987.




104 Termodinâmica
                                                                                        Física

 ObrasConsultadas
 FEYMMAN, R.P.; SANDS, M.; LEYGTON, R. B. The Feymman Lectures on
 Physics - V I. Palo Alto: Addison-Wesley Publishing Company, 1964.
 ROCHA, J. F. M. (org). Origens e Evolução das Idéias em Física. Salvador:
 EdUFBa, 2002.
 SEARS, F. W.; SALINGER, G. L.: Termodinâmica, Teoria Cinética e
 Termodinâmica Estatística. 3.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois S. A.,
 1975.
 TIPLER, P. A.; LLEWELLYN, R. A Física Moderna. Rio de Janeiro: Livros
 Técnicos e Científicos, 2001.
 TIPLER, P.. Física Para Cientistas e Engenheiros. Vol. 2. Rio de Janeiro:
 Livros Técnicos e Científicos, 1995.




              ANOTAÇÕES




                                                                             VaporeMovimento 105
  Fonte: http://www.gsfc.nasa.gov




106 Termodinâmica
                                    EnsinoMédio
                                                                                                            Física




                                                                                                   7
                                                     VERSO E REVERSO:
                                                          A ORDEm NO
                                                             UNIVERSO
                                                                                               Luiza A. C. Polak1


                                                Quem se tornou sábio em origens antigas, vede, esse acabará
                                            por procurar por fontes do futuro e por novas origens.
                                               Ó meus irmãos, ainda não falta muito, e surgirão novos povos e
                                            novas fontes correrão murmurantes para novas profundezas.
                                                O tremor de terra, sim ­ esse soterra muitos mananciais, provoca
                                            muita sede; mas também traz forças íntimas e segredos a luz. O tre-
                                            mor de terra torna patentes novas fontes. No tremor de terra de ve-
                                            lhos povos irrompem novas fontes. (Nietzsche, 1999, p. 236)




                                                     ara Nietzsche um conhecimento somente é verda-
                                                     deiro enquanto servir aos propósitos ou, no caso
                                                    da Física, enquanto prever os fenômenos. Ele nos
                                                 diz que o conhecimento não deve ser visto como es-
                                                tagnado, mas em constante mutação.
                                               Parafraseando-o: o Universo está em constante transforma-
                                            ção. Em se tratando de Física, o que seria esta transformação?
                                            Ela é passível de ser expressa em uma equação, se existir?




1
    Colégio Estadual São José - Lapa - PR

                                                                            Versoereverso:Aordemnouniverso 107
       EnsinoMédio

                                 O advento das máquinas térmicas em meados do século XIX, e a
                             descoberta simultânea da conservação de energia entre 1842 e 1847,
                             abriram as condições para que Rudolf Julius Clausius (1822-1888) for-
                             mulasse o conceito de entropia em seu terceiro artigo sobre as leis da
                             termodinâmica, em 1897.
                                 Clausius teve como base, também, os conceitos sobre calor e tem-
                             peratura de Sadi Carnot (1796-1832), dos quais teve conhecimento
                             através de trabalhos de Clapeyron (1799-1864) e William Thompson
                             (1824-1907).
                                 Clausius, por meio da formulação do conceito de entropia, uniu
                             duas teorias sobre o trabalho produzido pelas máquinas térmicas (Car-
                             not-Kelvin e Mayer- Joule). Na primeira, o trabalho produzido depen-
                             dia da qualidade (temperaturas da fonte fria e quente), e na segunda, o
                             trabalho produzido dependia da quantidade (a quantidade de calor).



                     ATIVIDADES

     1. Pesquise, em dicionários, o significado das palavras energia e entropia. Faça um quadro com as de-
        finições encontradas. Sintetize estas definições em uma única palavra.
     2. De acordo com a pesquisa realizada, foi encontrada alguma relação entre energia e entropia?
     3. Compare o que encontrou com a etimologia da palavra entropia.


                                 Para-se chegar a essa nova grandeza física, várias mudanças de
                             conceitos tiveram que ser efetuadas, tais como: o calor teve que evo-
                             luir de um fluido presente nos corpos para uma forma de energia.
                                 Também as leis da termodinâmica tiveram que ser expressas ma-
                             tematicamente. Até então, essas leis eram somente enunciados quali-
                             tativos, e antes de enunciar o conceito de entropia, Clausius escreveu
                             de forma matemática a segunda lei da termodinâmica somente assim,
                             conseguindo chegar ao conceito de entropia. Mas qual o significado de
                             se escrever matematicamente uma lei física?
                                 Até que fossem expressas matematicamente, as Leis da Termodinâ-
                             mica sofreram inúmeras críticas. Quem criticava? E por que criticava?
                                  Nietzsche, em seu livro Crepúsculo dos Deuses, diz que o homem
                             é histórico e que ao isolarmos este de seu momento histórico estare-
                             mos cometendo uma falta grave. O sujeito é o produto de seu meio e
                             suas vivências.
                                 De fato, para compreender não só a Termodinâmica, mas qualquer
                             teoria científica é necessário recorrer ao momento histórico em que ela
                             se desenvolveu.



108 Termodinâmica
                                                                                                      Física

    Então, se você não leu o capítulo 6 ­ Vapor e Movimento ­ deste li-
vro leia! Ele ajuda você a compreender uma fase de mudanças sociais
e econômicas que ocorreram na Europa, no período entre os séculos
XVIII e XIX, que se concretizou com o estabelecimento da economia
capitalista.
    A máquina a vapor teve papel de destaque na Revolução Industrial
e, esse fato, torna-se um estímulo ao desenvolvimento científico que
volta-se para os problemas surgidos na indústria e, assim, a Termodi-
nâmica evolui.
    Era preciso matematizar não só a entropia, mas toda a Termodinâ-
mica, nos moldes da física newtoniana. Este fato reflete-se na Física da
seguinte forma, as leis qualitativas (não matematizadas), passíveis de
serem mal interpretadas, perdem seu poder de fogo, as leis quantita-
tivas (matematizadas) tornam-se soberanas. O único modo de se che-
gar a explicar casos particulares, um fenômeno, é através de princípios
gerais, onde a matemática, que vista como universal, exerce um papel
preponderante.
    Usando este exemplo, Nietzsche, afinal, não tem razão?

    Os cientistas, em se tratando da entropia, poderiam enunciá-la
utilizando como técnica o uso dos sentidos?


     Tempo, Vida e Entropia
      A segunda lei da termodinâmica é, talvez, a lei natural mais fascinante. Em sua versão mais simples,
 proposta no século 19 por um médico alemão chamado Rudolf Clausius e pelo físico inglês Lord Kel-
 vin, ela afirma que o calor sempre flui de um corpo quente para um corpo mais frio. `Que lei mais óbvia',
 imagino que você esteja pensando.
     Vamos por partes, começando com fatos que são familiares para todo mundo. Quando você põe
 um cubo de açúcar no café, o cubo dissolve. Uma vez dissolvido, você não verá os grãos de açúcar
 voltarem a formar o cubo.
     Mais um exemplo: você quebra um ovo e prepara uma omelete. Jamais você verá a omelete se
 transformar de volta em um ovo. Todos esses processos mostram que existe uma direção preferencial
 para a passagem do tempo. Se você visse uma omelete se transformando em um ovo, você imediata-
 mente concluiria, por mais estranho que fosse, que o tempo estaria andando para trás.
     Os exemplos acima têm um aspecto em comum: todos eles começam em um estado organiza-
 do (o cubo de açúcar, e o ovo) e terminam num estado muito mais desorganizado (o cubo dissolvido e
 a omelete). Esse aumento inevitável da desordem não é uma propriedade exclusiva de cubos de açú-
 car, ou ovos.
    Ele ocorre com todos os sistemas que não trocam energia com o exterior. (No caso do ovo, o sis-
 tema tem de incluir a panela e a colher que bate o ovo e, se você quiser, o calor do fogão e a energia
 que você gasta.)
    A quantidade de desordem de um sistema é representada pela sua entropia: quanto mais organi-
 zado o sistema, menor é a sua entropia.



                                                                     Versoereverso:Aordemnouniverso 109
       EnsinoMédio


         O cubo e a xícara de café do exemplo acima têm entropia menor do que os grãos de açúcar es-
     palhados por todo o volume do café. Esse crescimento da entropia é outra expressão da segunda lei
     da termodinâmica: em um sistema isolado (que não troca energia com o exterior), a entropia nunca de-
     cresce, podendo apenas crescer ou permanecer constante.
         E, como a segunda lei também está relacionada com a direção da passagem do tempo, podemos
     dizer que o tempo vai para frente porque a entropia cresce.
         Não existe escapatória: um sistema deixado aos seus afazeres irá sempre ficar mais desorganizado
     (e, conseqüentemente, mais `velho'). O que seria de sua casa se você nunca a limpasse?
         Sempre que discuto a segunda lei, as pessoas me perguntam se ela não contradiz a teoria da evo-
     lução. Afinal, segundo essa teoria, a vida na Terra começou com seres unicelulares bastante simples e,
     com o passar do tempo, foi ficando cada vez mais complexa, cada vez mais organizada.
        Qualquer animal depende de um influxo constante de energia e de alimentação para viver. A vida
     não é possível para um ser que exista completamente isolado dos outros animais e do mundo.
         Ela só é possível quando existe um decréscimo local de entropia, um aumento local de ordem. Mas,
     quando consideramos as fontes de energia (o Sol, os alimentos), a entropia total sempre cresce. E o
     tempo, para o cosmo como um todo, continua sempre marchando avante, indiferente às nossas in-
     quietações existenciais.
                                                                                      (Adaptado de Gleiser, 2002)


                                  A partir da leitura do texto anterior, responda as atividades propos-
                              tas a seguir:


                     ATIVIDADES

     1. A entropia é passível de medida?
     2. Por que conseguimos nos lembrar do passado e não do futuro?
     3. Como você responderia a pergunta feita, pelo autor do texto, Tempo vida e entropia, sobre a teoria
        da evolução?



                                  Dois dos limites físicos aceitos pela física hoje são a velocidade da
                              luz no vácuo (c = 3 X 108 m/s), para mecânica, e o zero absoluto (zero
                              Kelvin), para a termodinâmica. Quando nos aproximamos destes limi-
                              tes, o mundo físico muda de perspectiva. A massa que para baixas velo-
                              cidades (presentes no nosso cotidiano) é considerada constante, já não é
                              quando as velocidades aproximam-se da velocidade da luz no vácuo.
                                 O que será que ocorre com a natureza quando nos aproximamos do
                              zero absoluto? Que grandeza manifesta mais intensamente esse limite?
                                 É aí que entra a entropia e a 3ª Lei da Termodinâmica!




110 Termodinâmica
                                                                                                    Física


 "Na vizinhança da temperatura do zero absoluto todas as reações em um
 líquido ou sólido em equilíbrio interno passam sem mudança da entropia."
                                   (Enunciado de Planck para a 3ª Lei da Termodinâmica)


   Mas a entropia não aumenta sempre?
   Agora que já temos formada uma idéia qualitativa do que seja a en-
tropia, que mede a desordem do sistema, quanto maior a desordem
mais próximo do equilíbrio o sistema está, vamos expressá-la de for-
ma matemática.
                                   Q
                               S=
                                   T
   Onde:
    S = é a variação de entropia
    Q = é a variação do calor (Q2 ­ Q1)
   T é a temperatura

   Vamos tentar entender o conteúdo desta expressão matemática, no
caso de um sistema que é irreversível, ou seja, que não volta ao seu
estado inicial espontaneamente.
    Supondo que se coloque uma barra de metal em alta temperatura
(T1) em contato com água gelada (T2). Uma certa quantidade de calor
( Q) é transferida do corpo com maior temperatura para o corpo de
menor temperatura, até que entram em equilíbrio térmico. Na água, a
entropia cresce, e na barra de metal, a entropia decresce, assim a varia-
ção de entropia do sistema aumenta (S > O), pois T1 > T2.




                                                                   Q
                                                                  T1
          Q
                                                              entropia
         T2                                                   da barra
     entropia
     da água

    A entropia depende exclusivamente dos estados inicial e final do
sistema. O que ocorre neste ínterim não interessa em termos do cálculo
da entropia.




                                                                           Versoereverso:Aordemnouniverso 111
       EnsinoMédio



                           ATIVIDADES

     1. Discuta, em grupos, o que acontece com a variação da entropia nos seguintes casos:
            Fusão do gelo.
            Solidificação da água.
     2. Pode existir entropia negativa na termodinâmica? Justifique.



                                      Usamos o calor para obtermos a variação de entropia. Calor é uma
                                   forma de energia. Como será que podemos relacionar a entropia com as
    Importante!                    outras formas de energia?
    Cada Lei da Termodinâmi-           No caso dos processos reversíveis, o sistema retornando ao seu es-
    ca está associada a uma        tado inicial, a variação de entropia é nula, já que a entropia é uma fun-
    variável.                      ção de estado dependendo unicamente dos estados final e inicial do
    Lei Zero: temperatura (T);     sistema. Nesse caso nenhuma energia do sistema foi degenerada, toda
    1ª Lei: energia interna (U);
                                   a energia está disponível para realizar trabalho. O sistema pode então
                                   usar esta energia para retornar ao seu estado inicial.
    2ª Lei: entropia (S)
                                       A entropia, assim como a energia, não pode ser destruída, mas, ao
                                   contrário da energia, pode ser "produzida" a partir dos processos irre-
                                   versíveis.

                                        Assim, a Primeira e a Segunda Leis da Termodinâmica podem ser resu-
                                     midas da seguinte maneira:
                                        A energia do universo é constante.
                                        A entropia do universo tende ao máximo.


                                          Caso a entropia aumente, a quantidade de energia disponível para re-
                                     alizar trabalho útil diminui ou a quantidade de informação que possuímos a
                                     respeito do estado interno de um sistema diminui. A segunda Lei é uma afir-
                                     mação pessimista: essencialmente, afirma que, no universo como um todo,
                                     as coisas só podem piorar! (NICOLSON, 1981, p.164)

                                      Então o Princípio da conservação da energia não é universal?
                                      Esta aparente violação desse Princípio (degradação da energia)
                                   acontece nos processos reversíveis. E nos irreversíveis?
                                      Como os sistemas naturais e espontâneos funcionam se deixados ao
                                   acaso? E se esses sistemas sofressem uma intervenção inteligente?

                                     EMaxwelltentouburlaralei!
                                      Vamos comparar essa situação com o caso de você ordenar as rou-
                                   pas de seu armário, das cores claras para as escuras. Por mais que no

112 Termodinâmica
                                                                                                                                   Física

dia-a-dia o armário seja desarrumado, o que podemos associar a um
aumento de entropia, você pode voltar a deixá-lo organizado. Nessa si-
tuação você estaria diminuindo a entropia do armário.
                                        Uma xícara de chocolate quente esquecida
  O mundo fantástico de Maxie               é um território para Maxie agir.




                                                                                   E o resultado é surpreendente. Metade do
                                                                                    chocolate frio e a outra metade quente.




 Autor: Cristiano Portela (Aluno do Ensino Médio no Colégio Estadual São José,Lapa ­ Paraná)

    Foi bem assim que o cientista inglês J. C.Maxwell (1831-1879)
pensou. Criando um ser teórico e minúsculo, Maxie ou Demônio de
Maxwell, capaz de manipular as moléculas de um gás pelo abrir e
fechar de uma porta imaginária, usada para separar as moléculas em
razão de suas velocidades. Como se estivesse contornando a 2ª Lei da
Termodinâmica. O que seria este contornar a Segunda Lei?
    Entretanto, foi mostrado posteriormente que, para reduzir a entro-
pia do gás, Maxie, causaria um aumento de entropia em outros luga-
res, já que, para enxergar as moléculas, precisaria de alguma fonte lu-
minosa extra, permanecendo, então, válida a segunda lei.
    Por que a fonte luminosa causaria um aumento na entropia?
    Além do aumento na entropia do ambiente causada pela "fonte lu-
minosa extra", é preciso considerar, também, o aumento da entropia
interna, para o próprio Maxie, as enzimas perdem sua função, desna-
turando-se. Maxie assim paga o preço de suas ações .
    O nosso amiguinho Maxie serve para nos dar uma idéia de como
as enzimas trabalham. As enzimas têm a função de catalizar os proces-
sos bioquímicos, em outras palavras, acelerá-los.
    Para que uma substância transforme-se em outra, é necessário
que agreguemos ou retiremos desta elétrons ou átomos, e isto re-
quer energia.
    Nos sistemas vivos, as enzimas é que fazem com que a molécula
esteja pronta (organizada) para que possa ser transformada em outra,
sem que para isso necessite de energia extra.

                                                                                                          Versoereverso:Aordemnouniverso 113
       EnsinoMédio

                        Uma enzima ou proteína de catálise (amilase, maltase e a pepsina,
                     entre outras) não se transforma, apenas facilita a passagem dos átomos
                     de um lugar para outro. Feito isso, a enzima está pronta para fazê-lo
                     com a próxima molécula, como uma máquina em uma fábrica.
                        Maxie também é este facilitador, ele deixa com que certo tipo de
                     molécula possa passar de um lugar para outro sem que esta necessite
                     de uma carga extra de energia.
                         Existem, aproximadamente, 3700 diferentes tipos de enzimas clas-
                     sificadas atualmente. Algumas destas enzimas estão presentes em um
                     único tipo de célula, como o caso das enzimas que convertem tyrosina
                     em dopamina, um neurotransmissor das células nervosas.
                         Mas também existem enzimas que estão presentes na maioria das
                     células, como a que participa da conversão de glucose e oxigênio em
                     dióxido de carbono e água.
                         As reações de que as enzimas participam e que ocorrem com faci-
                     lidade na natureza são extremamente difíceis de serem reproduzidas
                     em laboratório.
                         Estas ocorrem somente em condições de altas temperaturas, pres-
                     são, ou baixos valores de pH. Entretanto, as enzimas funcionam efe-
                     tivamente em ambientes de temperatura de 37º C, 1 atm de pressão,
                     e pH 7 (pH Neutro), ou seja, um valor nem básico nem ácido.
                         Aquecendo-se ou variando-se o pH (potencial hidrogeniônico)
                     das enzimas, certa forma de proteína, podemos provocar a destrui-
                     ção de sua estrutura terciária (forma da proteína). Com isso, as enzi-
                     mas perdem sua ação biológica. Esse fenômeno é chamado desnatu-
                     ração da proteína.
                         Ex: aquecendo-se a clara de ovo, a albumina é desnaturada (o
                     processo é irreversível).


                          As proteínas possuem as estruturas primárias, secundárias e terciárias.
                      A estrutura primária de uma proteína é determinada pela seqüência de ami-
                      noácidos em sua cadeia. Relacionada com a disposição espacial das es-
                      truturas primárias, que podem ser em forma de hélice ou folha pregueada,
                      está a estrutura secundária. A forma espacial de uma proteína, ocasiona-
                      da pelo enrolamento de suas estruturas secundárias, é chamada de estru-
                      tura terciária da proteína. Esse enrolamento não é aleatório, mas direciona-
                      do a função da proteína.
                         Algumas proteínas, como a hemoglobina, apresentam estruturas forma-
                      das pela associação de duas ou mais cadeias de polipeptídios, constituin-
                      do-se uma estrutura quaternária. (adaptado de JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2005)




114 Termodinâmica
                                                                                          Física

  BoltzmanneaProbabilidade
   No mundo macroscópico, podemos medir com um grau bem ele-
vado de exatidão a posição e velocidade de um caminhão, por exem-
plo. Quando ingressamos no mundo microscópio, devemos estar
cientes que apenas uma destas grandezas nos será possível conhecer
com exatidão. A outra grandeza nos será apresentada por meio da
probabilidade. Este é o Principio da incerteza de Heisenberg.
    Sócrates, com sua frase "só sei que nada sei", nos dá a falsa impressão
de que ele, assim como Nietzsche, não acreditava na verdade absoluta.
Porém, muito pelo contrário, ele não só acreditava nessa verdade, mas
a buscava incessantemente.
    Embora haja uma declarada divergência entre Nietzsche e Sócrates
em relação a verdade, a utilização dos sentidos é usada por ambos para
justificar seus pontos de vista.
    Sócrates buscava a verdade através da razão, falseabilidade dos
sentidos. O que não é o caso de Nietzsche, para quem a verdade é
relativa ao discurso: quem contar uma mentira convincentemente pode
torná-la "uma verdade". Portanto, a incerteza como princípio é anterior
a Heisenberg.
   Abandonamos as exatidão das medidas para ingressarmos no terreno
da probabilidade. Neste caso, para o físico Ludwig Boltzmann, a entro-
pia de um sistema de partículas seria passível de calcular através da se-
guinte equação, onde a probabilidade está presente através de :
                                 S = k ln
onde:
S é a entropia
                                R               J
k é a constante de Boltzmann K= N =1,38 X 10 K
                                            -23

                                 A

  é o número de microestados possíveis
   O número de microestados, distribuições das partículas em níveis
de energia, igualmente prováveis, de um sistema macroscópico, é cha-
mado probabilidade termodinâmica do macroestado.
   No caso do zero absoluto, somente existe um único estado possí-
vel para as partículas de um sistema, o nível fundamental, ou nível de
menor energia, então temos que = 1 (ln 1= 0, todo número elevado
a zero é 1), portanto a entropia (S) é igual a zero (3ª Lei).
   Mas e se a temperatura não for o zero absoluto? Que valor terá ?
   Vamos imaginar que temos em uma sala de aula 4 estados princi-
pais, possíveis para os alunos.
   1º - Todos sentados e conversando.
   2º - Todos em pé e conversando.
   3º - Todos sentados e em silêncio.
   4º - Todos em pé e em silêncio.
                                                                 Versoereverso:Aordemnouniverso 115
       EnsinoMédio

                                  O estado em que o aluno despende menos de energia é sentado e
                              calado. Supondo que estejam todos os alunos muito cansados e esteja
                              muito frio, o único estado possível é este estado onde o gasto de ener-
                              gia será menor, portanto = 1.
                                  Mudando-se a temperatura do ambiente e o nível de cansaço dos
                              alunos as possibilidades de outros estados acontecer aumentam.
                                  Podendo, inclusive, ocorrer inúmeros estados com diferentes pro-
                              porções dos 4 estados principais.
                                  Obtendo-se a soma destes inúmeros possíveis estados, teremos o
                              valor de .
                                  Para tentarmos entender um pouco mais sobre a probalidade,
                              vamos dar uma olhada num trecho do musical Guys and Dolls, onde
                              dois personagens Big Jule e Nathan vivem a seguinte situação: Big
                              Jule, que tem um conjunto de dados totalmente branco, exige, com o
                              uso da força de uma arma, que Nathan o use. Acompanhe o diálogo.
                              ­ (Nathan) Mas esses dados não têm bolinhas!
                              ­ (Big Jule, segurando a arma) Não tem problema, eu me lembro on-
                                  de elas estão.
                                  Nathan joga os dados.
                              ­ (Big Jule) Sete!
                              ­ (Nathan, sarcasticamente) Qual é o seis e qual é o um?
                              ­ (Big Jule) Qual a diferença?
                                  Big Jule estava brincando ou existe algum fundo de verdade em sua
                              afirmação? Veja o quadro abaixo e tire suas conclusões.

         Os dados de Big Jule fornecem-nos apenas 21 resultados possíveis, dos quais três dão a soma se-
                                                                                        1
     te, portanto a probabilidade de obtermos a soma sete é de três em vinte um, ou de .
                                                                                        7
                                                1
         Já nos dados normais ela é de , pois todos os lados têm a mesma probabilidade de cair para ci-
                                                6
     ma , 6 . 6 = 36, seis dessas configurações terão a soma sete, de modo que a possibilidade de obter-
     mos um sete é de seis em 36.
         Os cálculos dos dados de Big Jule não são reais, referem-se a dados onde as faces são indistinguí-
     veis entre si. (adaptado de: SPEYER, 1995)




                     ATIVIDADE

        Bom, agora que você já leu o subtítulo "Boltzmann e a Probabilidade" (inclusive o texto da caixa
        anterior, adaptado de Speyer), responda:
     1. As partículas usadas como exemplo, em cada caso, são distinguíveis ou indistinguíveis? Justifique
        sua resposta.
     2. Se pudéssemos mudar a condição das partículas, usadas no exemplo, de distinguíveis para indis-
        tinguíveis ou vice - versa, o valor de W aumentaria ou diminuiria?


116 Termodinâmica
                                                                                                           Física

    De acordo com MENEZES (2005), uma violação do princípio de
conservação da energia significa uma não uniformidade no fluir do
tempo. Ao vermos um vidro quebrado subitamente regenerar-se, sa-
bemos que estamos assistindo a um filme em ordem inversa. A irre-
versibilidade dos processos espontâneos é responsável por haver um
sentido privilegiado para o tempo.
    No momento da elaboração da Terceira Lei da Termodinâmica não
se tinha conhecimento da existência de um ente cosmológico chama-
do Buraco Negro. E mesmo sendo uma das mais importantes Leis da
Física, a 2ª lei da termodinâmica parecia tornar-se irrelevante para os
Buracos Negros.
     Em princípio, entendia-se que uma porção de matéria sumindo ou
transformando-se em um buraco negro, faria com que a entropia do
universo diminuísse.
    John A. Wheeler buscava uma solu-
ção para esta aparente violação da 2ª Lei
da Termodinâmica. Em 1970, Demetrious
Christodoulou e Stephen W. Hawking, in-
dependentemente, provaram que na fu-
são de buracos negros a área total do ho-
rizonte de eventos nunca diminui.
    Então, em 1972, Jacob D. Bekenstein
propôs a Segunda Lei generalizada (GSL)
que diz que deve-se incluir na quantidade
total de entropia do universo a entropia
de todos os Buracos Negros. Dito de ou-  A figura mostra um buraco negro. Fonte:   http://www.gsfc.nasa.gov/topstory/
tra forma, se um objeto cai em um bura-       20020626bhlight.html
co negro, a entropia do universo decres-
ce. Mas a entropia do Buraco Negro aumenta, aumentando também
seu horizonte de eventos. O horizonte de eventos pode ser entendido
como uma fronteira, que faz a divisa, em um Buraco Negro, de onde
a luz escapa ou não escapa. Ou seja, se a luz estiver no horizonte de
eventos, ela não escapa do Buraco Negro.
    O que são Buracos Negros? São estrelas que colapsaram, isto é, a
sua massa, que é muito grande, fica como que concentrada em um
único ponto, atraindo com força muito grande objetos que se aproxi-
mam dele.
    O termo Buraco Negro foi introduzido, em 1967, por John A. Whe-
eler . Mas, em 1783, o inglês John Michel (1724-1793) propôs que uma
estrela com massa suficientemente grande impediria a luz de escapar
de seu campo gravitacional.
   Você poderia responder às questões propostas inicialmente: O
Universo está em constante transformação. Em se tratando de física, o
que seria esta transformação? Ela é passível de ser expressa em uma
equação, se existir?

                                                                 Versoereverso:Aordemnouniverso 117
       EnsinoMédio


                      Referências
                      GLEISER, M.. Tempo, Vida e Entropia. Folha de São Paulo, 19 de Maio
                      de 2002, p. 22. Folha Mais.

                      JUNQUEIRA, L. C. & CARNEIRO, J. Biologia Celular e Molecular. São
                      Paulo: Editora Guanabara-Koogan,2005.

                      MENEZES, L. C. A Matéria: uma aventura do espírito. São Paulo:
                      Editora Livraria da Física, 2005.

                      NICOLSON, I. Gravidade, Buracos Negros e o Universo. Rio de Janeiro:
                      Editora Francisco Alves, 1981.

                      NIETZSCHE, F. Os Pensadores. São Paulo: Nova Cultural, 1999.

                      SPEYER, E. Seis caminhos a partir de Newton: as grandes descobertas
                      da física. Rio de Janeiro: Editora Campus, 1995.


                      ObrasConsultadas
                      AURANI, K. M. Ensino de Conceitos: estudo das origens da 2ª Lei da
                      termodinâmica e do conceito de entropia a partir do século XVIII. São Paulo,
                      1985. Dissertação de Mestrado. USP.

                      CHAUÍ. M. Convite a Filosofia. São Paulo: Ática,1995.

                      FEYMMAN, R.P.; SANDS, M.; LEYGTON, R. B. The Feymman Lectures
                      on Physics. V I.. Palo Alto: Addison-Wesley Publishing Company. 1964.

                      FEYMMAN, R.P. Física em Seis lições. Rio de Janeiro: Ediouro, 2001.

                      SHARIPOV, F. Termodinâmica e Mecânica Estatística. Curitiba: UFPR,
                      1999. Texto digitalizada.




118 Termodinâmica
                                     Física



ANOTAÇÕES




            Versoereverso:Aordemnouniverso 119
       EnsinoMédio




120 Termodinâmica
                                                                                               Física




                                                                                     8


                                                              pRESSÃO E
                                                                VOLUmE
                                                               Luiza A. C. Polak1, Ezequiel Burkarter2



                                                       lgumas vezes, quando emborca-
                                                        mos uma garrafa cheia de líqui-
                                                        do, este escoa lentamente. Em
                                                       outros momentos, o líquido escoa
                                                       rapidamente.
                                                       Por que isso acontece?




1
    Colégio Estadual São José - Lapa - PR
2
    Colégio Estadual Milton Carneiro - Curitiba - PR

                                                                                PressãoeVolume 121
       EnsinoMédio

                                Vácuo:vaziodeverdade?
                                 Antes de Evangelista Torricelli (1608-1647), uma das questões que in-
                             trigava os cientistas da época era: como a água só subia uma determina-
                             da altura não importando o método utilizado para isso acontecer.
                                 Nessa época, uma idéia que nos dias atuais pode nos parecer ab-
                             surda era considerada como verdadeira:

                                             A natureza tem horror ao vazio. (Bassalo, 1996, p.97)


                                 A frase acima foi sentenciada pela escolástica da Idade Média e foi
                             inspirada por Aristóteles (384-322 a. C.), para quem o vácuo não seria
                             passível de existir, pois se existisse, o movimento não aconteceria. Na
                             concepção de Aristóteles, o ar era o responsável pelo movimento por-
                             que impulsionava os corpos. Diante da impossibilidade de retirada do
                             ar, o vácuo não seria provável.
                                 Entretanto, idéia de não existência do vácuo nos fenômenos natu-
                             rais não era uma unanimidade entre os que se dedicavam ao assunto.
                             Outra corrente contrária a de Aristóteles defendia que para a existên-
                             cia de movimento o vazio deveria também existir; caso contrário, por
                             onde o corpo poderia passar se o espaço todo fosse ocupado? Deste
                             grupo fazia parte Sextus Empiricus (341-270 a. C.), que deixou sua po-
                             sição registrada em seu livro Contra os Lógicos.
                                 Será que esta celeuma acaba aí?
                                 Pode parecer uma bagunça geral. Havia ainda outros, como Platão,
                             que dizia que o vácuo só existiria produzido pelo homem, não na na-
                             tureza. Na natureza existiria, além da atmosfera, um ar mais tênue, o
                             éter, e também um pequeno espaço vazio entre as últimas partículas
                             dos corpos.




                     ATIVIDADE

          Dizemos que a luz é uma onda eletromagnética, ou seja que combina campos elétricos e magnéti-
     cos. Portanto, a luz propaga-se no vácuo. E é por este motivo que a luz do Sol e das estrelas, em ge-
     ral, chegam até a Terra, apesar da não existência de um meio para sua propagação.
     a) Com relação ao texto acima, discuta, em grupos, a existência do vácuo.
     b) Será que no espaço interplanetário existe realmente o vácuo absoluto, ou seja, a ausência total de
        matéria?
     c) Será que existem diferentes tipos de vácuo?



122 Termodinâmica
                                                                                                                Física

    Mas o que a existência ou não do vácuo influi na medida de temperatura?
    Os primeiros instrumentos para medida de temperatura, chamados
termoscópios, eram imprecisos, pois a coluna do material termométri-
co subia ou descia alturas diferentes para uma mesma temperatura, de-
pendendo da pressão atmosférica do local onde a medida era feita.
    Mas não foi a diferença obtida na medida dos termoscópios o pro-
blema que levou ao conceito de pressão atmosférica, e sim a impossi-
bilidade, na época, de elevar-se uma coluna d'água através de bombas
aspirantes a uma altura acima de 10 metros.
    Um dos cientistas que se preocupou com o assunto foi Galileu
Galilei (1564-1642).


     Galileu, em seu Discurso relativo a duas novas ciências, publicado em 1638, adotou uma atitude
 mais moderada. Acreditava em um horror da natureza ao vácuo, mas pensava que esse horror tinha li-
 mites (admitia pois in fine a sua possibilidade). Galileu se interessou pela questão do vácuo depois que
 um jardineiro de Florença lhe disse que sua bomba completamente nova era incapaz de elevar a água
 acima de dez metros: "O jardineiro acrescentou", escreveu Galileu, "que não era possível, nem com as
 bombas, nem com as outras máquinas que fazem a água subir por atração, fazer com que ela subisse
 o mínimo que fosse além de 18 braças [aproximadamente dez metros], quer as bombas fossem largas
 ou estreitas". Galileu explicou esse fenômeno pelo fato de que o valor de dez metros representava o li-
 mite de resistência da coluna de água: ultrapassando esse limite, a força de coesão exercida pela na-
 tureza se tornava inoperante e a coluna de água se rompia. (RIVAL, 1997, p. 18)


    Galileu acreditava que com a água deveria acontecer o mesmo que
acontecia com outros materiais, como, por exemplo, os fios metálicos,
que rompiam após certo comprimento devido ao próprio peso.
    Da mesma forma que Torricelli, Galileu já tinha também aventado a
possibilidade de materiais diferentes apresentarem alturas diferentes.
    Já se sabia que a altura do líquido do termoscópio seria menor ou
maior dependendo da temperatura, ou seja, já se re-
lacionava aumento de volume com aumento de tem-                     A

peratura. Faltava somente considerar a pressão, o que
aconteceu somente após o trabalho de Torricelli.
    Um conterrâneo de Torricelli, Gaspar Berti, reali-
zou um experimento semelhante ao que aquele rea-
lizou, com uma diferença: ele utilizou água no lugar
                                                                                  Fig. 1:Aparato utilizado por Berti.
do mercúrio
                                                                                  O tubo era completamente cheio pe-
    O aparato da experiência de Berti tem duas aber-                              la abertura (A), e colocado em um
                                                                                  recipiente completamente cheio, do
turas, A e B, conforme figura 1. No entanto, mesmo                                mesmo líquido que o tubo. A aber-
lacrado o ponto A, ainda fica a abertura do recipien-                             tura (A) era então lacrada e a tornei-
te superior por onde o ar pode entrar, influindo na                               ra (B) aberta. Uma parte do líquido
                                                                                  escoava, mas uma outra parte ain-
descida da coluna do líquido. E, portanto, Berti não                              da ficava no tubo, quando o lacre da
conseguiu derrubar a tese de horror ao vácuo.                          B          abertura (A) era retirado, todo o líqui-
                                                                                  do escoava pelo tubo.

                                                                                          PressãoeVolume 123
        EnsinoMédio

                                  Em 1643, dois discípulos de Galileu, Evangelista Torricelli e Vincenzo
                               Viviani (1622-1703), retomam o experimento utilizando o mercúrio,
                               que é aproximadamente 14 vezes mais denso que a água. Estes tinham
                               o conhecimento da experiência de Berti. Torricelli considerou que o
                               mercuríco subiria 14 vezes mais alto do que a água. O experimento foi
                               confiado por Torricelli a Viviani.
                                  Viviani encheu de mercúrio um tubo e tapou uma das suas extremi-
                               dades. Em seguida, selou com um de seus dedos a outra extremidade e
                               emborcaram o tubo uma bacia cheia de mercúrio. Curiosamente, o mer-
                               cúrio do tubo desceu para a bacia deixando uma coluna de 76 cm no
                               tubo. No restante do tubo havia vácuo.

         Qual seria a explicação desse fenômeno? Torricelli concluiu que as camadas de ar exerciam, com
     seu peso, uma verdadeira pressão sobre o mercúrio da bacia, e que essa pressão mantinha a colu-
     na de mercúrio em suspensão no tubo. Foi por essa razão, disse ele, e não por causa de um hipoté-
     tico limite de resistência ao vácuo, que a altura das colunas de água estava limitada a dez metros. E
     provou isso mostrando que a altura da coluna de mercúrio (14 vezes mais denso que a água) corres-
     pondia a 1/14 da altura máxima das colunas de água. Aliás, notou ligeiras variações cotidianas da al-
     tura do mercúrio na coluna, e concluiu que elas deviam a variações da pressão atmosférica. Torricelli
     acabava de demonstrar o peso do ar e de inventar o barômetro, que permite medí-lo. Mas ainda, ob-
     teve o vácuo em um recinto fechado, o que provou que a natureza não tinha nenhum horror a ele! (RI-
     VAL, M., 1997, p. 18)

        Relatando sua experiência Torricelli, afirmava que a coluna de mercúrio era sustentada
     por uma força externa ao tubo. Acima da coluna de mercúrio ficava um espaço vazio, dizia
     Torricelli. Esse espaço vazio ficou conhecido como vácuo Torricellano.
               Os adeptos da teoria do horror ao vácuo manifestaram-se furiosamente, e foi preciso
                    que outros cientistas, como Pascal (1623-1662), Florin e Périer repetissem a expe-
                         riência na base e no alto de uma montanha.
                                   Mostrando que o peso do ar não é o mesmo na base e no topo
                                     de uma montanha, Pascal em 1648, finalmente conseguiu derru-
                                           bar a teoria do horror ao vácuo. Ao contrário do apregoa-
                                                do, a experiência mostrou que a natureza teria maior
                                                    horror ao vácuo no sopé do que no cume de uma
                                                        montanha. O que em síntese eles demonstra-
                                                           ram é que existe muito mais ar sobre nos-
                                                               sas cabeças no sopé que no alto de
                                                                  uma montanha.
                                                                      No entanto, nem Pascal nem
                                                                     Torricelli teriam conseguido che-
                                                                      gar a essas conclusões se já não
                                                                       fossem familiarizados com o
                                                                        conceito de pressão do ar de
                                                                           Beeckam e Galileu, entre
                                                                              outros.
    Fonte: http://www.sxc.hu


124 Termodinâmica
                                                                                                       Física

   Atualmente, sabemos também que a densidade do ar muda com                     Densidade é razão da mas-
a altura, ou seja, o ar é mais rarefeito no alto de uma montanha do             sa pelo volume do objeto. As-
que na sua base. Por isso os alpinistas levam oxigênio quando a es-             sim, considerando dois obje-
calada é de grande porte, isto é, quando a montanha é íngreme, co-              tos de mesmo volume, o de
mo o caso do paranaense Waldemar Nicleivicz, em suas escaladas ao               maior massa terá uma densi-
Everest e K2.                                                                     dade maior.




                ATIVIDADE

    Após ler os textos, responda as questões:

       Texto 1: Em regiões da África, da Ásia e da América do Sul, muitas pessoas vivem permanen-
  temente em locais muito altos, e nas montanhas andinas algumas vivem até 5000 m acima do nível
  do mar. As pessoas em geral não viveriam confortavelmente nessas condições, mas as que nas-
  cem e vivem ali sofrem modificações no corpo que lhes permitem continuar saudáveis. O tórax cres-
  ce mais, aumentando assim a capacidade pulmonar; além disso, o sangue contém mais glóbulos
  vermelhos do que a capacidade normal do sangue de outras pessoas, podendo carregar, portan-
  to, mais oxigênio. (WARD, 1988, p. 44)


       Texto 2: Os pulmões dos seres humanos funcionam como se fossem um fole ou uma gaita, o
  diafragma faz o papel da mão que pressiona e solta esse fole.
     No momento da inspiração, os pulmões aumentam de tamanho e a pressão dentro deles diminui.
  Os corpos sempre se movimentam na direção da menor pressão, portanto o ar entra nos pulmões.
       Na expiração ocorre o inverso, o diafragma pressionando os pulmões faz com que estes se con-
  traiam, diminuindo seu tamanho e aumentando a pressão interna destes. Nesse caso, o ar é expeli-
  do, pois a pressão fora dos pulmões é menor. (Adaptado de WARD, 1988)


 1. Charles Darwin (1809-1882), em sua Teoria da Evolução, diz que os indivíduos, os seres, adaptam-
    se ao ambiente em que vivem e que estas adaptações são transmitidas para as gerações seguin-
    tes. Lamarck (1744-1829), um antecessor de Darvim também tratou da evolução. A diferença en-
    tre eles é que para Lamarck as adaptações são transmitidas para a geração seguinte; já Darwin fala
    de seleção natural, em que os mais aptos sobrevivem e tendem a ter maior número de descenden-
    tes, e estes descendentes terão também um maior grau de adaptação. No caso dos seres huma-
    nos que vivem em regiões inóspitas como no texto 1, poderiam ser usados para corroborar a teoria
    de Darwin ou de Lamarck? Justifique sua resposta.
 2. A pressão do meio externo sendo baixa pode ocasionar algum problema respiratório no caso dos
    seres humanos? Por quê?




                                                                                      PressãoeVolume 125
        EnsinoMédio

                                     Pressão:umadistribuiçãodaforça
                                      Mas qual é a relação entre a densidade do ar no alto ou na base de
                                   uma montanha com a pressão?
                                      Você já ouviu falar em faquir? E em cama de um prego? Ou, ainda,
                                   em cama com muitos pregos?
                                      Pois é, o faquir é o cara que deita em uma cama com muitos pregos!
    Cama de pregos de um faquir.
                                   Como isso é possível?
    Fonte: www.cearh.com.br           O faquir, está submetido a ação de força Peso. Esta força, distribuí-
                                   da sobre um prego, concentraria sua atuação em uma área muito pe-
                                   quena, a cabeça do prego, causando um grande impacto e até dor. Se,
                                   no entanto, fossem vários pregos, essa força se distribuiria neles, dimi-
                                   nuindo o impacto sobre o corpo do faquir. Esse impacto é o que cha-
                                   mamos de pressão, ou seja, é a força distribuída, ou dividida, ao longo
                                   da superfície, quantitativamente definida desta forma: P = F/A. A cama
                                   com muitos pregos aumenta a área em que a força é aplicada, por is-
                                   so diminui a pressão.
                                      Por exemplo, se sobrepuséssemos dois cubos idênticos pintados de
                                   cores diferentes de lados 10 cm, e de massas 2 kg, (conforme Figura 2),
                                   qual seria a pressão exercida pelo cubo A sobre o cubo B?




                                                         Fig. 2. cubo A sendo colocado sobre o cubo B,
                                                         numa ilustração da pressão interfacial.

                                       Inicialmente devemos saber que a força que atua sobre o cubo B, é
                                   a força peso do cubo A, isto se ninguém estiver pressionando o cubo A.
                                   É preciso saber também que peso é massa multiplicada pela aceleração
                                   da gravidade. Portanto, a força sobre o bloco B, supondo que a acelera-
                                   ção da gravidade é 10 m/s2, é 20 N (vinte newtons). Como cada lado do
                                   cubo tem dez centímetros a área de qualquer lado do cubo, visto que
                                   tem lados iguais, é de 100 cm2, portanto, a pressão exercida no cubo B
                                   pelo cubo A é de 0,2 N/cm2 (P= 20 N 100 cm2).
                                       No caso da montanha, podemos considerar que a área é a mesma
                                   tanto no alto como na base. No entanto, no alto teremos menos ar que
                                   na base, o que diminui sua pressão. Daí a necessidade de adaptação
                                   dos alpinistas.


126 Termodinâmica
                                                                                                  Física

    O holandês Isaak Beeckmam (1588-1637), em 1614, propôs que o
ar, assim como a água, pressiona os objetos; alguns objetos não pare-
cem afetados, pois a compressão é uniforme. Galileu em seu Discorsi
e Dimostrazione Matematiche, de 1638, dizia que a ruptura acontece-
ria em alturas diferentes para fluidos diferentes.
    Note que a idéia de Beeckmam parece-se muito com o enunciado
do princípio de Pascal, que diz:

     A pressão exercida em um ponto de um fluido ideal em equilíbrio é trans-
 mitida integralmente a todos os pontos deste fluido.




                 ATIVIDADE

     Leia o texto e responda as perguntas colocadas na seqüência:
      Os alpinistas executam uma adaptação gradual para a escalada, este é o motivo de existirem acam-
  pamentos bases em várias altitudes até chegar-se ao último antes do ataque final ao cume da monta-
  nha. Os mergulhadores de grandes profundidades também o fazem, só que através das câmaras hiper-
  báricas (locais onde a pressão é manipulada, pode-se aumentá-la ou diminuí-la gradualmente) tanto na
  descida como na subida, quando mergulham a grandes profundidades.
  1. Por que a adaptação dos alpinistas é feita de maneira diferente da dos mergulhadores ?
  2. Quais as conseqüências para o mergulhador se ele não fizer a adaptação e for mergulhar a uma
     grande profundidade rapidamente?
  3. Os dois, mergulhadores e alpinistas, levam oxigênio. O motivo é o mesmo?
  4. Os peixes têm um sistema respiratório diferente dos seres humanos. Sua respiração não é pulmonar
     e sim branquial, isto é, feita através das brânquias. Peixes bentônicos, que vivem em grandes pro-
     fundidades oceânicas, sob alta pressão, sobreviveriam se fossem transportados, rapidamente, até
     à superfície? Justifique sua resposta.

    A principal conseqüência da descoberta de Pascal e Torricelli foi
que os termoscópios, agora chamados termômetros, foram fechados
para escaparem da influência da pressão atmosférica.
    Será que você já tem uma idéia do que aconteceu com as garrafas?
Por que o líquido escoa mais rapidamente em uma do que em outra
garrafa, que é aparentemente idêntica à primeira? Existe alguma dife-
rença entre elas?
    Guillaume Amonstons (1663-1705), físico francês, em 1699, demons-
trou que, nas mesmas condições de pressão, a água sempre fervia a
uma mesma temperatura. E que em um gás, mantendo-se constante
seu volume, dependendo da pressão, obtinha-se uma temperatura.
    Anteriormente, Robert Boyle (1627-1691), em 1661, enunciou uma
lei, que relaciona o volume à pressão após estudar o comportamento
dos gases em várias situações de pressão e volume mantendo a tem-
peratura constante.

                                                                                     PressãoeVolume 127
       EnsinoMédio

                                     O volume de um gás é inversamente proporcional à pressão, mantendo-se
                                     uma mesma temperatura.

                                        Edmé Mariotte (1620-1684), padre e físico francês, alguns anos
                                    após, também estudando os gases, chegou à mesma conclusão que
                                    Boyle, por esse motivo é que o enunciado acima é conhecido como
                                    Lei de Boyle-Mariotte atualmente.
                                        O químico Gay-Lussac (1778 ­ 1850), em 1801, também francês co-
                                    mo Amotons e Mariotte, observou, assim como Amontons já o tinha fei-
                                    to, que os gases mudam a sua pressão em função de sua temperatura,
                                    quando seu volume é mantido constante.
                                        Você pode estar se perguntando, mas não foi isso que Boyle e
                                    Mariotte disseram? E estará com a razão, mas existe uma diferença: no
                                    caso de Amontons e Gay-Lussac, a pressão é que era mantida constan-
                                    te. Graficamente podemos representar assim:
                                                       V(m3)




                                                        0                                      T (K)
                                                        Note que a extrapolação da curva, quando a tempe-
                                                        ratura é absoluta, é o próprio zero Kelvin.

         Esta extrapolação confirmava, na época, o que Amontons pensava: "deveria haver uma temperatu-
     ra mínima onde os gazes teriam sua pressão e volume reduzidos a zero". Calculando esta temperatu-
     ra, Amontons chegou a um valor, bem próximo da temperatura absoluta na escala Kelvin, de ­239,5ºC.
     (adaptado de Medeiros, 1999)


                                       Existe realmente a possibilidade do volume de uma certa quantidade
                                    de gás ser reduzida a zero? E volume negativo é possível de existir?
                                       Como posso fazer uma extrapolação?
                                        Se tivermos um gráfico que seja uma reta inclinada, como o gráfico
                                    ao lado, isto é possível. Uma função afim é descrita pela equação (Y =
                                    ax + b), onde o coeficiente a representa a inclinação da reta (tangente
                                    do ângulo formado pela reta e o eixo horizontal) e o coeficiente b é o
                                    ponto onde a reta corta o eixo vertical. Então, para determinar a equa-
                                    ção da reta, precisaremos de a e b.
                                        Vamos usar os valores do gráfico ao lado para descobrir sua função
                                    (fórmula). No ponto i temos o conjunto de valores (3,8), e no ponto h
                                    o conjunto (2,5). Na função Y = ax + b representada pelo gráfico a se-
                                    guir, no qual V representa Y e T representa X, temos:
                                                             3 = 8a + b e 2 = 5a + b

128 Termodinâmica
                                                                                    Física

     Resolvendo o sistema de equações pelo método da subtração:
                              3 = 8a + b
                              2 = 5a + b
                              1 = 3a ­ 0
  Portanto: 3a = 1, isto significa que:
       1
  a = , substituindo em qualquer das equações este valor, obtere-
       3
mos o valor de b:

    1                     5                V(m3)
2=    . 5 + b ou b = 2 ­
    3                     3
    6­5                 1                                 i
b=       , ou seja, b =                    3
      3                 3
Logo a equação desta reta será:                    h
    1      1                            2
V= T +                              Y=0
    3      3
Agora podemos obter o valor         X=?
para V quando T for zero.                                      T (K)
                                           0       5      8


E aí, conseguiu entender a questão colocada anteriormente?


  EquaçãoparaosGases"ideais"
    Em 1834, o engenheiro e físico francês Emile Clapeyron (1799-
1864) publicou um trabalho no qual aparece pela primeira vez o ciclo
de Carnot e os fenômenos gasosos, representados graficamente em um
sistema de eixos ortogonais, hoje chamado diagrama PV. Nesse traba-
lho, além das figuras de transformações dos gases, também se encon-
tra uma equação que nos dias atuais é escrita da seguinte forma:
                                PV = nRT
P = pressão
V = Volume
T = Temperatura
n = número de moles
R = constante universal dos gases ideais (8,31J/mol.K)
   Você pode observar que se mudarmos a temperatura para o outro
lado da igualdade ficará uma constante (nR) no lado oposto. Portando
podemos escrever esta equação desta forma:
                             P1V1  P2V2
                              T1 = T2
   Ou seja, o produto da pressão pelo volume em razão da temperatura
no início do processo é igual ao do final, isto é, mantém-se constante.


                                                                          PressãoeVolume 129
       EnsinoMédio

                                Os índices 1 e 2 representam dois estados do gás, o estado inicial
                            e o estado final respectivamente. Portanto a equação geral dos gases
                            é uma função de estado, pois depende unicamente dos estados final
                            e inicial não importando o que acontece para que o sistema passe de
                            um estado para o outro.
                                Será que as equações acima sempre são válidas?
                                As equações acima são válidas para os gases ideais, ou seja, gases
                            que se mantêm sempre no estado gasoso, e obedecem rigorosamen-
                            te as leis acima.
                                Os gases reais são considerados perfeitos para pequenas variações
                            de temperatura e pressão. Entretanto, os gases que não são facilmente
                            levados do estado gasoso ao líquido têm uma variação maior de tem-
                            peratura e pressão, para esses as equações acima podem ser usadas.


                     ATIVIDADE

        Uma função constante (Y = a) é representada por uma reta paralela a um dos eixos, e uma função
     do 1º grau (y = ax + b) é representada por uma reta inclinada.
     1. Com base na equação acima, obtenha as equações e gráficos ( p . V) dos gases ideais nos os se-
        guintes processos:
        a) Isovolumétrico ou isocórico (volume não muda);
        b) Isotérmico (temperatura não muda);
        c) Isobárico (pressão não muda).
     2. Existe algo em comum entre esses gráficos? O que?



                               Umaequaçãomaisabrangente
                              Na derivação da equação dos gases ideais, estudada até aqui, deve-
                            mos considerar que não aparece nenhuma referência ao tamanho das
                            moléculas do gás. Como o nome diz, é uma idealização!
                               Ora, um gás de verdade tem muitas moléculas, e se considerarmos
                            que essas moléculas têm volume nulo, então o gás também deveria ter
                            volume nulo?!
                                Clausius (1822-1888) sugeriu que na equação dos gases ideais não
                            se deveria apenas usar o volume do recipiente, mas o volume realmen-
                            te acessível a uma molécula. Tal volume deveria ser um pouco menor
                            que o volume total, devido a presença de outras moléculas no reci-
                            piente. Duas moléculas não podem ocupar o mesmo lugar ao mesmo
                            tempo. Se representarmos o volume "inacessível" (associado às outras
                            moléculas) por "b", então a equação para um gás que contenha "n"
                            mols de mólecula pode ser escrita conforme sugere Hirn (1815-1890):

130 Termodinâmica
                                                                                    Física

                            P(V ­ nb) = nRT,
   n = número de moles
   b = volume inacessível
    Dividindo ambos os lados pelo número de mols, obtém-se:
                               P(v ­ b) = RT
                                         V
    v é o volume específico do gás: v =
                                         n
    Além de desconsiderar o tamanho das moléculas, a equação dos
gases ideais também não considera a possibilidade de interação entre
as moléculas.
    Em 1873, Van der Waals (1837-1923) incluiu um segundo termo
de correção na equação dos gases ideais. Por quê? Uma molécula
é composta por átomos, que por sua vez possuem cargas elétricas.
Van der Waals propôs, então, que as moléculas no interior de um re-
cipiente interagem entre si por meio de forças atrativas e de natureza
eletrostática. De fato, por uma questão de simetria, as forças entre as
moléculas no interior do recipiente se cancelam. Contudo, as forças so-
bre as moléculas que se encontram nas camadas externas não são can-
celadas, há uma força resultante para o interior do gás.
    Devido a essa força resultante, Van der Waals propôs que a pressão
média das moléculas contra a parede do recipiente seria um tanto me-
nor que a mostrada na equação dos gases ideais. A pressão da equa-
ção Hirn sofreria a redução:
                                    RT ­ a
                             P=
                                 (V ­ b) V2
     a
        = é uma pressão que surge das interações entre as moléculas.
    V2
    É importante, contudo, que se saiba que a questão ainda não está
fechada, a natureza e a dinâmica dessas interações têm sido alvo
de muitas pesquisas desde então. Num dos modelos teóricos para a
descrição de propriedades macroscópicas de gases, a aplicação das
leis de Newton às moléculas individuais foi usada como base para
a descrição macroscópica de algumas propriedades de alguns gases,
trata-se da "teoria cinética dos gases".
    Já em meados do séc. XX alguns insucessos do modelo da teoria ci-
nética levaram a uma outra hipótese, a de que sistemas microscópicos
não obedecem necessariamente as mesmas leis que sistemas macros-
cópicos. Algumas hipóteses que pareciam uma evolução foram, sob al-
guns aspectos, um retrocesso. A teoria quântica e os modelos estatísti-
cos davam os primeiros passos.
    Mesmo com as considerações presentes na equação de Van der
Waals, não se tem um modelo pronto. Os atuais modelos apontam até
para uma releitura dos conceitos como pressão e interações.


                                                                          PressãoeVolume 131
       EnsinoMédio

                         Mas voltando à questão inicial: Algumas vezes quando emborcamos
                     uma garrafa cheia de líquido, este escoa lentamente. Em outros momentos, o
                     líquido escoa rapidamente . Por que isso acontece?
                         Será que agora você pode respondê-la?


                       Referências
                        BASSALO, J. M. F. Nascimentos da Física. Revista Brasileira de Ensino
                        de Física. v 18, n 2, 1996.
                        MEDEIROS, A. A termometria de Galileu a Fahrenheit. Recife: Editora
                        Líber, 1999.
                        RIVAL, M.. Os grandes experimentos científicos. Rio de Janeiro: Jorge
                        Zahar editores, 1997.
                        WARD. B. R. Os pulmões e a respiração. Série O Corpo Humano. São
                        Paulo: Editora Scipione, 1988.


                       ObrasConsultadas
                        ADKINS, C. J. Equilibrium Termodynamics. 3.ed. Cambridge: Cambridge
                        University Press, 1983.
                        FEYMMAN, R.P; SANDS, M; LEYGTON, R. B. The Feymman Lectures
                        on Physics. v I. 1964. Palo Alto/Califórnia: Addison -Wesley Publishing
                        Company.
                        LONGUINI, M. D.; NARDI, R. Origens Históricas e Considerações Acerca
                        do Conceito de Pressão Atmosférica. In: Revista Caderno Brasileiro de
                        Ensino de Física. Vol. 19, N.º 1, 2000.
                        SEARS, F. W.; SALINGER, G. L. Termodinâmica, Teoria Cinética e
                        Termodinâmica Estatística. 3.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1975.




132 Termodinâmica
                      Física



ANOTAÇÕES




            PressãoeVolume 133
       EnsinoMédio

                       Eletromagnetismo
                          Pense na palavra Eletromagnetismo


            I             Se você pensou na junção de duas palavras, eletro, de eletricidade, +
                     magnético, de magnetismo, acertou. Mas poderíamos te perguntar: o que a
                     eletricidade tem a ver com o magnetismo? Talvez você não tenha ainda se
                     questionado sobre esses assuntos. Por isso, nós o convidamos a ler os textos


            n
                     colocados neste livro.
                          Agora pense no seguinte: o Sol exerce força sobre a Terra, mesmo estan-
                     do distante dela, não é? O mesmo acontece com cargas elétricas, umas exer-
                     cem forças sobre outras.



            t
                          Mas como entender algo que não se vê? Como quantificar esses efeitos?
                          Esses questionamentos levaram a lei do inverso do quadrado para a ele-
                     tricidade, o que levou a formulação do que hoje conhecemos como Lei de
                     Coulomb.
                          Desde 1820, quando Hans Orsted (1777-1851), durante a realização de seus

            r        experimentos, percebeu que uma agulha magnética sofria alterações quando
                     sujeita a correntes elétricas, sabe-se que Eletricidade e Magnetismo não são "coi-
                     sas" totalmente isoladas. Segundo historiadores, não se sabe ao certo se a des-
                     coberta foi prevista por Orsted ou se aconteceu por acaso. Contudo, a partir daí,


            o
                     deu-se a unificação desses dois importantes grupos de estudo da Física.
                          Dentro do contexto da Eletricidade, o conceito básico é o de carga elétri-
                     ca, e o Eletromagnetismo nos conta como essa "dona carga" se comporta.
                          Não nos cabe aqui relatar toda a História da Eletricidade. Importa colocar
                     que esses estudos deram origem ao entendimento do conceito de carga elé-

            d        trica e eletrização, campo elétrico, raios, materiais isolantes e condutores, for-
                     ça elétrica, bateria elétrica e outros.
                          Além do campo elétrico, no âmbito do Eletromagnetismo é importante a
                     discussão sobre campo magnético, ou ainda, campos eletromagnéticos, o


            u        que nos levam ao estudo das ondas eletromagnéticas. Ufa!
                          E quanto aos circuitos elétricos? A instalação elétrica da sua casa? É em sé-
                     rie ou em paralelo? Aqui, precisamos entender todos os conceitos envolvidos,
                     como: corrente elétrica, voltagem, resistência elétrica, entre outros, sempre o


            ç
                     todo, e não como se fossem fenômenos que ocorrem totalmente separados.
                          E não paramos por aqui! Chegamos na eletrodinâmica.
                          Já ouviu falar em Mecânica Quântica? Então, quando ela é adicionada ao
                     Eletromagnetismo, vira eletrodinâmica quântica.



            ã
                          Entre as idéias da Mecânica Quântica, está a de que a luz é composta por
                     partículas, os fótons. Mas a luz não seria onda?
                          Tudo bem, as partículas também se comportam como ondas.
                          E que tal o Princípio da incerteza! Esse princípio obrigou os físicos a reverem
                     suas certezas advindas da visão mecanicista e determinista de mundo desde a

            o        formulação da Mecânica clássica, estabelecida a partir do Principia, de Newton
                          Posso afirmar, com certeza, alguma coisa - por exemplo, o momentum de
                     uma partícula - mas a outra não - por exemplo a sua posição. Ou seja, sem-
                     pre vai existir uma incerteza em uma medida em detrimento de uma certe-
                     za na outra medida.


134 Introdução
                                                                                        Física




    Veja, isso é importante: a Mecânica Quântica não anula a Mecânica Clás-
sica, ela apenas a complementa, prevendo novos fenômenos não explicados
pela teoria anterior. Aliás, "se a teoria quântica só descrevesse o que já se sa-
be, não teria mesmo muita graça"1.
    Como você, estudante, já deve ter percebido, muitas são as possibilida-
des de tratamentos dentro do estudo do Eletromagnetismo. No entanto, não é
possível, neste livro, tratar de todas essas possibilidades. O que fizemos foi
escolher alguns conteúdos que consideramos importantes para a construção
do seu conhecimento. Infelizmente, muitos outros ficaram de fora.
    Para iniciar, o Professor Robson Lima de Oliveira escreveu o Folhas "Car-
ga Elétrica", discutindo a evolução desse conceito. Apresenta, também, a evo-
lução do modelo atômico, numa relação com a Química e, é neste momento
que a Física contemporânea se manifesta, com a discussão do modelo atô-
mico atual. O texto dialoga com a Filosofia, remetendo-se a idéia primordial
                                                                                    F
do átomo.
    Os Professores Ezequiel Burkarter, Juliana Loch e Marina de Lurdes
Machado elaboraram o Folhas "Transformação mais Geração igual Conser-
vação", o qual trata da indução eletromagnética, com ênfase no princípio da
                                                                                    Í
conservação de energia. A descoberta da radioatividade e os elementos ra-
dioativos permitiram a utilização da energia nuclear, cujos conteúdos levam
a uma interdisciplinariedade com a Química. Para entender as contribuições
que as novas descobertas científicas trouxeram à indústria capitalista, o tex-
to trata da Segunda Revolução Industrial, numa relação interdisciplinar com
                                                                                    S
                                                                                    I
a História. A contemporaniedade se manifesta com a abordagem da fusão de
átomos em usinas nucleares.
    A Professora Juliana Loch e o Professor Ezequiel Burkarter escreveram o
texto "Campos Eletromagnéticos", o qual permite a discussão de campos elé-


                                                                                    C
tricos e magnéticos e as ondas eletromagnéticas. Numa relação interdiscipli-
nar com Filosofia, o Folhas discute a provisoriedade da Ciência. Num diálogo
com a Biologia, o texto discute como o campo magnético pode influenciar
os seres vivos, em especial as abelhas e formigas.
    O Professor Otto Henrique Martins da Silva produziu o folhas "A Natu-
reza da Luz e suas propriedades", no qual discute os fenômenos Luminosos,
fazendo relações com a Filosofia e Arte. Numa relação com a Arte, o Folhas
propõe a realização de uma peça teatral, discutindo a iluminação no teatro,
através da fala de três personagens: Newton, Huygens e Einstein, os quais
                                                                                    A
discutem alguns conceitos físicos. A Física contemporânea se manifesta com
a Natureza Dual da Luz.
    A Professora Teresinha Aparecida Soares Albuquerque escreveu o texto:
"Natureza da Luz". O Folhas traz a Física contemporânea, abordando a dua-
lidade onda ­ partícula numa relação interdisciplinar com a Química e a Lín-
gua Portuguesa.
    Conforme já mencionamos, não são abordados todos os desdobramen-
tos possíveis, e nem era essa a nossa pretensão. Esperamos contribuir para
o seu aprendizado.
Gonick, L.; Huffman, A. Introdução Ilustrada à Física. São Paulo: Harbra, 1994.
1




                                                                                                 135
       EnsinoMédio




136 Eletromagnetismo
                                                                                                  Física




                                                                                        9
                                                         cARGA ELéTRIcA
                                                                                   Robson Lima Oliveira1



                                                               o que são feitas as coisas que com-
                                                               põem a matéria?
                                                              Pense num tijolo! Sua casa, provavel-
                                                        mente é feita de tijolos. De que são feitos
                                                        os tijolos?
                                                        E as árvores, as folhas e os metais, de que
                                                        seriam feitos?
                                                        Uma coisa é certa. Todas as coisas exis-
                                                        tentes são compostas por algo que lhes
                                                        dá forma, o que torna possível nossa ob-
                                                        servação.
                                                        Aposto que em uma brincadeira, ou em
                                                        uma experiência na escola, você já atri-
                                                        tou um pente ou até mesmo uma régua
                                                        no cabelo e percebeu que um ou outro
                                                        atrai objetos pequenos, como por exem-
                                                        plo pedacinhos de papel, não é?
                                                        E aí conseguiu entender o que aconteceu?
                                                        Será que essa atração tem alguma coisa a
                                                        ver com a constituição da matéria?




Colégio Estadual Arnaldo Busato - Coronel Vivida - PR
1

Colégio Estadual Tancredo Neves - Coronel Vivida - PR


                                                                                        CargaElétrica 137
        EnsinoMédio

                                       Abuscadeumprincípioúnico...
                                         Os olhares acerca de fenômenos da natureza hoje associados à ele-
                                     tricidade, aparecem desde a antigüidade. As primeiras observações (a
                                     princípio casuais) de que se tem conhecimento, foram feitas pelo filó-
                                     sofo grego Tales de Mileto (século VI e V a.C).
                                         Tales é considerado o primeiro filósofo da história, ainda que não
                                     tenha recebido esse título, pois o termo foi criado mais tarde. Ele vi-
                                     veu em Mileto, no período pré-socrático. Esse filósofo observou que
                                     o âmbar (em grego elektron), certo tipo de resina vegetal, utilizado na
      Fig. 1: Tales de Mileto, o     confecção de jóias e objetos de decoração, quando atritado com pe-
      primeiro filósofo a observar
      fenômenos físicos associa-
                                     les de animais adquiria a propriedade de atrair pequenos objetos ma-
      dos a eletricidade.            teriais. Diante de tais fatos, Tales teria se perguntado sobre a compo-
                                     sição da matéria.
                                        Existiria um princípio para todas as coisas?

         Tales, Anaximandro e Anaxímenes são três dos primeiros filósofos pré-socráticos. Todos eles nasce-
     ram na mesma cidade (Mileto) e viveram no mesmo período (século VI antes da era cristã). Eles possuíam
     um ponto em comum: ensinavam que todas as coisas se originam em uma única matéria primordial, que
     seria o "princípio" (em grego, arche). A idéia básica pode ser esclarecida por meio de uma comparação.
     Suponhamos que só existisse argila no mundo e que, a partir dela, fossem continuamente modelados di-
     ferentes tipos de objeto, que depois seriam desmanchados para dar origem a outros objetos. Essa argila
     seria o arche ­ o princípio e o fim de tudo. (MARTINS, 1997, p.37)


                                        Leu com atenção? E então, já sabe dizer do que a matéria é composta?
                                        Outro pré-socrático, Anaximandro (610-547 a.C.) pensava que
                                     existia um princípio, que comporia o todo, o indefinido (em grego,
                                     apeiron), do qual derivariam todas as coisas e, todas as coisas voltariam
                                     ao princípio ao serem destruídas. Mas o que seria o apeiron?


         Essa substância primordial, o apeiron, seria indestrutível, ou "imortal": ela não deixa de existir quan-
     do, a partir dela, se formam as diferentes substâncias e coisas do universo, mas continua a existir den-
     tro delas, tendo apenas adquirido uma nova aparência. Essa idéia elimina, portanto, a possibilidade de
     um início absoluto de tudo: o apeiron não tem início, ele sempre existiu. Pelo contrário, o universo pro-
     vém do apeiron e pode não ser eterno. (...) O apeiron seria infinito, preenchendo todo o espaço. Não
     existiria nenhum lugar vazio ou com outro tipo de substância. O apeiron existiria dentro de tudo o que
     conhecemos. (MARTINS, 1997, p. 37)


                                        Você deve estar se perguntando: o que isso tem a ver com a composi-
                                     ção da matéria? Ou talvez ainda: o que a atração entre alguns materiais
                                     tem a ver com tudo isso?


138 Eletromagnetismo
                                                                                    Física

    É interessante como idéias que surgiram em outras épocas ainda
são importantes, e muitas dessas são responsáveis pelo conhecimen-
to que hoje temos a respeito da matéria. Continue a leitura, você vai
se surpreender!
    Outros filósofos pensaram sobre o assunto. A idéia da substância
única aparece também com o grego Anaxímenes (550-480 a.C.), pa-
ra o qual o princípio seria o ar. Já para Empédocles (490-435 a.C.), o
princípio não seria único, mas formado por quatro elementos: terra,
água, ar e fogo.
    Os contemporâneos de Empédocles, os atomitas Leucipo (metade
de séc. V a.C.) e Demócrito (nascido talvez por volta de 460 a.C.) são
os primeiros a admitirem o vácuo, lugar onde se moviam os átomos,
os quais eram eternos, imutáveis e indivisíveis como a própria pala-
vra indica.
    Leucipo e Demócrito, durante o século V a.C, acreditavam numa
variedade de átomos e foram os primeiros gregos a admitir a existên-
cia de um espaço vazio. Antes deles, acreditava-se que todo o espaço
era preenchido de matéria. Aparentemente, eles, Leucipo e Demócrito,
não teriam discutido detalhadamente a estrutura do átomo. No entan-
to, conforme MARTINS (1994), esses dois filósofos afirmavam que: "No
caso do fogo, seus átomos seriam esféricos, pois essa é a forma mais
móvel e penetrante e, também a alma seria constituída por "átomos
especiais"", pois não existe nada além dos átomos e do vazio. Apare-
ce assim, o primeiro sistema materialista, tudo é composto por vazio
ou corpos, estes podem ser simples (átomos) ou compostos (agrega-
ção dos átomos).
    Outros filósofos atomistas, num período posterior também defen-
diam a idéia do átomo, o qual seria a menor porção da matéria que
não se poderia dividir, portanto, indivisível. Entre eles estão os gregos
Epicuro (341-270 a.C.) e Lucrécio (98-55 a.C.), cujas idéias são conheci-
das porque dois documentos importantes foram conservados: uma car-
ta escrita por Epicuro, com suas idéias a respeito da natureza e outro,
o livro "Sobre a natureza das coisas" do Romano Lucrécio.
    Para Epicuro nada surge do nada e, quando algo termina não se
acaba no nada. O que isso significa?
   Você já viu uma flor nascer do nada? Ou uma árvore nascer de uma flor?
  Por isso, para ele, quando algo termina não acaba. Da mesma for-
ma a origem de algo é sempre a mesma. Em outras palavras, os áto-
mos, continuam.




                                                                            CargaElétrica 139
       EnsinoMédio



                         ATIVIDADE

     1. Como se formavam as coisas a partir dos elementos de Empédocles?
     2. Como seriam formadas as coisas do universo a partir da idéia de Leucipo e Demócrito?
     3. O que tem em comum a idéia dos quatro elementos de Empédocles com os átomos dos gregos
        Leucipo e Demócrito e o atomismo de Lucrécio e Epicuro? E com a idéia de um princípio único pa-
        ra todas as coisas?
     4. Apesar de teorias distintas, tanto o atomismo de Leucipo e Demócrito como o de Lucrécio e Epicuro
        são teorias materialistas. Qual é o ponto em comum destas teorias, que nos permite considerá-las
        como tal? Explique.



                                    Cargaelétrica:umconceitoemevolução...
                                      Mais de 2.000 anos se passaram até que, em meados do século XVI
                                  o estudo dos fenômenos observados por Tales voltassem então a se-
                                  rem focalizados com mais atenção, e condições técnicas muito mais
                                  elevadas.
                                      O médico inglês William Gilbert (1540-1603), Figura (2), retomou as
                                  experiências e descobriu que outros tipos de materiais também apre-
                                  sentavam comportamento semelhante ao âmbar, isto é, quando atrita-
                                  dos entre eles, esses materiais passavam a atrair os demais, compor-
                                  tando-se como o âmbar. Ao realizar a experiência do atrito com outros
                                  materiais além do âmbar, Gilbert percebeu que, após o atrito, podia
        Fig. 2: William Gilbert
                                  acontecer além da atração, também a repulsão. Propôs então que es-
        (1540-1603) Fonte:        tes materiais emitiam um eflúvio, o qual era o responsável pelo fenô-
        http://en.wikipedia.org   meno. Da mesma forma que a atmosfera era o eflúvio que puxava os
                                  corpos para a Terra, a atmosfera elétrica era o eflúvio responsável pe-
                                  la força elétrica exercida nos corpos leves.
                                      Uma outra contribuição veio de Otto von Guericke (1602-1686),
                                  prefeito da cidade de Magdeburgo, mas que também se interessava
                                  pela Ciência. Guericke desenvolveu as
                                  primeiras máquinas eletrostáticas, como
                                  a que é ilustrada na Figura (3), as quais
                                  eram constituídas de esferas compos-
                                  tas de minerais fundidos, que ele julga-
                                  va ser a composição da terra. Essas es-
                                  feras eram fixadas em torno de um eixo
                                  que podia girar. Guericke verificou que
                                  se esfregasse a esfera com a mão ao gi-
                                  rá-la, ela adquiria propriedade de atra-
                                  ção e eliminava centelhas.
                                                                              Fig. 3: Guericke e sua máquina eletrostática.

140 Eletromagnetismo
                                                                                                  Física

   Por que a esfera apresentava essa propriedade?
    Stephen Gray (1666-1736) percebeu que era possível transportar
a eletricidade por meio de fios. Dependendo do material desse fio, a
condução era melhor ou pior, chegando em alguns casos, a se com-
portar como isolante (não transportavam eletricidade).
    A partir da idéia de condução elétrica, Charles Du Fay (1698-1739),
propôs que havia dois tipos de eletricidade, pois enquanto alguns mate-
riais se atraíam depois de atritados com panos, outros se repeliam. Aos
que se comportavam como o vidro associou à eletricidade vítrea, aos
que se comportavam como resina, associou à eletricidade resinosa.
    Mais tarde Benjamin Franklin (1707-1790) definiu como positiva a
vítrea e negativa a resinosa, e é assim que as chamamos até o momen-
to. Ele defendia a idéia de que a eletricidade consiste de apenas um
tipo de fluido. Foi a idéia do "fluido único", surgida, a princípio, em
1747. Todo corpo não eletrizado possui uma quantidade natural de
fluido. Essa quantidade seria proporcional ao tamanho do corpo. Um
corpo que possuísse excesso de fluido foi chamado por Franklin de
"positivo", e se tivesse falta (sempre em relação à quantidade natural),
era chamado "negativo".
    É possível que a idéia de conservação de cargas tenha origens nas
teorias de fluído elétrico.



                ATIVIDADE

 1. Selecione alguns materiais como, seda, balões de festa, canudinhos e papel toalha. Verifique o que
    acontece quando você fricciona o papel toalha com os balões cheios. Os balões se atraem? Repe-
    lem-se? Se ao invés de balões você usar canudinhos? Percebe alguma semelhança ou é comple-
    tamente diferente?
 2. Adotando o mesmo procedimento, mas fazendo uso da seda ao invés de papel toalha, repita a ex-
    periência e compare os resultados obtidos agora, com aqueles do primeiro experimento.
 3. Atrite os balões no cabelo do seu colega, o que aconteceu? Por quê?
      Pelo que se observou do texto até aqui, que tipo de eletricidade poderíamos associar a esses ma-
 teriais? Discuta com seus colegas!


    Da observação do comportamento dos corpos quando eletriza-
dos, notava-se que alguns se atraiam ou se repeliam com maior ou
menor intensidade. Assim, uma preocupação estava em medir a in-
tensidade da força com que os corpos eletrizados eram repelidos ou
atraídos, e ainda, que agentes seriam responsáveis por tal intensida-
de e suas variações.




                                                                                        CargaElétrica 141
       EnsinoMédio

                                 Carga:nãomaisumfluido,masumapartícula!
                                  A idéia de fluido era muito presente ainda no início do século XIX,
                              época em que predominava a idéia da continuidade da matéria, a qual
                              seria formada por diversos fluídos. No entanto, evidências experimentais
                              foram fazendo com que a idéia do fluido elétrico perdesse adeptos.
                                  Do que seria então formada a matéria?
                                  As primeiras evidências da relação entre matéria e eletricidade se
                              deram a partir de experimentos de eletrólise. No início do século XIX,
                              Michael Faraday (1791-1867) estabeleceu algumas leis para a eletróli-
                              se, conhecidas como "leis de Faraday" para a eletrólise, a quais utili-
                              zam corrente elétrica para produzir uma reação química, que não po-
                              de ocorrer espontaneamente.


        Os resultados de Faraday podem ser resumidos em dois enunciados:
     1. O peso de uma determinada substância, depositada por uma dada quantidade de eletricidade, é
        sempre o mesmo.
     2. Os pesos de diversas substâncias depositadas, libertadas ou dissolvidas num eletrodo por uma da-
        da quantidade de eletricidade, são proporcionais aos pesos equivalentes destas substâncias.
         O segundo enunciado é especialmente revelador, se nos lembrarmos que o peso equivalente de
     uma substância qualquer contém a mesma quantidade de moléculas ou múltiplos inteiros dela. Assim,
     vemos que as leis da eletrólise são análogas às da combinação química, que inicialmente levaram à
     idealização da existência do átomo. Se um número definido de átomos reage somente com uma quan-
     tidade definida de eletricidade, parece razoável supor que a própria eletricidade seja composta de par-
     tículas. (MAHAN, 1972, p. 303)

                                 Em resumo, esses trabalhos davam indícios de que a matéria é
                              constituída de partículas fundamentais, em princípio os átomos, do-
                              tadas de "carga elétrica", porque a reação ocorre mediante o forneci-
                              mento de energia elétrica.

                                                             IMPORTANTE
                                   Um corpo é neutro quando apresenta mesma quantidade de carga po-
                                   sitiva e negativa;
                                   Um corpo está eletrizado negativamente quando apresenta excesso de
                                   carga negativa (elétrons), ou seja, durante um processo de eletrização
                                   ele recebeu elétrons;
                                   Um corpo está eletrizado positivamente quando possui prótons em ex-
                                   cesso, ou seja, num processo de eletrização ele perdeu elétrons.
                                   A quantidade de carga elétrica que um corpo adquiriu após o atrito é
                                determinada pelo excesso ou falta de elétrons presentes neste corpo. Esta
                                quantidade de carga q seria então um múltiplo inteiro da quantidade de
                                carga do elétron.


142 Eletromagnetismo
                                                                                                        Física

  Modelosemodelosparaoátomo
   A idéia de átomo foi motivo de conflito durante muito tempo, pois
alguns pensadores defendiam a indivisibilidade do átomo, outros afir-
mavam que a matéria era infinitamente divisível, e ainda, mais tarde
havia quem defendesse a inexistência do átomo, como René Descartes
(1596-1650), já no século XVII.
   As bases da Química foram restabelecidas, em 1807, pelo físico e             Jonh Dalton (1766-1844)
químico inglês John Dalton (1766-1844), que propôs um modelo mais               Cientistista inglês que rea-
                                                                                lizou longo estudo sobre a
consistente para o átomo. Veja sua hipótese atômica:                            teoria atômica. Fonte: http://
                                                                                pt.wikipedia.org

 1. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos.
 2. Os átomos de diferentes elementos têm massas diferentes.
 3. Um composto é uma combinação específica de átomos de mais de um
    elemento.
 4. Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos
    mas trocam de parceiros para produzir novas substâncias. (ATKINS;
     JONES,1999, p.45-46)


    Joseph John Thomson (1856-1940), durante a investigação de
"raios catódicos" (raios emitidos quando é aplicada entre dois ele-
trodos uma alta tensão), mostrou que estes raios eram feixes de par-
tículas carregadas negativamente, vindas do cátodo. Independente
do material deste, as partículas eram sempre iguais, logo, ele conclui
que essas eram partes dos átomos, as quais chamou de elétrons. Pa-
ra o modelo de Thomson:


     "os elétrons carregados negativamente estariam localizados no interior
 de uma distribuição contínua de carga positiva. Supôs-se que a forma da
 distribuição de carga positiva fosse esférica...devido à repulsão mútua, os
 elétrons estariam uniformemente distribuídos na esfera da carga positiva".
 (EISBERG.; RESNICK, 1979, p.123)



   Esse modelo de Thomson ficou conhecido como "pudim com pas-
sas", mas foi substituído quando o seu ex-aluno Ernest Rutherford
(1871-1937), experimentalmente, mostrou que a carga positiva está
concentrada em uma região, o núcleo, no centro do átomo.

     No modelo de Rutherfod para a estrutura do átomo, todas as cargas
 positivas desse átomo, e consequentemente toda sua massa, são supos-
 tas concentradas em uma pequena região no centro chamada núcleo. (EIS-
 BERG.; RESNICK, 1979, p.127)


                                                                                         CargaElétrica 143
        EnsinoMédio



                          DEBATE

          Não era o átomo indivisível? Como o próprio nome sugere?
          Discuta com seus colegas e professor.


                                         ComoRutherfordchegouaessaconclusão?
                                          Rutherford, em 1908, aproveitando-se do fenômeno da radioativi-
                                      dade, para a realização de seus experimentos bombardeou partículas
                                      alfas (são núcleos de átomos de hélio emitidas de material radioativo)
                                      em uma placa metálica fina, como esquematizado na Figura (4). Ele
                                      observou que a maioria dessas partículas atravessavam a placa, pratica-
                                      mente sem desvio, no entanto, uma parcela pequena dessas partículas
                                      eram rebatidas para a fonte. Concluiu então, que o átomo tinha uma
                                      região central pequena, o núcleo, onde a carga positiva estava con-
                                      centrada. Contudo, deveria existir um espaço vazio no átomo (a maior
     Ernest Rutherford (1871-1937)    parte), ao redor do núcleo, onde as partículas atravessavam com faci-
     Fonte: http://en.wikipedia.org
                                      lidade, esta é a região onde se encontram os elétrons.




                                       Fig. 4: Esquema da experiência de Rutherford.


                                         Tal qual a Terra orbita em torno do Sol ou a Lua em torno da Terra,
                                      também o elétron orbitaria em torno do núcleo do átomo.
                                         A teoria de Rutherford tinha evidências experimentais, no entanto
                                      não era plenamente aceita devida a teoria eletromagnética de Maxwell,
                                      a qual prevê que uma carga acelerada perde energia, na forma de ra-
                                      diação. Isso não estava de acordo com o modelo de Rutherford, o qual
                                      propõe: "que os átomos eram instáveis...e ao girarem os elétrons deve-

144 Eletromagnetismo
                                                                                                           Física

riam ir perdendo, continuamente, a sua energia e, portanto, colapsar,
ao se aproximar do núcleo atômico". (ROCHA, 2002, p.317- 318)
    Ao contrário do que foi dito acima o átomo deveria ser estável, en-
tão a conclusão foi que a Física Clássica não dava conta de explicar os
experimentos, e ainda precisava­se de uma resposta do porque os áto-
mos emitiam e/ou absorviam certas freqüências de radiação.
    Em setembro de 1911, Niels Henrik David Bohr (1885-1962) começa
a trabalhar no laboratório da Universidade de Cambridge, o qual era
dirigido por J.J. Thomson (1856-1940). Através desse laboratório, Bohr
conheceu Rutherford, o qual o levou para Manchester, universidade
que ele trabalhava.
    A mútua colaboração entre estes dois cientistas marca a história da
Física Quântica e surge o modelo do Átomo Bohr.

     Bohr, longe de descartar o modelo planetário, procurou corrigí-lo naqui-
 lo que ele apresentava de mais constrangedor ­ a estranha instabilidade do
 átomo. Para isso, ele incorporou ao modelo de Rutherford o conceito quân-
 tico de energia... ele conjecturou que o elétron só poderia se mover em de-
 terminadas órbitas, as quais estavam afastadas a distâncias definidas do
 núcleo atômico, não havendo radiação de energia. Assim nascia o denomi-
 nado "átomo de Bohr". (ROCHA, 2002, p. 221)
                                                                                 Niels Bohr (1885-1962)
                                                                                 Físico dinamarquês que
                                                                                 trouxe importantes contri-
     Então a proposta de Bohr, afirma que cada elétron tem energias es-          buições para o desenvol-
pecíficas, e que cada uma dessas energias corresponde a uma órbita               vimento do modelo atômi-
                                                                                 co, aperfeiçoando o modelo
circular. Quanto maior a energia do elétron no átomo, mais afastada              de Rutherford. Fonte: http://
sua órbita se encontra do núcleo.                                                en.wikipedia.org
     Bohr explica seu modelo através dos seguintes postulados:
I. um elétron se move em órbita circular, devido a sua atração cou-
     lombiana com o núcleo;
II. apenas algumas órbitas são permitidas, as quais estão a distâncias
     definidas do núcleo, em que o elétron não irradie energia. Nessas
     órbitas o momento angular deve ser números inteiros da razão en-
     tre a constante de Planck e 2 (h/2 );
III. um elétron que se move em uma dessas órbitas permitidas não
     emite radiação eletromagnética;
IV. a radiação eletromagnética é emitida ou absorvida se um elétron
     muda de uma órbita para outra.
     Além de órbitas circulares propostas por Bohr, Arnold Sommerfeld
(1868-1951) propõe órbitas elípticas, tentando explicar o caso de áto-
mos mais complicados.




                                                                                            CargaElétrica 145
       EnsinoMédio

                                  A partir da experiência de Rutherford temos mais evidências de que
                              a matéria é constituída de átomos, os quais seriam constituídos por um
                              núcleo e por uma eletrosfera. No núcleo está concentrada praticamen-
                              te toda a massa do átomo e se encontram prótons (carga positiva) e
                              nêutrons (não possuem carga). Na eletrosfera estão os elétrons (cargas
                              negativas), os quais se movem em torno do núcleo e estão presos a ele
                              devido interações elétricas. Tais forças são atrativas, já que elétrons e
                              prótons possuem cargas diferentes.
                                  Em geral as porções de matéria que vemos possuem quantidades
                              aproximadamente iguais de cargas positivas e negativas, por isso es-
                              tão eletricamente neutras, isso de maneira alguma significa não possuir
                              cargas, mas sim ter um "balanço" entre prótons e elétrons.
                                  Nos processos de eletrização, as partículas trocadas entre os átomos
                              são os elétrons. A quantidade de prótons permanece constante, pois
                              as energias associadas ao núcleo são muito grandes, pelo que é mui-
                              to difícil arrancar prótons (já que estão situados no núcleo do átomo)
                              de um material, enquanto que os elétrons estão mais superficialmente
                              presos na eletrosfera.
                                  Veja a explicação dada a Alice ao visitar o País do Quantum:


         "Os prótons e os nêutrons que habitam o núcleo (conhecidos genericamente como núcleons) são
     exemplos de partículas com interação forte, também conhecidas como hádrons. Existem muitos ou-
     tros hádrons, apesar de nem todas as partículas participarem da interação forte. A classe de partículas
     conhecidas como léptons não sente a interação forte. Os elétrons pertencem a essa classe e por isso
     não estão presos dentro do núcleo junto com os núcleons. Eles percebem o núcleo apenas como uma
     carga positiva que os mantém frouxamente presos dentro do átomo". (GILMORE, 1998, p. 166-167)


                                  A Figura 5 mostra o modelo atual para o átomo. Note que na região
                              mais superficial do átomo, como uma espécie de nuvem, aparecem os
                              elétrons e no núcleo, concentram-se os prótons e os nêutrons, os quais
                              são constituídos por partículas ainda menores, os quarks.




                                                        Fig. 5: Modelo atômico atual.


146 Eletromagnetismo
                                                                                                                                  Física



                      ATIVIDADE

       A idéia de partícula elementar estava presente no atomismo grego. Agora se tem evidências experi-
  mentais a respeito da menor partícula da matéria, os átomos. Existem semelhanças entre as idéias dos
  filósofos atomistas e o modelo adotado a partir das experiências? Em que se aproximam? Em que se
  distanciam? Pesquise, discuta com seus colegas e elabore um painel mostranto as possíveis aproxima-
  ções e os possíveis distanciamentos.


   AcargadoElétron
    Foi aproveitando os efeitos provocados pelo
campo elétrico (perturbação causada no espaço
por uma carga elétrica) presente em corpos que
apresentam carga elétrica que Robert Andrew
Millikan (1868-1953), por volta de 1908, conse-
guiu medir com razoável precisão, o valor da car-
ga de um elétron.
    Para chegar a tal valor, Millikan utilizou um
aparato na forma de câmara onde eram introdu-
zidas gotículas de óleo entre placas metálicas com  Fig. 6: Aparato experimental utilizado por Millikan. O aparelho da go-
                                                                   ta de óleo de Millikan para medir a carga elementar e. O movimento
cargas contrárias, como mostra a Figura 6. Com um                  de uma gota de óleo é observado na câmera C, onde atuam sobre a
microscópio, podia observar as gotas caindo sob a                  gota a gravidade, o campo elétrico gerado pela bateria B e, se a gota
                                                                   estiver em movimento, uma força de arraste viscoso.
ação da gravidade.
    Millikan irradiou o espaço entre as placas com raios X, que choca-
vam-se com as moléculas de ar. Essas moléculas de ar desprendiam
elétrons de seus átomos e eram atraídas pelas gotas de óleo, que fica-
vam eletrizadas.
                                        Carregando a placa superior positivamen-
                                    te e a placa inferior negativamente, Millikam
                    Fe              aproveitava-se dos efeitos do campo elétrico
                                    para parar a queda da gota. Quando em mo-
                                    vimento, a gota de óleo sofre ação da força
        Fv                          de gravidade Fg, força de arraste viscoso Fv e a
                    Fg              força elétrica Fe. Em estado de repouso, a go-
                                    ta de óleo fica em equilíbrio sob a ação ape-
                                    nas das forças de gravidade e elétrica, repre-
 Fig. 7: Forças que atuam durante o sentado na Figura (7).
  movimento da gota de óleo na ex-
  periência Millikam.                   O campo elétrico entre as placas era con-
                                    trolado por meio de ajustes na carga a elas as-
sociada. Esse aparato permitiu a determinação da carga da gota de
óleo.



                                                                                                                     CargaElétrica 147
       EnsinoMédio

                           A repetição do experimento permitiu a determinação da carga de
                       muitas gotas de óleo, como estas eram sempre carregadas por números
                       múltiplos de -1,6 x 10-19C e que uma gotícula capturava números inteiros
                       de elétrons, ele concluiu que a carga do elétron é de -1,6 x 10-19C.
                           Os elétrons estão presentes em toda a matéria, sendo um dos cons-
                       tituintes fundamentais da matéria. Além disso, todos os elétrons têm a
                       mesma carga e a mesma massa.
                           Os prótons têm a carga de 1,6 x 10-19C e os elétrons têm carga
                       -1,6 x 10-19C. A quantidade de carga Q de um corpo, e o número n de
                       elétrons em excesso ou falta, estão relacionados na Equação 1:
                                                       Q = n e (1)
                       onde n é um número inteiro e e é a carga elementar igual a 1,6x10-19C
                       (C é a unidade de carga elétrica, o coulomb).
                           Pelo que se viu desta história, da busca pelo conhecimento da es-
                       trutura da matéria surgiu um conceito importantíssimo para o nosso
                       tempo, o da carga elétrica. Para se ter idéia da importância deste con-
                       ceito, basta ver a quantidade de aplicações da eletricidade na nossa
                       sociedade.
                           Convém lembrar ainda, que a busca maior pelos "tijolos" que cons-
                       tituem a matéria não parou, as mais recentes pesquisas têm relevado
                       que além dos elétrons, existe ainda um verdadeiro "zoológico de par-
                       tículas" com as mais variadas propriedades (uma discussão adicional
                       sobre as descobertas e conceitos que permeiam o estudo de partículas
                       fundamentais, aparece no epílogo deste livro "As três interações fun-
                       damentais").
                          Mas ainda fica a pergunta: do que será que é feita a matéria?




148 Eletromagnetismo
                                                                                   Física

 Referências
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 ROCHA, J. F. (org.): Origens e Evolução das Idéias da Física. Salvador:
 EDUFBA, 2002.


 ObrasConsultadas
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 HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; KRANE, K. S. Física. Vol. III. 5ª ed. Rio de
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 JACKSON, J. D. Eletrodinâmica Clássica. 2ª ed. Trad. Annita Macedo e
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 REALE, G; ANTISERI, D, História da Filosofia ­ Filosofia pagã antiga.
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 RUSSELL, B.J. Química Geral. São Paulo: Editora McGraw ­ Hill do Brasil
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                                                                           CargaElétrica 149
       EnsinoMédio




                       Fonte: http://www.itaipu.gov.br




150 Eletromagnetismo
                                                                                                                                 Física




                                                                                                                     10

                                                               GERAÇÃO mAIS
                                                            TRANSfORmAÇÃO
                                                        IGUAL A cONSERVAÇÃO
                                                                  DE ENERGIA
                                                                           Ezequiel Burkarter1, Juliana Loch2, Marina de Lurdes Machado3




                                                                                  ocê já andou de bicicleta? E já ins-
                                                                                talou um farol na sua bicicleta? Você
                                                                             sabe por que a lâmpada acende quando
                                                                             você pedala?




1
 Colégio Estadual Milton Carneiro - Curitiba - PR
2
 Colégio Estadual do Paraná - Curitiba - PR
3
 Instituto de Educação do Paraná Prof. Erasmo Pilotto - Curitiba - PR

                                                                        GeraçãomaisTransformaçãoigualaConservaçãodeEnergia 151
       EnsinoMédio

                                          Comocomeçou...
                                            A utilização da força das águas substituiu a força muscular e a for-
                                        ça dos ventos em torno do século III a.C., e hoje ainda é de grande
                                        importância. O surgimento da roda d'água horizontal (Nora) possibi-
                                        litou o uso da energia hidráulica, a qual foi indispensável para a re-
                                        volução industrial juntamente com o surgimento da máquina a vapor,
                                        viabilizando a construção de indústrias em locais com inexistência de
                                        queda de água.
                                            Atualmente, ao invés do uso das máquinas a vapor, as indústrias e
                                        a própria população têm utilizado a energia elétrica em suas ativida-
                                        des. Devido às condições atuais, já não conseguimos pensar num mun-
                                        do sem a eletricidade, contudo, todos os avanços tecnológicos e o au-
                                        mento da população têm desencadeado um significativo aumento no
                                        consumo de energia.
                                            Por incrível que pareça, algumas das tentativas de se amenizar o
                                        problema da falta de energia, do ponto de vista físico, se parece mui-
                                        to com a situação do nosso dínamo.
                                            No começo do século XIX, a investigação do italiano Alessandro
                                        Volta (1745-1827) deu origem à pilha eletroquímica, que consistia de
                                        discos de cobre e discos de zinco empilhados um sobre o outro e se-
                                        parados entre si por um disco de pano embebido em solução ácida.
                                        Os discos externos eram ligados por fios condutores, que são os ter-
                                        minais da pilha. Esse invento recebeu o nome de "pilha de volta" ou
                                        pilha elétrica, pois viabilizou a transformação de energia química em
                                        elétrica. Volta descreveu o seu trabalho como sendo a "(...) monta-
                                        gem de um certo número de bons condutores de diferentes tipos...
      Fig. 1: Modelo da Pilha de
      Volta. A pilha inventada pe-      São necessárias 30, 40, 60 ou mais peças (discos) de cobre ou... de
      lo físico italiano possibilitou   prata". (Rocha, 2002, 207)
      um meio para produzir cor-
      rente elétrica para fins prá-         Como se vê, pela descrição anterior, a pilha de Volta não oferece
      ticos. (Deutsche Museum           tanta praticidade quanto às pilhas encapsuladas que temos hoje, con-
      ­ Munique).Fonte: www.co-
      pel.com/pagcopel.nsf/
                                        tudo, esse invento representa um marco, pois é a primeira fonte de
                                        eletricidade construída pelo homem.


          No começo do século XIX, Alessandro Volta inventou a pilha eletroquímica, iniciando assim a unifi-
     cação entre os fenômenos químicos e elétricos, e a unificação entre o magnetismo e a eletricidade foi
     iniciada por Hans Christian Oersted, mostrando a deflexão de uma bússola pela corrente elétrica. Lo-
     go em seguida, a ação magnética de uma corrente sobre outra foi percebida por André Marie Ampère.
     Foi, contudo, Michael Faraday quem ampliou a unificação da eletricidade com o magnetismo, ao des-
     cobrir a indução eletromagnética, ou seja, que o movimento de um ímã pode gerar corrente num circui-
     to condutor (...). (MENEZES, 2005, p. 20-21)




152 Eletromagnetismo
                                                                                          Física

  UsinaHidroelétrica
    Você pode estar pensando o que isso tudo tem a ver com a produ-
ção de energia elétrica. Pois saiba que esses estudos e a ampliação da
unificação proporcionada por Michael Faraday (1791-1867) permitiram
a construção, em torno de cinqüenta anos mais tarde, de geradores
que são responsáveis pela produção de grandes quantidades de ener-
gia elétrica. Essa energia pode ser obtida através de quedas de água
nas usinas hidroelétricas, da queima de carvão nas usinas termoelétri-
cas, dentre outras formas.
    Vamos pensar um pouco no funcionamento de uma usina hidroe-
létrica.
    Inicialmente, é preciso um rio com grande capacidade e fluxo de
água corrente e quedas d' água.
    Você já observou que não temos hidroelétricas em regiões de pla-
nície, como, por exemplo, a região do rio Amazonas. Pois é, em um
rio de planície, a água pode correr para qualquer lugar. Dizemos então
que esse movimento é caótico. É o que achamos que acontece com os
elétrons livres em um metal. Por isso, os rios mais adequados à cons-
trução de usinas localizam-se em regiões de planalto onde existem as
maiores quedas de água.
   Como ordenar o movimento da água em um rio utilizando-a para
produção de energia?

     Uma experiência interessante:
    Você vai precisar de três ou mais garrafas pet, um
 pedaço de fio duro (pode ser cobre), um balde e água.
 1. Pegue uma das garrafas e recorte fazendo peque-
    nas hélices nas quais você fará um furo no meio.
    Ou, utilize uma tampa de garrafa pet conforme figu-
    ra ao lado.
 2. Pegue outra garrafa e faça dois furos diametralmen-
    te opostos. Encaixe uma das extremidades do fio
    de cobre em um dos furos. Coloque uma hélice no
    fio e encaixe a outra extremidade no outro furo, con-
    forme figura. Coloque o conjunto no balde.
 3. Encha uma garrafa com água e faça com que a água
    caia sobre as hélices no conjunto montado, confor-
    me o item dois. Varie a altura da queda d' água e
    observe o que acontece.
 4. Faça um relatório e discuta com seus colegas o re-
    sultado.



                                             GeraçãomaisTransformaçãoigualaConservaçãodeEnergia 153
        EnsinoMédio

                                     Para orientar o movimento das águas, é preciso represar o rio. As-
                                 sim, constróem-se barragens represando as águas do rio, provocando
                                 um desnível de água que será utilizado para movimentar as turbinas. A
                                 energia potencial gravitacional da água contida numa represa elevada
                                 corresponde à energia primária de uma hidrelétrica, que através do tra-
                                 balho da força peso faz a água cair livremente para o nível mais baixo,
                                 onde se localiza a turbina. Durante a queda, a energia potencial gravi-
                                 tacional é transformada em energia cinética e a água tem a sua veloci-
                                 dade aumentada devido ao efeito da gravidade.
                                     Como já comentamos, uma forma de energia pode ser transforma-
                                 da em outra. Veja como isso é explicado à Alice, na alegoria de Gilmore
                                 (1998), quando ela observa uma montanha russa no país do Quantum:

                   "Aquele carrinho, como você está vendo, não está em movimento agora e por isso tem
                energia cinética nula. Mas ele está no alto, e sua posição lhe confere energia potencial. Quan-
                do começa a descer, ele perde altura e por isso perde também um pouco de energia potencial,
                que é convertida em energia cinética. É isso que faz ir mais e mais rápido enquanto desce".
                                                                                           (Gilmore, 1998, p. 28, 29)


                           Note que tanto no caso da montanha russa quanto no da usina, temos uma se-
                        qüência de transformações de energia. O que não é transformado em energia de
                        movimento, é transformado em calor (que também é energia) ou em energia so-
                        nora (barulho) pelo atrito das peças. Se pudéssemos somar os valores dessas ener-
                         gias durante alguns momentos diferentes do processo, perceberíamos que a ener-
                           gia total permanece constante. Dito de outra forma, conserva-se. Esse é um dos
                             mandamentos da Torá da Física, o Princípio da Conservação da Energia!
                                    A energia cinética da massa de água ao atingir a turbina é transfor-
                                   mada em energia cinética de rotação. Quanto mais alta for a queda da
                                      água, mais energia gravitacional o sistema terá disponível para ser
                                        convertida em energia cinética de rotação, através da turbina.
                                           Alguma semelhança com a experiência que você realizou?
                                                   Mas, o que queremos é energia elétrica. Então é preci-
                                                  so um equipamento que transforme aquela energia ci-
                                                    nética de rotação em energia elétrica. Esse é o papel
                                                       do gerador, um dispositivo que transforma a ener-
                                                         gia resultante do movimento rotatório da tur-
                                                            bina em energia elétrica. Aliás, podemos di-
                                                              zer que o gerador transforma qualquer tipo
                                                               de energia em energia elétrica. Por isso,
                                                                 qualquer tipo de usina destinada à pro-
                                                                  dução de energia elétrica apresenta um
                                                                  gerador de eletricidade.


    Fonte: http://www.sxc.hu


154 Eletromagnetismo
                                                                                                 Física



                ATIVIDADE

     E o farol da sua bicicleta, o que tem a ver com tudo isso? Dissemos no início que o dínamo é um
 pequeno gerador de eletricidade, como você leu até aqui, certamente já pode responder a pergunta co-
 locada a seguir:
     A lâmpada não acende sozinha, você percebe alguma transformação de energia nesse processo?



   Você sabia que o primeiro dínamo foi construído por Faraday durante
investigações sobre a indução eletromagnética?
   Vamos entender um pouco melhor o trabalho de Faraday...


  AInduçãoEletromagnética
    O gerador é um dispositivo que funciona segundo as leis da indu-
ção eletromagnética de Faraday, descobertas por ele a partir do resul-
tado de experiências realizadas em 1831.
    Em 1820, Hans Orsted (1777-1851) publicou seus trabalhos que ini-
ciaram a unificação entre o magnetismo e a eletricidade, ao perceber a
deflexão de uma bússola ocorrida pela passagem de uma corrente elé-
trica. Isso parece ter motivado os estudos de Faraday a respeito do ele-
tromagnetismo, que a esta altura já trabalhava no laboratório do quí-
mico inglês Humphry Davy (1778-1829).


     Uma atividade experimental
      Com alguns materiais fáceis de serem encontrados, você poderá refa-
 zer a experiência de Orsted: pilha, uma bússola, uma lâmpada (do tipo uti-
 lizado em pinheiro de natal), uma chave liga-desliga (se não encontrar, im-
 provise com o próprio fio de ligação) e fios para ligação. Monte o circuito
 conforme o esquema ao lado.
 1. Ao fechar o circuito, a lâmpada se acende devido a passagem de uma
    corrente elétrica. O que acontece com a agulha da bússola?
 2. E se inverter o sentido da corrente elétrica? O que acontece com a agu-
    lha agora?
 3. Mantenha a agulha da bússola paralela ao fio. Repita os itens 1 e 2. E
    agora, o que aconteceu?
 4. O que é possível dizer quanto ao ângulo de deflexão da agulha? O que
    sinalizava a deflexão da bússola? Discuta a experiência com os seus co-
    legas. Faça um relatório.



                                            GeraçãomaisTransformaçãoigualaConservaçãodeEnergia 155
       EnsinoMédio

                                 Nesta época, influenciados pelas idéias da mecânica de Isaac
                              Newton (1642-1727), os fenômenos físicos eram explicados por meio
                              de forças. A observação do fenômeno da indução mostrava que, quan-
                              do o circuito era fechado, a agulha se movimentava até ficar perpendi-
                              cular ao fio. Por outro lado, o mesmo acontecia quando o circuito era
                              fechado, mas o sentido da corrente elétrica era invertido. Nesse caso,
                              o sentido do movimento da agulha se invertia. Por isso, Oersted consi-
                              derou que uma força perpendicular ao fio surgia enquanto existia cor-
                              rente elétrica passando por ele.
                                 Por que o pólo magnético da agulha tendia a girar em torno do fio
                              condutor? O que tinha em comum a eletricidade e o magnetismo? O que
                              ainda não estava entendido?
                                  Para realizar o seu experimento Faraday, enrolou fios em dois la-
                              dos de um núcleo de ferro doce. Em um fio ele ligou uma bateria e,
                              no outro, um galvanômetro, que é um aparelho usado para detectar e
                              medir correntes elétricas. Motivado por outras experiências por ele re-
                              alizadas e por estudos de outros cientistas, entre os quais o francês An-
                              dré-Marie Ampére (1775-1836), Faraday acreditava que a passagem de
                              corrente no fio ligado à bateria induziria uma corrente que seria detec-
                              tada no galvanômetro.
                                  O texto colocado na seqüência, traduzido por Dias (2004), apresenta
                              a descrição de como Faraday construiu o seu aparato experimental.


          Foi feito um anel de ferro [ferro doce] circular, com 7/8 de polegada de espessura e 6 polegadas de
     diâmetro externo. Várias espiras de fio de cobre foram enroladas ao redor de uma metade do anel, as
     espiras sendo separadas por barbante e algodão ­ existiam três extensões de fio, cada um com apro-
     ximadamente 24 pés de comprimento e eles poderiam ser ligados como uma só extensão ou usados
     como pedaços separados, cada um isolado do outro. Chamarei esse lado do anel de A. No outro lado,
     mas separado por um intervalo, foram enrolados fios em dois pedaços juntos, contabilizando aproxima-
     damente 60 pés em comprimento, a direção sendo como uma das primeiras espiras; este lado chama-
     rei B. (FARADAY. Citado por DIAS, 2004, p.44)


                                 O esquema ao lado representa o aparato experimental utilizado por
                              Faraday. Contrariamente ao que ele esperava, Faraday observou que só
                              aparecia algum efeito no galvanômetro (lado B) quando se abria ou se
                                                    fechava a chave do circuito (lado A). Faraday re-
                                                    alizou outras experiências, mas o resultado era
                                                    sempre o mesmo: só aparecia algum efeito no la-
                                                    do B quando a corrente elétrica no lado A era ini-
                                                    ciada ou interrompida, isto é, quando o circuito
                                                    do lado A era fechado ou aberto. Mantendo o cir-
                                                    cuito fechado, nada se observava no lado B.
               B                        A


156 Eletromagnetismo
                                                                                                           Física

    Através de seus experimentos, Faraday, pôde concluir que um cam-
po elétrico é gerado na região do espaço sempre que houver a varia-
ção temporal de um campo magnético nessa região. Logo, a corrente
elétrica que surge no circuito fechado ocorre devido ao campo elétrico
criado por um campo magnético variável na região do circuito.
    Um desses experimentos fez com que ele obtivesse corrente elétri-
ca induzida, agora pela ação de um ímã permanente. Para tanto, utili-
zou-se de um anel triangular de ímãs permanentes. Para realizar o ex-
perimento Faraday estabelecia o contato físico entre os imãs. Depois
repetia a operação rompendo o contato. Ao realizar os dois procedi-
mentos (encostar ou afastar os ímãs) ocorria uma variação magnética
rápida no cilindro central.


     Faraday já estava ciente de que era possível produzir correntes elétricas tanto a partir de uma ou-
 tra corrente elétrica (a indução volta-elétrica) como pela variação magnética brusca. Embora ele já esti-
 vesse tentado obter efeitos pela aproximação e afastamento de ímãs, não tinha obtido resultados, mas
 tais efeitos deviam existir.
    Por isso ele insistiu e, no dia 17 de outubro de 1831, Faraday realizou o seu experimento mais
 conhecido, aquele da indução de corrente, somente movimentando uma barra magnética dentro de
 uma bobina.
     O experimento consistia de um cilindro de papel oco, coberto por 8 enrolamentos de fio de cobre,
 todos com a mesma direção e, separados por algodão. Em cada uma das extremidades, juntou os oi-
 to enrolamentos formando um feixe. Essas duas extremidades foram conectadas a um galvanômetro,
 através de fios de cobre.
     Um ímã foi inserido dentro da hélice e, em seguida, rapidamente empurrado em todo o seu com-
 primento. No galvanômetro observava-se o movimento da sua agulha. Retirando o ímã para fora, nova-
 mente, a agulha movia-se, porém em sentido contrário. Faraday sugeriu uma regra para determinar a
 direção da corrente induzida por ímã, versão hoje conhecida como regra da mão direita.
     O princípio descoberto era que o movimento de um ímã gera uma corrente elétrica no condutor. Este
 princípio evoluiu, por uma longa história, até chegar aos modernos geradores elétricos. O trabalho realiza-
 do por Faraday, no final de 1831, complementou a descoberta do eletromagnetismo por Orsted, mostran-
 do a existência do fenômeno inverso, ou seja, a produção de efeitos elétricos pelo magnetismo.
      Sua conclusão é conhecida como "Lei de Faraday da Indução Eletromagnética" e se constitui co-
 mo uma das quatro leis fundamentais do eletromagnetismo. A corrente que surgiu no circuito fechado
 foi chamada por ele de corrente induzida, provavelmente, em analogia a eletrização por indução, fenô-
 meno já conhecido na época.
     É inquestionável a importância dos trabalhos de Faraday. O caminho da sua descoberta, no eletro-
 magnetismo, foi o da experimentação, ou seja, ele foi levado à teoria pelos experimentos. Sua lei da
 Indução é, antes de tudo, uma lei empírica. Seus trabalhos exibiram pouco da Matemática, talvez pe-
 la sua precária formação básica, aprendendo somente o necessário para ler, escrever e um pouco de
 Matemática. Sua atenção estava quase exclusivamente voltada para os próprios fenômenos e para sua
 explicação em termos quase fenomenológicos, sem tentar realizar grandes vôos teóricos.
                                                                                       (Adaptado de: DIAS, 2004)



                                              GeraçãomaisTransformaçãoigualaConservaçãodeEnergia 157
        EnsinoMédio

                                           Colocando de outra forma, quando o ímã era aproximado da espi-
                                       ra circular, aumentava o fluxo magnético aparecendo a corrente indu-
                                       zida, o mesmo acontecia com o afastamento do ímã, o fluxo diminuía,
                                       mas nesse caso o sentido da corrente era invertido.
                                           A explicação desse comportamento da corrente induzida surgiu
                                       após os trabalhos de Faraday, com a Lei de Lenz, proposta por Heinri-
                                       ch Friedrich Emil Lenz (1804-1865). Segundo esse resultado, o sentido
                                       das correntes induzidas se opõe a variação do fluxo que a provocou.
                                       Dito de outra forma, no caso da aproximação do ímã, o sentido da
                                       corrente parece ser tal que tenta impedir essa aproximação. Quando o
                                       ímã é afastado, o sentido da corrente tenta impedir o afastamento.
                                           Se a corrente não tivesse esse comportamento, o ímã se aproxima-
                                       ria ou se afastaria indefinidamente (não pararia nunca), aumentando a
                                       corrente infinitamente. Assim, o sentido da corrente manifesta a con-
                                       servação da energia no sistema. Do contrário, a aproximação levaria a
                                       um aumento da corrente sem uma fonte de energia para tal.


                                         A"produção"deenergiaelétrica
                                          Até os trabalhos de Faraday e de Joseph Henry (1797-1878), a pro-
      Faraday (1791-1867) Seus         dução de energia elétrica era através de pilhas (como você leu no iní-
      estudos levaram a formula-       cio deste texto), o que não seria viável para produção de energia em
      ção do conceito de indução
      eletromagnética que possibili-
                                       grande escala, se as únicas fontes de fem fossem de natureza química
      tou a produção de energia em     para a produção de energia elétrica em grande escala.
      grande escala. Fonte: http://
      pt.wikipedia.org                    Fem, o que é isso?
                                          Você já ouviu falar em geradores de força eletromotriz?
                                           Esses geradores efetuam um trabalho sobre as cargas que passam
                                       através dele, fazendo com que entre seus terminais apareça uma dife-
                                       rença de potencial. Um exemplo: num gerador, (não esqueça: bateria
                                       é um gerador, pois estes são dispositivos que transformam qualquer
                                       forma de energia em energia elétrica), de 8 V, significa que a fem vai
                                       realizar um trabalho de 8 J , "um esforço", para transportar uma única
                                       carga, de 1 C, de um pólo (extremidade) para outro.
                                           Para você entender melhor, vamos fazer uma analogia com uma
                                       bola que rola num plano inclinado. A mão que vai colocar a bola no
                                       topo do plano, cada vez que ela chega à base, representa a força ele-
      Friedrich Emil Lenz              tromotriz. Num circuito magnético, como é o caso dos geradores com
      (1804-1865).
      Fonte: http://en.wikipedia.org   os quais estamos lidando, essa força eletromotriz é induzida no proces-
                                       so de variação de fluxo magnético e, também, obedece a Lei de Lenz.
                                           O gerador utilizado nas usinas hidroelétricas consiste de uma par-
                                       te fixa, chamada de estator, que é constituída de enrolamentos onde a
                                       corrente será gerada. Uma outra parte, chamada rotor, é móvel e é o
                                       local onde é criado o campo magnético. O rotor gira acoplado à turbi-
                                       na que fornece a energia ao sistema.

158 Eletromagnetismo
                                                                                                   Física



                ATIVIDADE

     E no caso do dínamo da bicicleta, quem fornece energia?



    A figura ao lado representa o esquema de um ge-
rador: basicamente, ele consiste de uma espira re-
tangular que fica imersa num campo magnético uni-
forme e gira em torno de um eixo perpendicular às
linhas do campo magnético.
    O fenômeno da indução eletromagnética oca-
sionou uma verdadeira revolução na produção de
energia elétrica, que até então só era obtida através
da energia química de pilhas ou baterias. A impor-
tância dos estudos de Faraday está entre as cinco
datas importantes que o historiador Eric Hobsba-
wm cita ao analisar, no seu livro a Era das Revolu-
ções, o período 1789-1848.


     No todo, as clássicas ciências físicas não foram revolucionadas, isto é, permaneceram substancial-
 mente dentro dos termos de referência estabelecidos por Newton, ou continuando as linhas de pes-
 quisa já seguidas no século XVIII ou expandindo as antigas descobertas fragmentárias e coordenado-
 as em sistemas teóricos mais amplos. Assim, o mais importante dos novos campos abertos, e o único
 que teve imediatas conseqüências tecnológicas, foi o da eletricidade, ou melhor, do eletromagnetis-
 mo. Cinco datas importantes - quatro delas em nosso período - marcam seu progresso decisivo: 1786,
 quando Galvani descobriu a corrente elétrica; 1799, quando Volta construiu sua bateria; 1800, quando
 a eletrólise foi descoberta; 1820, quando Oersted descobriu a conexão entre eletricidade e magnetis-
 mo; 1831, quando Faraday estabeleceu as relações entre todas estas forças, e por acaso se viu co-
 mo o pioneiro de um enfoque da física (em termos de "campos", em vez de impulsos mecânicos) que
 se antecipava à era moderna. (HOBSBAWM, p.388)


  AEletricidadecausaumarevolução...
    No século XVIII, a revolução industrial ocorreu pelo surgimento do
sistema fabril (no texto Vapor e movimento, da professora Luiza Polak,
você poderá encontrar mais informações sobre o assunto). Essa revo-
lução ocorreu mais pelo trabalho e dedicação de técnicos do que de
cientistas. O século XIX seria o tempo das grandes sínteses do eletro-
magnetismo, o que contribuiu para o surgimento de uma segunda re-
volução industrial.
    A diferença dessa segunda revolução em relação à primeira é que
agora ela acontece devido o desenvolvimento científico, propiciado


                                            GeraçãomaisTransformaçãoigualaConservaçãodeEnergia 159
       EnsinoMédio

                       pelo desenvolvimento industrial que reaplicava seus lucros em no-
                       vos investimentos para a produção. Em termos de energia, o motor
                       a combustão interna, que utiliza como combustível o petróleo e a
                       energia elétrica, são mais potentes e apresentam maiores rendimen-
                       tos em relação ao vapor, intensificando o desenvolvimento tecnoló-
                       gico capitalista.
                            O dínamo possibilitou a substituição do vapor, utilizado para produ-
                       zir movimento nas máquinas, pela eletricidade, como força motriz destas
                       máquinas utilizadas nas indústrias. O uso da eletricidade viabilizou a me-
                       canização dos meios de produção dando origem à produção em série.
                          Mas o que aconteceria se fosse possível iluminar fábricas e escritórios?
                       E as residências?
                          Numa época em que a ciência se desenvolvia esplendidamente, hou-
                       ve os que pensaram nisso, especialmente os que desejavam aumentar
                       seus lucros. Dentre esses, podemos citar o americano Thomas Edison
                       (1847-1931), a quem é atribuído o invento da lâmpada elétrica. A título
                       de ilustração, a foto abaixo mostra uma das primeiras ruas iluminadas a
                       partir de energia elétrica nos Estados Unidos.
                                                                            Edison também foi o primeiro a de-
                                                                        dicar-se à fonte de energia elétrica, ou
                                                                        seja, o dínamo ou gerador, tendo fun-
                                                                        dado importantes companhias de ilu-
                                                                        minação pública nos Estados Unidos
                                                                        e também na Europa. Em setembro
                                                                        de 1882, a primeira usina, com siste-
                                                                        ma elétrico, criada pelo seu grupo em-
                        Uma das primeiras ruas a receber iluminação
                                                                        presarial, começou a funcionar em
                        pública, Massachusetts, Estados Unidos. Foto:
                        Francisco Burkarter.                            Manhattan, Nova Iorque.
                          Além das formas de transformação discutidas até aqui, existem, ain-
                       da, outras formas de obtermos energia elétrica, como por exemplo,
                       usinas termoelétricas, que utilizam o calor para mover turbinas. A usi-
                       na nuclear se encaixa nesse grupo (o das termoelétricas), a qual aque-
                       ce água através da fissão de material radioativo, processo utilizado nas
                       Usinas de Angra 1 e Angra 2, no Rio de Janeiro.
                          A energia nuclear tornou-se importante para países que não
                       disponham de recursos naturais renováveis. No entanto, quando o tema
                       é energia nuclear, todos pensam nos malefícios que esta pode causar,
                       como bomba atômica e explosão de reatores nucleares (utilizados em
                       usinas nucleares). Deve-se, contudo, ressaltar a importância das técnicas
                       nucleares na Medicina ­ na cura de câncer ­ e, ainda, a transformação
                       da energia nuclear em energia elétrica nas Usinas Nucleares.
                          Então, vamos entender o que acontece em uma Usina Nuclear:




160 Eletromagnetismo
                                                                                                                               Física


     "São usinas térmicas que usam o calor produzido na fissão nuclear (é a `quebra', ruptura do átomo,
 este absorve um nêutron tornando-se instável e então se divide liberando grande quantidade de ener-
 gia) para movimentar vapor de água, que, por sua vez, movimenta as turbinas em que produz a eletrici-
 dade. Em um reator de potência do tipo PWR (termo, em inglês, para reator em água pressurizada), co-
 mo os reatores utilizados no Brasil, o combustível é o urânio enriquecido cerca de 3,5%. Isso significa
 que o urânio encontrado na natureza, que contém apenas 0,7% do isótopo 235U, deve ser processado
 (`enriquecido') para que essa proporção chegue a 3,5%...enquanto que na construção de uma bomba
 nuclear este mesmo elemento precisa ser enriquecido a um nível superior a 90%".
                              (Adaptado de: Gonçalves, O. D.; Ivan, P. S. de A.. A Energia Nuclear, In: CIÊNCIA HOJE ­ Outubro,2005)


   A figura abaixo mostra a seqüência do processo de fissão de um
núcleo de um átomo de urânio.



                        +                                +                 +     Energia liberada na forma
                                                                                   de radiação (fótons)
                          nêutron
              núcleo
              inicial                          núcleos resultantes




                ATIVIDADE

    Escreva um texto sobre a produção de energia elétrica no Brasil, através de Usinas Hidroelétrica e
 Nuclear, contemplando os seguintes tópicos:
    Riscos e procedimentos de segurança que devem ser levados em consideração;
    Existência de fonte disponível;
    Custo final do kwh;
    Prejuízos ambientais, se for o caso.



  Umpoucodoiníciodadescobertadoselementos
  radioativos...
    Wilhelm Röntgen (1845-1923), físico alemão, observou em seus
experimentos, em 1895, o que chamou de "raios penetrantes", os quais
eram produzidos em ampola de vidro através de efeito elétrico, pois
atravessavam carnes, mas não atravessavam materiais maciços como
ossos. Na continuidade de suas experiências, chamou-os de raios X.
Logo a descoberta ficou famosa, e em 1896, o físico francês Henri
Becquerel (1852-1908) descobriu raios emitidos, naturalmente, de um
pedaço de Urânio.



                                                   GeraçãomaisTransformaçãoigualaConservaçãodeEnergia 161
        EnsinoMédio

                                           Marie Curie (1867-1934) interessou-se pelos "raios penetrantes"
                                       detectados por Henri Becquerel, dedicando-se a estes. Marie retira-
                                       va Urânio da pechblenda (óxido de Urânio), um minério, ou ainda
                                       da calcolita (fosfato de cobre e uralina). Ela acreditava que poderiam
                                       existir outras substâncias radioativas nesses minérios, pois a radiação
                                       era grande se comparada com a porcentagem de Urânio no minério.
                                       No entanto, depois de um processo de purificação (em que penei-
                                       rava, triturava, dissolvia-o por ebulição, fervia o líquido, filtrava-o e
      Marie Curie (1867-1934).
                                       destilava-o), chegou a uma versão pura da nova substância, um novo
      Realizou importantes estu-       elemento químico, o qual foi chamado de Polônio, em homenagem
      dos na área da Radioativi-       a sua Terra Natal (Polônia). Com a continuidade de suas pesquisas
      dade. Foi a primeira pessoa
      a receber dois prêmios No-       (e purificação), descobriu outro elemento, o Rádio, do latim radius
      bel em áreas diferentes. Um      que significa "raio".
      em Física, em 1903 e ou-
      tro em Química, em 1911.             Marie adoeceu logo no início de suas pesquisas devido aos efeitos
      Fonte: http://en.wikipedia.org   radioativos dos elementos, pois, na época, pouco se sabia do perigo
                                       que estes ofereciam.
                                           Você deve ter percebido que, a partir do final do século XVIII e
                                       início do século XIX a ciência se desenvolveu muito, especialmente
                                       no campo do eletromagnetismo, e, ao mesmo tempo em que se
                                       alimenta do capitalismo para se desenvolver, também se constitui no
                                       elemento motor para o desenvolvimento capitalista. Primeiro ocorreu
                                       a divisão do trabalho e, depois, a incorporação das máquinas aos
                                       setores produtivos. Muitas fábricas, mesmo após o desenvolvimento
                                       das máquinas, continuaram a trabalhar sem as mesmas, por interesses
                                       próprios da organização fabril. Adam Smith (1723-1790) analisa uma
                                       divisão que já existia e considera o trabalho produtivo na indústria
                                       como o gerador da riqueza das nações. Para que você possa refletir,
                                       leia o texto colocado na seqüência:

         O argumento social da economia política de Adam Smith era tanto elegante quanto confortador. É
     verdade que a humanidade consistia essencialmente de indivíduos soberanos de certa constituição
     psicológica, que buscavam seus próprios interesses através da competição entre uns e outros. Mas
     poderia ser demonstrado que estas atividades, quando deixadas tanto quanto possível fora de controle,
     produziam não só uma ordem social "natural", mas também o mais rápido aumento possível da "rique-
     za das nações". A base desta ordem natural era a divisão social do trabalho. Podia ser cientificamente
     provado que a existência de uma classe de capitalistas donos dos meios de produção beneficiava a to-
     dos, inclusive aos trabalhadores. O aumento da riqueza das nações continuava com as operações das
     empresas privadas e a acumulação de capital, e poderia ser demonstrado que qualquer outro método
     de assegurá-lo iria desacelerá-lo ou mesmo estancá-lo. Essa sociedade não era incompatível com a
     igualdade natural de todos os homens com a justiça, pois, além de assegurar inclusive aos mais pobres
     condições de vida melhores, ela se baseava na mais eqüitativa de todas as relações: o intercâmbio de
     valores, ou mercadorias, equivalentes no mercado. O progresso era, portanto, tão "natural" quanto o
     capitalismo. (Adaptado de Hobsbawm, 2005, p. 330)




162 Eletromagnetismo
                                                                                                  Física



                ATIVIDADE

 1. O historiador Hobsbawm (2005) coloca que os homens desta época, entre eles Adam Smith, real-
    mente acreditavam no progresso da sociedade capitalista e nos benefícios que ela traria para a hu-
    manidade de uma maneira geral.
 2. Adam Smith acreditava que a origem da divisão social do trabalho estava na própria natureza huma-
    na, naturalmente propensa à troca.
 3. Podemos dizer que Thomas Edison foi um cientista com tino comercial, pois suas pesquisas cientí-
    ficas eram direcionadas para aquilo que lhe desse lucro.
    E você, o que pensa sobre isso? Discuta com seus colegas. Em seguida, escreva um texto pro-
 curando relacionar o desenvolvimento capitalista com o científico, suas relações, seus benefícios e/
 ou malefícios à sociedade contemporânea.


    Aqui terminamos essa nossa conversa. Você deve ter observado
que não usamos equações matemáticas para tratar dos fenômenos fí-
sicos estudados neste Folhas. Evidentemente, existem equações mate-
máticas desenvolvidas pelos cientistas para descrever esses fenômenos
e, certamente, elas serão apresentadas pelo seu professor ou professo-
ra. Esperamos ter contribuído para a compreensão do funcionamento
do dínamo da sua bicicleta. Mas também da indução eletromagnética,
enfim, da importância da energia para a sociedade atual e seus siste-
mas produtivos dela dependentes.


  Referências
   DIAS, V. S. Michael Faraday: subsídios para metodologia de trabalho experimental. São Paulo: USP,
   2004. Dissertação de mestrado.
   GILMORE, R. Alice no País do Quantum. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Editor, 1998.
   GONÇALVES, O. D.; Ivan, P. S. de A.. A Energia Nuclear, In: Revista Ciência Hoje, Outubro, 2005.
   HOBSBAWM, E. J. A Era das Revoluções. 19.ed. Rio de Janeiro: Paz e Terra, 2005.
   MENELES, L. C. A Matéria: uma aventura do espírito. São Paulo: SBF, 2005.
   PARKER, S.. Edison e a Lâmpada Elétrica. São Paulo: Scipione, 1996. (Coleção caminhos da
   Ciência).


  ObrasConsultadas
   GREF. Eletromagnetismo. 4. ed. São Paulo: Edusp, 2000.
   PARKER, S. Marie Curie e a Radioatividade. São Paulo: Scipione, 1996.




                                           GeraçãomaisTransformaçãoigualaConservaçãodeEnergia 163
       EnsinoMédio




164 Eletromagnetismo
                                                                                                    Física




                                                                                       11
                                                            cAmpOS
                                                   ELETROmAGNéTIcOS      Juliana Loch1, Ezequiel Burkarter2




                                                          ampo, campos, ondas! E aí? Você está
                                                         sentindo?
                                                        Não?
                                                    Pois saiba que nesse momento você está pas-
                                                    sando por ondas e mais ondas, campos e
                                                    mais campos...
                                                    Parecem fantasmas!
                                                    Pare e pense!
                                                    De onde vem, para onde vão?
                                                    Por que esses entes estão aí?
                                                    O que querem nos dizer?




Colégio Estadual do Paraná - Curitiba - PR
1

Colégio Estadual Milton Carneiro - Curitiba - PR
2



                                                                             CamposEletromagnéticos 165
       EnsinoMédio

                         nadasurgedonada!
                          Se você não leu o Folhas sobre carga elétrica, leia!
                          Se você leu, já sabe que o estudo da eletricidade começou com Tales
                       de Mileto (625-547 a.C.). Apoiado nos trabalhos de Tales, William Gilbert
                       (1544-1603) acreditava que certos materiais quando atritados emitiam
                       um eflúvio, o qual era responsável pela atração entre esses materiais.
                       Provavelmente essa seja a idéia precursora do conceito de campo.
                           Mas como ocorria a atração entre dois materiais se não havia uma
                       ligação entre eles? No caso de haver uma atração, "quem" é responsável
                       pela aplicação da força, uma vez que não há contato?
                           Gilbert tenta fazer uma analogia com a eletricidade para o magne-
                       tismo: assim como existiam eflúvios elétricos, deveriam existir eflúvios
                       magnéticos. Mas concluiu que não era possível, pois não havia trans-
                       ferência de material e o ferro atraía o ímã, assim como o ímã atraía o
                       ferro. Então a explicação feita por ele foi a mesma da antiguidade (da-
                       da por Thales de Mileto): "A força magnética era algo `animado', que
                       `imita uma alma'". (Gilbert. Citado por Gardelli, 2004, p. 15)
                           Em uma linguagem moderna, com o conhecimento que se tem
                       hoje, o que seria essa "alma"? Indo além, talvez se possa perguntar:
                          O que seria essa "alma" que parece sair de um corpo A e dizer a um
                       corpo B: "e aí, cara, seu vizinho me mandou aplicar uma força e te le-
                       var para perto dele!"?




166 Eletromagnetismo
                                                                                                         Física

   Pense rapidamente! O que a idéia anterior lhe faz lembrar?
    Claro...Isso mesmo! Um ímã!
    Vamos considerar este ímã como sendo o corpo A, foi ele quem
mandou o recado; nessa situação, o corpo B pode ser um prego, e quem
entregou o recado foi o campo magnético. O quê? Campo magnético?
    É campo magnético, gerado por ímãs, eletroímãs e até por nosso
planeta.
    Se você não tinha lido o folhas sobre carga elétrica até o início des-
te, certamente leu antes de prosseguir a leitura deste texto, então já
"conhece" a carga elétrica. Assim como o ímã "perturba" a região a sua
volta, a carga também o faz, "gerando" um campo elétrico.
    Você já deve ter sentido os pelos do seu braço sendo atraídos pela
tela da televisão, não é? Pois é, dessa vez quem mandou o recado foi
o campo elétrico.
    Depois das descobertas dos fenômenos elétricos e magnéticos,
muitos anos se passaram, e por volta de 1820, deu-se a descoberta
da relação entre eletricidade e magnetismo. Quem fez isso foi Hans
Christian Oersted (1777-1851), com a realização de um experimento
bastante simples.



                PESQUISA

     Faça uma pesquisa sobre a experiência de Orsted. Qual a relação deste experimento com a con-
 clusão de Orsted sobre eletricidade e magnetismo?



    Segundo historiadores, não se sabe ao certo se a descoberta foi pre-
vista ou se deu por acaso, mas o que se tem certeza é que a desco-
berta de Orsted despertou interesse na comunidade científica, e alguns
cientistas passaram a se dedicar ao tema, como Davy (1778-1829) e
Wollaston (1766-1828). Wollaston, recebeu uma carta de Orsted, na
qual descrevia seu experimento.
    No meio científico, a idéia de universo descrito por forças funda-
mentais que regem os fenômenos físicos, cinco no total, eram muito
fortes e foram descritas por Newton no Principia. No caso da força en-
tre dois corpos, ela é explicada pela teoria da gravitação: a força entre
dois corpos de massa m1 e m2 é diretamente proporcional ao produ-              Hans Christian Orsted (1777-
                                                                               1851). Colaborou com a unifica-
to das massas (m1 x m2) e inversamente proporcional ao quadrado da             ção da Eletricidade e do Magnetis-
distância entre as duas massas (d1,2)2.                                        mo, e ainda que não com tamanha
                                                                               intensidade realizou trabalhos na
                                                                               Química e escreveu alguns arti-
                                                                               gos sobre Filosofia. Fonte: http://
                                                                               en.wikipedia.org


                                                                             CamposEletromagnéticos 167
        EnsinoMédio

                                           A Física newtoniana influenciava todas as áreas do conhecimento.
                                       Mas foi a partir dos trabalhos de Joseph Louis Lagrange (1736-1813)
                                       (Mecanique analytique, a qual data de 1799) e Pierre Simon (1749-1827),
                                       o marquês de Laplace (Exposition du systeme du monde, a qual data de
                                       1796) que se estabeleceu a matematização dos fenômenos naturais atra-
                                       vés da mecânica analítica.
      Joseph-Louis de Lagrange             Uma das obras mais importantes de Laplace foi o seu Tratado de
      (1736-1813)                      mecânica celeste, escrita em quatro volumes, entre 1799 e 1822. Nesse
      Fonte: http://pt.wikipedia.org
                                       tratado, o sistema solar não necessita mais da atuação divina para mo-
                                       vimentar-se, visto que é estável e perpétuo.

                                            Para Laplace não teria propósito saber o sentido ou a finalidade do mo-
                                        vimento do sistema solar. Assim, ele (Laplace) dá origem à doutrina deno-
                                        minada materialismo mecanicista, a qual dominou o pensamento de grande
                                        parte dos cientistas do século XIX.
                                           Outra decorrência do sistema de Laplace é o determinismo, ou seja, tu-
                                        do o que acontece tem necessariamente uma causa e, se essa causa for
                                        conhecida, o efeito é previsível.
                                            Com as obras de Lagrange e Laplace, a mecânica analítica tornou-se a
      Pierre Simon Laplace              mais importante das ciências, garantindo a matematização de toda a Física.
      (1749-1827)
      Fonte: http://pt.wikipedia.org    Sob o ponto de vista da doutrina materialista mecâncista, era uma questão
                                        de tempo que toda a natureza dos fenômenos físicos viria a ser matematiza-
                                        da a partir das equações de Lagrange e de Laplace.
                                                                                             (Adaptado de: VARGAS, 1996)


                                          Seria então possível matematizar os fenômenos naturais relacionados
                                       com a eletricidade e o magnetismo?

                                              Estendendo a idéia de campos de força à gravitação terrestre e às
                                        forças de atração e repulsão em torno de uma carga elétrica, Coulomb
                                        utiliza a balança de Cavendish, inventada para medir as forças de gravita-
                                        ção, para medir também as foças entre cargas elétricas. Assim, chega à
                                        famosa lei de Coulomb sobre essas forças, que é análoga a lei de Newton
                                        para as forças gravitacionais. Dessa forma, definiu-se a existência de um
                                        campo de forças eletrostático semelhante ao campo de gravidade. Mais
                                        tarde, o próprio Coulomb demonstrou que também o campo magnético
                                        era sujeito a lei semelhante. Com tal analogia, as leis da mecânica analíti-
                                        ca vieram a ser aplicadas também às questões de eletrostática e de mag-
                                        netismo. (Adaptado de: VARGAS, 1996)

                                          Então, estaria tudo resolvido? Não fosse um fato inusitado...




168 Eletromagnetismo
                                                                                                                                 Física

    A relação entre eletricidade e magnetismo, evidenciada na expe-
riência de Orsted, contrariava fortemente a idéia de forças aos pares.
Mais que isso, os resultados experimentais, apresentavam uma sime-
tria inesperada: o efeito magnético da corrente elétrica aparecia com
um movimento circular em torno desta. Ou seja, Orsted observou
que a força sobre a agulha magnética deslocava-a na direção trans-
versal da corrente.
   Por que isso causava espanto?
    Voltemos à "Lei da gravitação universal" de Newton e à "Lei de                                       A expressão matemática
Coulomb": nessas leis tanto a força gravitacional como a força elétrica                                 que permite calcular o mó-
aparecem aos pares, conhecidos como ação e reação, e na linha que                                       dulo da força de atração gra-
une as massas m1 e m2, no caso da gravidade, e das cargas q1 e q2, no                                   vitacional entre dois corpos
caso da eletricidade. A interpretação de Orsted exigia que fosse revis-                                 de massas m1 e m2 separa-
ta a visão newtoniana da natureza.                                                                      dos por uma distância d1,2 é
    Os cientistas estabelecem modelos para entender os diversos fenô-                                   dada pela Lei da Gravitação
                                                                                                        Universal:
menos físicos que os cercam. Esses modelos é o que eles acham que
                                                                                                                            (m . m )
é um determinado fenômeno físico da natureza, mas não é a nature-                                          F1,2 = F2,1 = G . 1 2 2
                                                                                                                              d1,2
za propriamente dita. Além disso, os modelos não são definitivos, uma
                                                                                                        Da mesma forma, para cal-
vez que a construção do conhecimento científico não é apenas por
                                                                                                        cular o módulo da força de
acréscimos constantes, pois, muitas vezes, a evolução ocorre muito
                                                                                                        atração ou repulsão entre du-
mais por problemas que o modelo não dá conta de explicar.                                               as cargas q1 e q2 separadas
    Logo, precisamos ter clareza que um modelo não é necessariamen-                                     por uma distância d1,2, a ex-
te a última versão, é apenas a que conhecemos. A história continua!                                     pressão matemática dada pe-
                                                                                                        la Lei de Coulomb é:
                                                                                                                           (q . q )
     A exigência da objetividade científica torna inevitável que todo enunciado                           F1,2 = F2,1 = K . 1 2
                                                                                                                            (d1,2)2
 científico permaneça provisório para sempre. Ele, com efeito, pode ser cor-
 roborado, mas toda corroboração é relativa a outros enunciados que, nova-
 mente, são provisórios. (Popper, A lógica da pesquisa científica, in Marilena Chaui (org.). citado
 por. Aranha e Martins. p. 165.)


   Dessa forma, não podemos considerar nenhum modelo como ab-
solutamente verdadeiro, como se fosse um dogma, mas refletir conti-                                           m1     d       m2
nuamente sobre a sua validade, as considerações feitas pelos cientistas
ao elaborá-lo. Os acontecimentos que estavam por vir, no final do sé-                                              F21 F12
culo XIX, levaram os físicos a fazer uma nova revolução, científica e fi-                                     +              ­
losófica, visto que uma não se separa da outra.
                                                                                                              q1     d       q2
   Conforme nos ensina RUSSELL (2001), o que interessa para a refle-
xão filosófica não são as verdades científicas, mas os problemas susci-
                                                                                                        F21                        F12
tados pela ciência, visto que esses ampliam nossa capacidade de com-                                          +              +
preensão dos diversos fenômenos que nos cercam, diminuindo nossa
arrogância a respeito deles.                                                                                  q1     d       q2




                                                                                                      CamposEletromagnéticos 169
       EnsinoMédio

                           Foi a reflexão acerca dos modelos científicos que permitiu o sur-
                       gimento da mecânica quântica, a qual levou à formulação do "Prin-
                       cípio da Incerteza" de Heisemberg e à "Dualidade onda-partícula" de
                       de Broglie.
                           Foram as evidências experimentais que levaram alguns cientistas a
                       proporem novas hipóteses para o que se observava. Assim, Davy não
                       adotou a idéia de Orsted, mas sim de atração e repulsão na direção do
                       fio. Já Wollaston supôs a rotação em torno do fio.
                           Nessa mesma época, Michael Faraday (1791-1867) tem contato
                       com o Eletromagnetismo, trabalhando como assistente no laborató-
                       rio de Davy. Faraday trouxe muitas contribuições para a Eletricida-
                       de e o Magnetismo, particularmente a respeito do conceito de campo
                       (Ver o capítulo 12: Geração mais Transformação igual a Conservação
                       de Energia).
                           Assim como Davy, Faraday também não aceitava a idéia de um efeito
                       magnético circular ao redor do fio, mas a de atração e repulsão.


                            O estudo das correntes elétricas exigiu diferente enfoque da visão
                        newtoniana da natureza. Orsted, em 1920, descobriu que uma corrente
                        elétrica exercia força sobre uma agulha magnética, curiosamente, não des-
                        locando-a na direção da corrente, mas transversalmente. Mostrou que essa
                        correlação era devida ao aparecimento, em torno do fio, de um campo ele-
                        tromagnético. Mas foi Ampére quem analisou matematicamente a correla-
                        ção entre corrente elétrica, campo magnético e movimento, publicando su-
                        as deduções em 1826.
                             Às investigações de Ampére seguiram-se pesquisas e análises que pau-
                        latinamente vieram explicar os fenômenos eletromagnéticos. Restava escla-
                        recer definitivamente a natureza e as propriedades dos campos magnéticos
                        formados em torno dos condutores elétricos. Isso foi feito por Michael Fa-
                        raday, que começou a trabalhar em eletromagnetismo, em 1821, e publi-
                        cou os resultados de suas pesquisas em memórias nos Transactions of the
                        Royal Society, entre 1831 e 1855. (Adaptado de: VARGAS, 1996)


                           As pesquisas realizadas por Faraday entre 1821 e 1823 foram basea-
                       das na idéia de atração e repulsão, isto é, um fio conduzindo uma cor-
                       rente elétrica exerceria uma atração ou repulsão sobre os pólos magné-
                       ticos da agulha magnética. Esses experimentos convenceram Faraday
                       de que "ao invés de sofrer atração e repulsão, o pólo magnético da
                       agulha tendia a girar em torno do fio condutor" (DIAS, 2004, p. 24).




170 Eletromagnetismo
                                                                                                            Física



                ATIVIDADE

    Para realizar essa atividade, você precisará de dois imãs, um pouco de limalha de ferro e uma folha
 de papel sulfite.
 1. Coloque um pouco da limalha sobre o papel sulfite. Coloque esse conjunto sobre um imã. Repita a
    experiência invertendo o imã de lado. Em cada situação, observe e anote o que aconteceu.
 2. Repita a experiência, agora utilize os dois imãs, coloque-os um pouco afastados.
    Compare os dois experimentos. Qual a sua conclusão. Elabore um desenho mostrando cada situa-
 ção. Discuta com seus colegas e professor.

    Você deve ter observado na realização da experiência que as lima-
lhas de ferro parecem orientar-se segundo algumas linhas (direções)
preferenciais. Na Física, chamamos essas linhas de "linhas de força de
fluxo magnético".

     As partículas de limalha orientam-se segundo as linhas de força mos-
 trando como elas se dispõem. Quando um condutor se move, cortando es-
 sas linhas de fluxo, gera uma força eletro-motriz, a qual, por sua vez, gera
 uma corrente elétrica.
     Da mesma forma, quando um fluxo magnético varia, induz uma força
 eletro-motriz em condutores fixos que delimitam superfícies cortadas pelo
 fluxo. Assim, Faraday explicou experimentalmente todos os fenômenos ele-
 tro-magnéticos-dinâmicos.
     Mas a matematização dos fenômenos elétricos e magnéticos só foi fei-
 ta por James Clerk Maxwell, a partir de suas memórias sobre as linhas de
 força de Faraday, lidas quando felow do Trinity College de Cambridge, entre
 dezembro de 1855 e fevereiro de 1856. (VARGAS, 1996, p. 11)


  AsquatroequaçõesdeMaxwell
    Avançando "um pouquinho", chegamos a James Clerk Maxwell
(1831-1879), que logo após ter se formado em Cambridge, em 1854,
começa sua pesquisa, influenciado pelos trabalhos de Faraday sobre
linhas de força e de Thomson, sobre as equações da eletrostática e as
equações para o fluxo de calor. Maxwell publicou seu primeiro artigo
sobre Eletromagnetismo em 1855.
    Na segunda etapa de sua pesquisa, Maxwell fez distinção entre as                James Clerk Maxwell (1831-
seguintes grandezas: "Quantidade" e "Intensidade", as quais depois                  1879). Sistematizou o que se
chamou de "Fluxos" e "Forças". Dessa forma, ele chegou a um conjun-                 conhecia até então a respei-
                                                                                    to de eletricidade e magnetis-
to de equações que podiam representar a ação magnética, a indução                   mo em quatro equações, cha-
eletromagnética e as forças entre correntes fechadas. Esse conjunto foi             madas equações de Maxwell.
                                                                                    Fonte: http://en.wikipedia.org
denominado de função eletrotônica.

                                                                                CamposEletromagnéticos 171
       EnsinoMédio

                          Veja o significado das equações escritas por Maxwell, que por ve-
                       zes são chamadas de "leis de Maxwell".

                        1. A primeira equação de Maxwell é a Lei de Gauss. Ela diz que as linhas
                           de campo elétrico DIVERGEM das cargas positivas e CONVERGEM pa-
                           ra as negativas.
                        2. A segunda equação é a Lei de Faraday: há linhas de campo elétricas
                           CIRCULANDO em torno de campos magnéticos variáveis, ou seja, a va-
                           riação do campo magnético induz campo elétrico.
                        3. A terceira equação diz que campos magnéticos nunca divergem ou con-
                           vergem. Eles sempre constituem linhas fechadas.
                        4. Finalmente, a quarta equação diz que há linhas de campo magnético cir-
                           culando em torno de correntes elétricas...
                           Só que Maxwell teve uma inspiração notável...percebeu que a quarta lei
                           ainda estava incompleta.
                                                                                               (GONICK; HUFFMAN, p. 190, 1994).




                            Representação da primeira equação de Maxwell:
                            A Lei de Gauss é também a Lei de Coulomb.                       Representação da terceira equação de
                                                                                            Maxwell dentro e fora de um imã. Ob-
                                                                                            serve que as linhas nunca se fecham.




                                                                                                   Representação da quar-
                                                                                                   ta equação de Maxwell.

                                Representação da segunda equação de Maxwell.


                           Fig. 1. Representação das Leis de Maxwell através de linhas de campo. Essa idéia de representação por li-
                           nhas foi introduzida por Michael Faraday, juntamente com o conceito de campo. (Adaptado de: GONICK;
                           HUFFMAN, 1994)




172 Eletromagnetismo
                                                                                                            Física



                   PESQUISA

     Bem, o que dá para dizer é que foi algo genial, foi só percepção, sem evidências experimentais, e
 mais, essa descoberta permeia o conteúdo deste folhas. Agora você é que precisa ser genial para pes-
 quisar e ENTENDER o complemento (termo extra) da quarta equação de Maxwell! Boa pesquisa...

   A essa altura você já sabe o que significa esse termo da quarta
equação, não é? Essa elaboração teórica de Maxwell foi muito impor-
tante para um novo campo de estudo da Física que se iniciava: o ele-
tromagnetismo. Vejamos:

       Imagine uma carga elétrica solitária sendo VIBRADA: no espaço, à vol-
   ta dela está havendo mudança em campo elétrico, induzindo, portanto,
   um campo magnético que circula à volta. Mas o campo magnético tam-
   bém varia: portanto, induz mais campo elétrico, que por sua vez...ETC.! O
   resultado é uma ONDA de campos que emerge de uma carga vibrante, e
   com a velocidade da luz, de acordo com os cálculos de Maxwell! (GONICK;
   HUFFMAN, p. 193, 1994).




                Fig. 2: acoplamento de um campo elétrico com um campo magnético. Ou se-
                ja, dois campos fisicamente ligados produzem um único conjunto denomina-
                do campo eletromagnético.


   Maxwell mostrou teoricamente a presença de campos elétricos e
magnéticos, os quais deslocam-se como ondas (apresentam as pro-
priedades de reflexão e refração de ondas) e por vezes acoplados. Es-
sas ondas são campos variáveis que se deslocam: o campo magnético
se modifica no espaço, o campo elétrico no tempo e vice-versa, per-
mitindo a sua transferência através do espaço.
   Essas ondas, previstas por Maxwell, foram chamadas de Ondas Ele-
tromagnéticas. Ele concluiu que essas ondas são transversais e movimen-
tam-se com a velocidade da luz, a qual já era conhecida nessa época.
   Se as ondas eletromagnéticas propagam-se com a velocidade da luz,
então podemos deduzir que a luz também é uma onda eletromagnética!



                                                                                           CamposEletromagnéticos 173
       EnsinoMédio

                           De fato, a partir dos trabalhos de Maxwell, fica evidenciada a na-
                       tureza eletromagnética da luz. Esses trabalhos unificaram as idéias de
                       Eletricidade e Magnetismo, que até então eram estudados separada-
                       mente, juntamente com a Óptica. Os três campos de estudos, passaram
                       a fazer parte de um mesmo grupo: os fenômenos eletromagnéticos.
                           Os trabalhos de Maxwell obtiveram evidências experimentais com
                       as experiências realizadas por Heinrich Hertz, em 1885.


                             Hertz realizou experiências sobre a propagação das ondas eletromag-
                        néticas utilizando como transmissor pontas metálicas pelas quais saltavam
                        faíscas elétricas e, como receptor, espiras metálicas. Em suas experiências,
                        demonstrou que tais ondas refletiam-se contra placas metálicas. Apesar de
                        ter tentado medir a velocidade de propagação dessas ondas, só mais tarde
                        outros pesquisadores verificaram que essa velocidade era exatamente igual
                        a da luz. A diferença estava no comprimento de onda de luz, frações de mí-
                        cron, enquanto que as ondas hertzianas tinham comprimentos medidos de
                        centímetros até centenas de metros.
                            Ficou assim demonstrado que um campo elétrico, mesmo formado no
                        espaço vazio, variável com o tempo, formaria correntes de deslocamento
                        que produziriam, em torno de si, campos magnéticos que também se des-
                        locariam no espaço. Assim, formar-se-iam ondas eletromagnéticas que se
                        propagariam no espaço com a velocidade da luz.
                             Nessa época foram descobertos os raios infravermelhos, os ultravioletas e
                        os raios X. Todas essas radiações mostraram reflexão e difração, como a luz;
                        portanto, seriam todas elas ondas eletromagnéticas que obedeciam às equa-
                        ções de Maxwell e foi também demonstrado que o calor era transmitido como
                        irradiação hertziana. Dessa forma, matematizava-se o vasto domínio das irradia-
                        ções de energia, deixando o caminho pronto para que, em 1900, Max Planck
                        pudesse explicar o comportamento da energia irradiada pelos chamados cor-
                        pos negros, dando início ao que hoje chamamos de mecânica quântica.
                            Maxwell não utilizou modelos mecânicos para explicar suas teorias, re-
                        forçando a idéia de que a formulação matemática era a única maneira de,
                        pelo menos, vislumbrar a natureza daquela "coisa que se conserva (a ener-
                        gia)". Nesse sentido, Hertz também deixou de lado qualquer modelo mecâ-
                        nico para insistir que só as equações de Maxwell poderiam encerrar todo o
                        conhecimento possível sobre a natureza das ondas hertzianas.
                            As conclusões finais da física clássica mostravam que a natureza da
                        energia seria essencialmente formal, ou seja, sua realidade estaria mais nas
                        expressões matemáticas do que nos seus efeitos sensíveis. Não que a coi-
                        sa matemática fosse "a coisa em si, que se transforma", mas permitia entre-
                        vê-la. Com a descoberta dos quanta, essa concepção de energia não se
                        modifica; pelo contrário, veio a mostrar que a natureza corpuscular da ener-
                        gia estava mais próxima da (natureza) dos números do que da (natureza)
                        das substâncias. (Adaptado de VARGAS, 1996).


174 Eletromagnetismo
                                                                                                                    Física




         Fig. 3: O espectro eletromagnético. Uma onda possui comprimento de onda e freqüência,
         par de grandezas que a caracteriza como uma onda em particular. No caso da luz visível
         esse par de grandezas determina a cor. A energia da onda é dada pela equação matemática
         E = h.f, onde h é a constante de Planck e f é a freqüência da onda eletromagnética.



  Umjeitofácildeentenderaondaeletromagnética:
   atransferênciadeinformação
    Existem campos elétricos e magnéticos gerados em uma mesma re-
gião pela existência de uma carga elétrica. É o caso das antenas, cuja
estrutura possibilita que os elétrons se movimentem livremente, exci-
tados por tensão ou corrente elétrica, gerando campos eletromagnéti-
cos nos seus arredores.
     Vamos nos remeter mais uma vez ao Folhas sobre carga elétrica, on-
de aparece a idéia de que materiais atritados ficam eletrizados e atuam
em outros materiais próximos sem encostar nestes. O que acontece nes-
sa situação é a "ação à distância", em outras palavras, "atua de longe".
    A antena tem por objetivo maximizar esse alcance dessa ação à dis-
tância. Assim, quanto mais longe puder gerar efeito, maior é a influên-
cia, ou seja, a área de cobertura da antena fica melhorada.
   A possibilidade de transferir informações nos permite ouvir um rádio,
equipamento receptor de informações. Você sabe como isso acontece?

                                                                                                   CamposEletromagnéticos 175
       EnsinoMédio


         O sistema pelo qual transmitimos o som do rádio é razoavelmente complexo. Desde o microfone da
     estação até o alto-falante do aparelho receptor, o som passa por várias fases e sofre diversas transfor-
     mações. Para termos uma idéia, indicamos a seguir as principais etapas envolvidas:
        produção de som pela voz humana, música etc.;
        as ondas sonoras, que são variações da pressão do ar que atingem o microfone;
        no microfone o som é convertido em corrente elétrica alternada de baixa freqüência;
        esta corrente elétrica de baixa freqüência causa alterações na corrente de alta freqüência, produzi-
        da na estação. É através da alta freqüência desta corrente que identificamos as estações transmis-
        soras no visor do aparelho; desta forma, a corrente elétrica que representa o som transformado e a
        corrente elétrica produzida na estação são "combinadas" de forma que esta última funciona como
        se fosse o veículo transportador do som;
        esta "nova" corrente elétrica se estabelece na antena da estação transmissora e através do espaço
        a informação se propaga em todas as direções;
        a antena do aparelho de rádio colocada nesse espaço captará essa informação;
        se o aparelho estiver sintonizado na freqüência da corrente produzida pela estação, o som poderá
        ser ouvido pelo alto-falante.
                                                                                            (GREF, 1993, p. 236)




                     PESQUISA

         Agora que você já sabe como se dá o processo de transmissão de informações no rádio, que tal
     fazer a mesma coisa para a televisão, observando, inclusive como se dá o processo de formação de
     imagens na TV.


                                  Você sabia que muitos conceitos físicos contribuíram (e contri-
                              buem) para criar caminhos na compreensão dos processos que acon-
                              tecem nos seres vivos, por exemplo, a função e estrutura de moléculas
                              que estão presentes nestes. Novas técnicas, que aparecem baseadas no
                              maior conhecimento de partículas subatômicas, colaboraram enorme-
                              mente para o avanço dessa nova área de estudo, a Biofísica.
                                  Citamos, aqui, a Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE), técni-
                              ca apresentada por Zavojski, em 1945. Esta tem colaborado para o es-
                              tudo da mioglobina e da hemoglobina. Como acontece?
                                  Dentro do magnetismo, as substâncias são classificadas como fer-
                              romagnéticas, diamagnéticas e paramagnéticas. Nesse último grupo,
                              enquadram-se muitas moléculas biológicas, entre elas a hemoglobi-
                              na, responsável pelo transporte de oxigênio no sangue. Essas molécu-
                              las possuem átomos de ferro e, por esse motivo, quando submetidas a
                              campos magnéticos, magnetizam-se. Como exemplo, uma amostra de


176 Eletromagnetismo
                                                                                                  Física

hemoglobina é submetida a um campo magnético, onde são emitidas
microondas com freqüências controladas, no momento em que as mo-
léculas da amostra entram em ressonância com a freqüência emitida,
essa freqüência é medida e assim é possível obter informações sobre
as ligações moleculares.



                PESQUISA

     Que tal buscar em livros, revistas e até mesmo na Internet o que devemos considerar para que uma
 substância seja classificada como ferromagnética, diamagnética ou paramagnética. Isso será muito im-
 portante para o entendimento do comportamento biomagnético dos animais.
      Paralelamente, realize a seguinte experiência: pegue um pedaço de ferro e passe sobre ele um imã
 várias vezes e no mesmo sentido. Em seguida aproxime o ferro de alguns metais.
     Que conclusões, a partir de sua pesquisa, você pode tirar dessa experiência? Escreva um texto e
 apresente-o para discussão com seu professor e colegas.


   E que tal essa: campos magnéticos contribuindo na "vidinha" de
formigas e abelhas!


  Biomagnetismo:orientaçãomagnética
   Embora o magnetismo seja conhecido desde a antigüidade, e a
Terra considerada como um "grande ímã" (dipolo magnético), a ação
magnética deste campo nos seres vivos começou a ser estudada recen-
temente.


      No século 18, o médico vienense Franz Anton Mesmer (1734-1815)
 lançou a teoria de que todos os seres vivos seriam constituídos por um `flui-
 do magnético', o que permitia que fossem influenciados por campos mag-
 néticos. Com base nessas idéias, ele acreditou que poderia `curar' doen-
 ças através do contato do corpo com ímãs e outros objetos imantados, e
 daí passou à prática. (ARAúJO, B. D., et al, p.24, 1999)


   Nessa época, Franz Anton Mesmer não poderia imaginar que seres
vivos geram campos magnéticos.
   Esse campo de pesquisa é atualmente dividido em dois: magneto-
biologia (estuda os efeitos produzidos por campos magnéticos nos or-
ganismos) e Biomagnetismo (pretende fazer a medição dos campos
gerados por seres vivos).



                                                                                 CamposEletromagnéticos 177
       EnsinoMédio

                           Desde microorganismos até abelhas, formigas, peixes e pássaros,
                       entre outros seres vivos, respondem a campos magnéticos.
                           Nesses animais já foram encontradas partículas magnéticas produzidas
                       pelo próprio organismo. Essas partículas são muito pequenas e, na maioria
                       das vezes, constituídas de óxido de ferro fortemente magnetizado.
                           Nos organismos unicelulares, essas partículas se encontram no ci-
                       toplasma (meio entre o núcleo e a membrana celular, constituído na
                       sua maioria de água e proteínas), produzindo um momento magnético
                       para orientá-los de acordo com as linhas de força do campo magnéti-
                       co terrestre. Entretanto, nos animais que tem organismos mais comple-
                       xos, com células especializadas, esse processo é chamado de magne-
                       torecepção, envolvendo células nervosas, o que até hoje não está bem
                       compreendido, existindo hipóteses isoladas, ou ainda, específicas pa-
                       ra determinados animais.
                           Agora, vamos nos preocupar em especial com os insetos sociais,
                       como as abelhas e formigas (himenópteros) e os cupins (isópteros),
                       que vivem em comunidades organizadas.
                           Dentre as abelhas, a espécie mais estudada tem sido a Apis mellifera,
                       por sua agressividade e produtividade. No abdômen destas, encontram-
                       se dois tamanhos de magnetita, o que tem levado a compreensão
                       da misteriosa dança das abelhas (os primeiros estudos sobre esse
                       comportamento foram realizados por Karl von Frisch, o que lhe garantiu,
                       o prêmio Nobel em 1973), realizada quando voltam à colméia para
                       avisar sobre ao alimento encontrado.
                           Devido ao clima tropical e as florestas, existem muitas e muitas es-
                       pécies de formigas em nosso país. Estudos vêm mostrando o efeito de
                       campos magnéticos no comportamento das formigas. Atualmente as
                       pesquisas indicam dois possíveis tipos dessa influência: efeito magne-
                       to-cinéticos e o magneto-dinâmicos.
                           Sobre o efeito magneto-cinético, existem estudos realizados por
                       Kermarrec (1981), com a espécie Acromyrmex octospinosus. Esses es-
                       tudos demonstraram sensibilidade das formigas a campos magnetos-
                       táticos. Já em 1993, Anderson e Vander Meer observaram a espécie
                       Solenopsis invicta, conhecida como "lava pés", e perceberam diferen-
                       ças no tempo da formação da trilha para buscar alimentos, devido a
                       variação do sentido de campos magnéticos. O mesmo foi analisado
                       por Klotz (1887), mas não confirmou o experimento.
                           Para o efeito magneto-dinâmico, encontram-se estudos realizados
                       em 1986 e 1998, com a espécie Aecophylla smaragdima. Os estudos
                       mostraram que a influência do campo magnético não é predominan-
                       te, mas sim outros estímulos, como luz e feromônios (característicos
                       de cada sociedade). Contudo, na ausência desses estímulos, o campo
                       magnético é utilizado para orientação.



178 Eletromagnetismo
                                                                                                      Física

   E aí...ainda tem mais! Seres humanos também produzem campos
magnéticos, são pequenos, na escala de nanotesla (tesla (T), unidade
de campo magnético). Esses campos biomagnéticos se dão a partir da
corrente elétrica que percorre algumas células. Essas correntes, produ-
zidas por variações na permeabilidade da membrana. Os campos ain-
da podem surgir a partir de alguns órgãos, (como, por exemplo, o fí-
gado), que acumulam material magnético.
   O estudo dos campos eletromagnéticos ganhou, através das leis de
                                                                                PARA PENSAR
Maxwell, uma estrutura teórica bastante consistente, obtendo inclusi-
                                                                                Como nós, seres humanos,
ve, o status de leis fundamentais. Contudo, mesmo tendo esse status,
                                                                                convivemos com essa polui-
essas leis não respondem a todas as perguntas referentes ao concei-
                                                                                ção eletromagnética? Pois,
to de campo.                                                                    cada vez mais estamos ex-
   Temas ligados à interpretação e aplicações dessas leis têm acarreta-         postos a campos eletromag-
do o desenvolvimento de trabalhos na área de Eletrodinâmica Quântica            néticos devido à tecnologia.
e Cromodinâmica Quântica. Nessas teorias, que fazem parte do que
hoje costuma-se chamar teoria de campo, o campo parece ganhar ca-
racterísticas materiais.



                ATIVIDADE

     Uma das mensagens dessas teorias é que o campo pode ser constituído de partículas, uma espé-
 cie de "alma material".
    Busque, no texto, a evolução da idéia de campo, até chegar nessa afirmação.



   E aí? Você se convenceu de que está rodeado de ondas e campos?



  Referências
   ARANHA, M. L. A.; MARTINS M. H. P. Filosofando ­ Introdução à Filosofia.
   2 ed. São Paulo: Moderna, 1993.
   ARAÚJO, D. B.; CARNEIRO, A. A. O.; MORAES, E. R., BAFFA, O.
   Biomagnetismo: Nova Interface entre a Física e a Biologia. In: Ciência
   Hoje, SBPC: vol. 26, nº: 153, p. 24-33, 1999.
   DIAS V. S. Michael Faraday: subsídios para metodologia de trabalho
   experimental. São Paulo, 2004. Dissertação de mestrado.
   GARDELLI, D. Concepções de Interação Física: subsídios para uma
   abordagem Histórica do Assunto no Ensino Médio. São Paulo, 2004.
   Dissertação de Mestrado. USP



                                                                              CamposEletromagnéticos 179
       EnsinoMédio

                        GONICK, L.; HUFFMAN, A. Introdução ilustrada à Física. São Paulo:
                        Editora Harbra Ltda, 1994
                        GREF. Eletromagnetismo. 4ª ed. São Paulo: Edusp, 1993.
                        RUSSELL, Bertrand. O valor da filosofia. Tradução António Sérgio.
                        Coimbra: Almedina, 2001. p. 151.
                        VARGAS, Milton. História da matematização da natureza. Estud. Av.
                        sept/dec. 1996, vol. 10, n.º 28 (06 de julho de 2006), p. 249-276. <http://
                        www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-4014199600030
                        0011&Ing=em&nrm=iso> ISSN 0103-4014.



                        ObrasConsultadas
                        HALLIDAY, D.; RESNICK, R.: KRANE, K. S. Física Vol III. 5ª ed. Rio de
                        Janeiro: Ed. LTC, 2004.
                        HALLIDAY, David; RESNICK, Robert e KRANE, Kenneth S. Física Vol IV. 5ª
                        ed. Rio de Janeiro­ RJ: Ed. LTC, 2004.
                        JACKSON, J. D. Eletrodinâmica Clássica 2ª ed. Trad. Annita Macedo e
                        Horácio Macedo. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois, 1983.
                        RESNICK, R.; ROBERT, R. Física Quântica. Rio de Janeiro: Editora
                        Campus, 1978.
                        ROCHA, J. F. (org.): Origens e Evolução das Idéias da Física. Salvador,
                        EDUFBA, 2002.
                        RUSSEL, J. B. Química Geral. 2.ed. São Paulo: Makron Books do Brasil
                        Editora Ltda, 1994.




180 Eletromagnetismo
                             Física



ANOTAÇÕES




            CamposEletromagnéticos 181
                                          Foto: Ezequiel Burkarter                 Foto: Ezequiel Burkarter
                                                                                                              EnsinoMédio




182 Eletromagnetismo
                       Foto: Ezequiel Burkarter                      http://www.thomashawk.com
                                                                                                                 Física




                                                                                                     12
                                                        A NATUREZA DA LUZ E
                                                        SUAS pROpRIEDADES
                                                                                         Otto Henrique Martins da Silva1


                                                              ncontrava-me assistindo a um belo filme - Caçadores
                                                             de Mentes - quando num dado momento, após a
                                                              morte de mais um integrante do grupo de persona-
                                                              gens, todos os demais ficaram atordoados e pavo-
                                                        rosos e, não bastando isso, apareceu uma seqüência de
                                                        vários números escritos com o sangue da vítima numa
                                                        grande parede de vidro.
                                                        O grupo estava perplexo. Uma grande interrogação e um
                                                        enigma se estabeleceram no ambiente. Eram nove per-
                                                        mutações, onde apresentamos, aqui, aquelas que apa-
                                                        receram no filme: 582997924, 829979245, 9245829979,
                                                        52929979248, 792458279.
                                                        Ainda sem entender o que estava acontecendo, todos
                                                        indagavam:
                                                        ­ O que representa esta seqüência de números?
                                                        Sara, uma das integrantes, sugeriu que o enigma pode-
                                                        ria estar relacionado com o tempo, pois o assassino fez
                                                        tudo cronometrado; outros disseram, de acordo com as
                                                        hipóteses levantadas, que poderia ser alguma coisa como
                                                        uma taxa, um quociente... absurdo!
                                                             Será que as propriedades da luz podem nos ajudar
                                                             a resolver esse enigma? Vamos investigar?



Colégio Estadual Protásio de Carvalho - Curitiba - PR
1



                                                                                 Anaturezadaluzesuaspropriedades 183
        EnsinoMédio

                                                Asprimeirasconcepções
                                               O que é a luz? Será uma partícula material, como, por exemplo, uma
                                            bola de sinuca? Será uma onda movimentando-se em um meio, seme-
                                            lhante a uma onda do mar que se movimenta na água? Ou seria, como
                                            pensavam os filósofos gregos, uma manifestação visível do fogo?

                                                          "Fiat lux; et lux facta est (...)" (BÍBLIA, A. T. Gêneses, 1:3)

                                               "Faça-se a luz; e foi feita a luz".
                                              A luz talvez seja o fenômeno físico mais remoto do cosmo e, por-
                                        tanto, da humanidade. As questões relacionadas à sua origem e natu-
                                        reza têm sido causa de muitas reflexões. Presente de forma cotidiana
                                        na Terra, a sua existência está associada, de certa forma, à existência
                                        de todas as coisas do Universo, ou seja, os cometas, os planetas, as es-
                                        trelas, as galáxias, etc.
                                                                    Na civilização ocidental, os gregos já afirmavam ser
                                                                a matéria constituída por partículas e concebiam a luz
                                                                como parte de um dos quatro elementos (terra, água, ar
                                                                e fogo). A luz, ao lado do calor, seria uma manifestação
                                                                do fogo. Esta concepção foi dada por Empédocles por
                                                                volta do século V a.C. e foi admitida até o século XIII.
                                                                    Para a escola pitagórica, a luz tem origem no olho,
                                                                de onde sai e atinge os objetos, regressando ao olho e
                                                                dando, portanto, a visão. Platão (séc. IV a.C.), no en-
                                                                tanto, propôs uma concepção intermediária, onde os
                                                                raios eram emitidos, tanto do olho quanto dos obje-
                                                                tos luminosos, e a sensação da visão era atribuída ao
      Fig. 1. O fogo: um dos quatro elementos de Empédocles, do encontro dos raios.
      qual a luz faria parte. Foto: Ezequiel Burkarter.



          Um dos defensores desta teoria foi Euclides, cuja obra A óptica e a Catadióptica, considerada a
      mais antiga sobre esse assunto, ele trata da propagação retilínea da luz, da existência do `raio visual' e
      da igualdade dos ângulos de incidência e de reflexão em espelhos planos. (ROSMORDUC, 2003, p. 53)




184 Eletromagnetismo
                                                                                                     Física

   Uma concepção contrária à destes filósofos foi desenvolvida por
Aristóteles (séc. IV a. C.). Tal teoria defende que "O objeto luminoso
vibra, colocando assim em vibração um meio indefinido, que o filóso-
fo chama de `diáfano', o qual, por sua vez, provoca o movimento de
`humores' que entram na composição do olho", segundo a tradução da
Vulgata Latina pelo padre Antônio Pereira de Figueiredo.
   Mas o que tudo isso tem a ver com o enigma das seqüências nu-
méricas que aparecem no filme? Você já descobriu? Não? Então, conti-
nue a leitura!



                 PESQUISA

    Nos `anais' da História da Ciência estão registrados, por mais de 400 anos, uma disputa que, em al-
 guns momentos, adquiria uma conotação mais política do que científica a respeito da luz. Então, que tal
 uma pesquisa que busque descrever as teorias ondulatória e corpuscular, apontando as características
 de cada uma. Relate as semelhanças e as diferenças entre essas duas teorias e as primeiras concep-
 ções a respeito da natureza da luz
     Uma dica: Neste livro, o texto "Dualidade onda partícula da luz" pode auxiliá-lo na pesquisa.



   Sua pesquisa ajudou a decifrar o enigma do filme? Já sabe o que
significa a seqüência numérica?
    Se a sua pesquisa ainda não foi o suficiente para decifrar o enigma,
que tal desenvolver o seu potencial artístico e montar uma peça de te-
atro utilizando a vida de homens que, como você, são feitos de carne
e osso, e que contribuiriam para construir a história da ciência desen-
volvida até aqui. Afinal de contas, a ciência, assim como a história da
humanidade, também é construída por seres humanos.

  Aluznoteatro
    A iluminação na apresentação de uma peça teatral é parte integran-
te do contexto. O uso da luz no teatro é anterior à invenção da lâmpada
elétrica por Thomas Edison, em 1880, pois se utilizavam candelabros ou
lâmpadas distribuídos pelo auditório. O uso das alterações da intensida-
de luminosa no palco foi introduzido por Leone di Somi, no século XVI.
    Atualmente, as funções da iluminação numa apresentação teatral
agregam signos que podem constituir uma dada realidade ou contexto
de uma situação real. Portanto, a iluminação pode expressar:
    O tempo e espaço ­ quando, por exemplo, proporcionamos uma
    luz com características de um amanhecer ou um pôr do sol;




                                                                    Anaturezadaluzesuaspropriedades 185
       EnsinoMédio

                                            O clima ­ quando o ambiente está iluminado com cores quentes e
                                            brilhantes (amarelo, âmbar e rosa) para uma peça alegre e leve;
                                            O estilo ­ numa peça realista, a iluminação simulará o efeito de fon-
                                            tes comuns: abajures, luz solar externa, etc.;
                                            O ritmo ­ a luz deverá alternar-se em tempos contínuos ou cons-
                                            tantes, estabelecendo um dado ritmo.
                                            A luz no palco precisa de cuidados especiais, designando-se para
                                        isto, um iluminador. A este cabe observar os momentos importantes da
                                        peça em que todos os significados da luz devem estar presentes, uma
                                        vez que esses significados integram o contexto. O fundamental é se-
                                        guir as necessidades dos atores e do contexto das situações, fornecen-
                                        do a luz necessária na medida certa.
                                            Para explorar melhor as possibilidades do uso da iluminação no te-
                                        atro, se possível, visite o sítio: www.iar.unicamp.br/lab/luz/dicas.htm.
                                        Esta página traz informações sobre equipamentos para a iluminação
                                        teatral, iluminação em estúdios e os efeitos produzidos. No link "di-
                                        cas", você pode acessar endereços eletrônicos com mais informações
                                        sobre iluminação teatral. Também, encontrar instruções técnicas sobre
                                        como proporcionar a melhor iluminação para as cenas, textos e alguns
                                        resultados obtidos na mistura de algumas cores-luz sobre cores-pig-
                                        mento de forma on-line. É muito interessante.
                                            Vamos a peça! Converse com o seu professor de Física e de Arte
                                        para que um deles possa coordenar esta atividade. Esse professor co-
                                        ordenador deverá solicitar a participação dos que tenham interesse em
                                        se dedicar à peça e ter disponibilidade para os ensaios. É importante
                                        eleger um diretor para a peça que possa ficar coordenando os traba-
                                        lhos durante a apresentação.
                                            Sugerimos uma peça teatral que reúne três dos principais persona-
                                        gens da história da Física numa discussão teórica que busca compre-
                                        ender a natureza da luz. São eles: Isaac Newton, Christian Huygens e
                                        Albert Einstein.
                                            Essa dramatização permite que você compreenda o embate histórico
                                        das duas concepções acerca da natureza da luz, segundo os seus autores
                                        e suas convicções, ao trazer para o presente nomes que aparentemente
                                        estão distantes no espaço e tempo. E você, seus colegas e convidados
                                        poderão discutir o caráter dual da luz proposto por Einstein, Planck
       Christian Huygens (1629-
                                        e outros que resultou na concepção onda-partícula da luz ou teoria
       1695) Defendia a teoria          quântica da luz.
       da luz como onda, ao con-
       trário da teoria de Newton,          A peça possui três personagens que entrarão em cena conforme a
       a qual defendia que a luz        seqüência do texto. O ambiente poderá ser um auditório ou uma sala
       era formada por partículas.      bem iluminada e com a possibilidade de se apagar as luzes ou manter
       Fonte: http://pt.wikipedia.org
                                        pouca luminosidade, com tomadas para a utilização do data-show e/
                                        ou retroprojetor e também para o uso de um feixe de luz.
                                            O material necessário para a montagem da peça, além do auditório
                                        ou sala de aula, é: uma fonte que produza um feixe de luz ­ comum
186 Eletromagnetismo
                                                                                                            Física

nos kits de óptica (caso não disponha de um desses kits, pode ser uti-
lizado uma lâmpada comum); um CD usado; um projetor de slides, da-
ta-show ou retro-projetor; slides ou lâminas com as respectivas figuras,
como aparecem no texto.
    Agora é com você. Leia o texto teatral (gentilmente cedido pelos seus
autores, José E. Moreira e Betânia Montenegro, da Seara da Ciência) e
mãos à obra.


     A NATUREZA DA LUZ
     José E. Moreira e Betânia Montenegro
     Seara da Ciência ­ UFC. http://www.seara.ufc.br
    NEWTON (entra em cena) ­ Preciso definir melhor alguns segredinhos acerca da natureza da... (TAM,
 TAM, TAM acendem-se as luzes da sala ­ o significado da expressão "TAM, TAM, TAM", fica a cargo de
 quem dirigir a peça.). Afinal, do que ela é mesmo feita, essa luz que enche a sala, e ilumina todas as coi-
 sas? Mas... como estudá-la? Ah! Já sei, usarei o método científico que o Galileu desenvolveu e que eu te-
 nho aperfeiçoado ao longo das minhas pesquisas.
    Acho que, se eu concentrar a luz num feixe bem estreitinho, poderei estudá-la melhor do que assim,
 espalhada. (Acende-se a luz do feixe e apagam-se as luzes da sala). Pronto! É como eu pensei, agora te-
 nho um feixe de luz (passando a mão pelo feixe de luz), prontinho para ser dissecado. (Pega um CD em al-
 gum lugar).
      O que será que acontece se eu colocar este CD, esta maravilha do século XX, em frente ao feixe de
 luz? (coloca o CD na frente do feixe até obter o arco íris). (Grita) Uau! Que maravilha! Então a luz é multico-
 lorida! Esse é o segredo do arco-íris...
     Bem, não é um glorioso arco-íris, mas dá pro gasto, o mais importante é que descobri que posso se-
 parar a luz em várias fatias, cada fatia de uma cor, e cada cor numa posição diferente. (Aparece um slide
 mostrando Newton decompondo as cores do arco-íris com um prisma). Isto é realmente incrível, todas as
 cores do arco-íris estão misturadas num feixe de luz original! Podemos dizer que a mistura de todas as co-
 res do arco-íris forma a cor branca, isto é, a luz branca é a soma de todas as cores. (Tira o CD e mostra o
 feixe branco).
      Mas por que será que a luz vermelha se desvia menos que a luz violeta? E o que será que causa essa
 separação de cores? Mas é claro! Só pode ser isso! A luz é formada por minúsculas partículas coloridas, aí
 tem partículas de luz vermelha, de luz amarela, de luz azul, enfim, partículas de todas as cores. A luz é mul-
 ti-colorida e feita de partículas!
     Quando o feixe de luz incide sobre a superfície do CD, provoca uma separação das cores, é exatamen-
 te o que acontece com a luz ao passar por um prisma. O CD e o prisma separam as partículas mais leves
 das mais pesadas. (Recoloca o CD dispersando a luz).
     Bem, se raciocinamos assim, as partículas da luz vermelha devem ser mais pesadas, e por isso elas se
 desviam menos. E se as azuis se desviam mais, é porque são mais leves! (Newton, maravilhado, olha para
 o teto ou para a tela onde tem um pipocar de cores, enquanto ele diz luzes, luzes, luzes...).
     HUYGENS (Pronuncia-se `Róiguens') ­ Oh, mas o que está acontecendo aqui?
    NEWTON ­ É que eu acabo de entender uma coisa importantíssima: a luz é formada de partículas!
 (Aparece, na tela do data-show, o prisma desviando partículas vermelhas e azuis. Caso não disponha de
 um data-show, pode-se utilizar um retro-projetor).


                                                                        Anaturezadaluzesuaspropriedades 187
       EnsinoMédio


        HUYGENS ­ Hã, hã... Não é bem assim, essa sua explicação está errada.
        NEWTON ­ Mas, espera um pouco, quem é você?
        HUYGENS ­ Eu sou Christian Huygens, holandês de nascimento, filósofo e físico. (Na tela do data-
     show aparece o retrato e o nome de Christian Huygens).
        NEWTON ­ (Olhando a tela): Úigens, Uígens, ou Óiguens, seja lá quem for, você está se metendo on-
     de não é chamado!
        HUYGENS ­ (Ignorando Newton) Como eu dizia, a luz é formada de ondas!
        NEWTON ­ Heresia, heresia! A luz é formada de partículas! Cada cor é um tipo diferente de partícula!
        HUYGENS ­ Não, cada cor é uma onda com diferente comprimento!
         As ondas vermelhas são mais desviadas no prisma que as ondas azuis. (Aparece, na tela do data-show,
     o prisma desviando ondas vermelhas e azuis).
         Isso acontece porque as ondas vermelhas andam mais rápido que as ondas azuis dentro do vidro do
     prisma. Se a luz fosse feita de partículas, seria o contrário: as partículas vermelhas andariam mais devagar
     que as partículas azuis, pois seriam mais pesadas.
         NEWTON ­ Bem, isso é verdade. Mas, para sabermos quem tem razão, só há um jeito: medir a velo-
     cidade da luz no vidro e verificar quem anda mais ligeiro.
        (Entra ALBERT EINSTEIN).
         EINSTEIN ­ Tem razão. Basta medir. E essa medida foi feita por um francês chamado Fizeau (Fizô) e
     ficou comprovado que a luz vermelha anda mais ligeiro no vidro que a luz azul.
        HUYGENS ­ Viu? Eu estou certo. Luz é onda! Einstein está do meu lado!
         EINSTEIN ­ Devagar com o andor... Planck, (aparece na tela a foto com o nome de Max Planck) eu e
     outros mostramos que a luz é muito mais volúvel do que vocês podem imaginar. Na verdade, a luz é onda,
     mas também é partícula!
        HUYGENS e NEWTON ­ Isso é impossível!
        EINSTEIN ­ Pode até parecer, mas não é. Foi exatamente por essa descoberta que surgiu a teoria
     quântica da luz, que hoje em dia está mais que comprovada pela experiência.
        Mas, essa é outra história e sugiro que fiquemos por aqui. Vamos tomar um cafezinho?
        HUYGENS e NEWTON ­ (meio desconcertados) ­ Vamos!
        NEWTON ­ Tá certo, mas me fale um pouco dessa tal teoria quântica.
        (Antes de sair, Einstein bota a língua para fora). (Fim)




                     DEBATE

         Após o encerramento da peça, o professor coordenador, atores e equipe técnica poderão pro-
     porcionar uma discussão em conjunto com os espectadores, retomando os principais aspectos
     das teorias ondulatória e corpuscular, como também, a que concebe a luz como a dualidade onda-
     partícula. Este momento se constituirá numa oportunidade de se responder às perguntas realizadas
     pelos espectadores, tanto pelo professor, quanto pelos personagens: Einstein, Newton e Huygens,
     bem como retomar as diversas circunstâncias em que a teoria foi concebida e modificada.



188 Eletromagnetismo
                                                                                                  Física

  Asupremaciadateoriaondulatóriasobrea
  teoriacorpuscularnoséculoXIX
    O francês Augustin-Jean Fresnel (1788-1827), através de uma das de-
monstrações experimentais que confirmara o caráter ondulatório da luz
realizada na Academia de Ciências em Paris e uma demonstração mate-
mática que explicava a propagação retilínea da luz, as leis de Descartes
e os fenômenos de difração, o que levou a uma maior aceitação da teo-
ria ondulatória da luz, em detrimento da teoria corpuscular de Newton.
    No entanto, somente uma comprovação experimental ­
experimentum crucis ­ legitimaria a verdadeira teoria. Esta experiência
foi realizada, em 1850, na França por Jean Bernard Leon Foucault (1819-
1868) e a teoria corpuscular de Newton não resistiu à comprovação
factual, nem tão pouco ao seu grande prestígio.



                ATIVIDADE

 1. Pesquise e descreva qual foi o experimentum crucis que estabeleceu a teoria ondulatória da luz, no
    século XIX.



   E aí, já resolveu o enigma do filme?
    Até aqui conversamos a respeito de diversas coisas relacionadas
à luz. Também as pesquisas e atividades sugeridas propiciaram um
maior conhecimento sobre esse ente físico, a luz. Você deve ter encon-
trado referência a diversos fenômenos físicos como interferência, difra-
ção e outros. Vamos estudá-los um pouco?


  Arefração,areflexãoeadispersãodaluz
   Você, provavelmente, já ouviu falar em refração. Sabia que o termo
vem do latim Refratou que significa quebrado. Mas o que seria a refra-
ção da luz? Vamos conversar um pouco sobre isso.
   A luz, ao passar pelo vidro de uma janela, sofre um desvio, mudan-
do a sua direção. O mesmo acontece quando a luz passa do ar para
o vidro ou, como se costuma dizer, troca de meio. Esse fenômeno em
que a luz muda de direção ao trocar de um meio é denominado refra-
ção da luz.




                                                                 Anaturezadaluzesuaspropriedades 189
       EnsinoMédio

                           Mas é importante lembrar: a luz não sofre desvio só quando pas-
                       sa de um meio para outro. Isso ocorre também quando a luz bate em
                       uma superfície e volta, ela é desviada, mas voltou a se propagar no
                       mesmo meio, isso é reflexão da luz.
                           Na obra de Euclides denominada Catóptrica, o fenômeno da reflexão
                       em espelhos planos, côncavos e convexos havia recebido um devido
                       estudo, mas foi o físico e matemático iraquiano Abu-Ali-Al-Hasan Ibn
                       Al Haythan (Al-Hazen) (965-1040) que formulou a Lei de Reflexão da
                       luz, após mil anos.
                           Os gregos também conheciam a refração da luz. Na obra de
                       Ptolomeu aparece alguns resultados experimentais relacionado a es-
                       te fenômeno, cujos meios considerados eram: ar e água, ar e vidro e
                       água e vidro. No entanto, René Descartes (1956-1650) foi o primeiro,
                       a partir de seus trabalhos teóricos, a publicar a Lei da Refração, em
                       1637. (ROCHA et.al., 2002, p. 216)

                                                   N                                                               N
                            A                                                              A

                                              i                                                                r


                                             B                                                             B
                                                       r                                                               i
                                                           C                                                               C
                                 Fig. 2 a: Refração da Luz ao mudar de um meio                  Fig. 2 b: Refração da Luz ao mudar de um
                                 1 para um meio 2. De acordo com a Lei de                       meio 1 para um meio 2. De acordo com a
                                 Snell-Descartes: n1sen i = n2sen r. A é o raio in-             Lei de Snell-Descartes: n1sen i = n2sen r. C
                                 cidente e C é o raio refratado, ambos em rela-                 é o raio incidente e A é o raio refratado, am-
                                 ção a normal (N).                                              bos em relação a normal (N).



                                                   N                                                               N
                            A                                    C                      A                                       C

                                               i       r                                                   r       i




                                                   B                                                           B
                                 Fig. 3: Reflexão da luz em uma superfície lisa. O ângulo de incidência ( i) é igual ao ângu-
                                 lo de reflexão ( r)



                          Uma outra propriedade apresentada pela luz é a dispersão, a
                       qual foi estudada por Isaac Newton. Em 1672, Isaac Newton apre-
                       sentou à Royal Society um comunicado sobre a dispersão da luz,
                       em que, ele diz:

190 Eletromagnetismo
                                                                                                             Física

      "De acordo com a minha promessa, faço saber, sem mais cerimônias (!) que no princípio do ano
 de 1666, quando me ocupava a polir vidros ópticos de formas não esféricas, obtive um prisma de vidro
 triangular, para fazer a experiência do célebre fenômeno das cores. Para isso pus-me no meu quarto às
 escuras e pratiquei um pequeno orifício na porta da janela. Comecei por olhar com prazer as cores vivas
 e intensas assim produzidas, (...)". (NEWTON, citado por GIBERT (s/d, p. 89).




                              Fig. 4: Dispersão da luz branca do sol através de um prisma.



                 ATIVIDADE

 1. Observe a Fig. 4 colocada anteriormente: Você consegue perceber que relação existe entre a refle-
    xão e refração da luz e o fenômeno da dispersão observado por Newton? E entre o texto dramatúr-
    gico da peça indicada e esses fenômenos?
 2. Pesquise as conseqüências que a experiência da dispersão da luz branca trouxe para a compreen-
    são da composição da luz visível.
 3. Falamos no início deste texto das concepções dos filósofos gregos a respeito da luz. Pela concep-
    ção de Aristóteles, a luz parece ser algo que necessita de um meio para se propagar. Diante disso,
    você percebe alguma relação entre as propriedades estudadas até aqui e a concepção aristotélica?
    E entre as primeiras concepções dos gregos?

   Vale lembrar que os fenômenos tratados anteriormente não são es-
pecíficos da luz. Por exemplo, quando uma onda do mar bate numa
pedra e volta, ela sofreu reflexão. Veja o que diz o GREF:

    "As ondas do mar, ao se chocarem com as pedras, sobem ou retornam. Da mesma forma, o som,
 ao encontrar prédios ou montanhas, retorna produzindo eco. Isto é interpretado como reflexão das
 ondas". (GREF, 1996, p. 209)

    Esse comportamento da luz que ao incidir, bater, em uma super-
fície retorna, isto é, reflete, também pode ser observado em outras
situações. Um bom exercício seria você observar o jogo de sinucas.
Da mesma forma que a luz, a bolinha, ao bater nas paredes da mesa
ou em outra bolinha também pode retornar, ou mudar a sua direção.



                                                                                   Anaturezadaluzesuaspropriedades 191
       EnsinoMédio

                              A bolinha de sinuca apresenta um comportamento típico de partícula.
                              Fazendo uma analogia com a bolinha, a luz, ao refletir comporta-se co-
                              mo partícula.
                                 No entanto, falamos em natureza dual da luz, isto é, a luz também
                              pode ser vista como uma onda. Então vale uma pergunta: que outros
                              fenômenos a luz apresenta que revelam sua natureza ondulatória?

                                 Ainterferênciaeadifração
                                 Os fenômenos, tipicamente ondulatórios, de interferência e difra-
                              ção, foram observados e pesquisados pelo físico inglês Robert Hooke
                              e o jesuíta italiano Francesco M. Grimaldi, respectivamente.
                                 Provavelmente você já assistiu a um show musical e deve ter percebido
                              que o som é sentido em diferentes intensidades. Por que isso acontece?

         A produção de uma onda está associada a uma perturbação ocorrida num certo instante. Por exem-
     plo, quando jogamos uma pedra na água, percebemos uma movimentação circular. Quando provoca-
     mos um movimento de vai e vem em uma corda, também estamos produzindo uma onda.
          Um processo ondulatório é caracterizado pela velocidade de propagação das ondas, a freqüência e o
     seu comprimento. A freqüência de uma onda depende apenas da fonte emissora, a amplitude e o com-
     primento da onda dependem também do meio onde esta se propaga. Vale dizer que a amplitude de uma
     onda depende do instante em que é observada a onda, uma vez que a sua propagação em meios mate-
     riais é acompanhada de amortecimento em conseqüência da transferência de energia para o meio, isto é,
     perda de energia. O resultado desse amortecimento é observado na diminuição da amplitude da onda.




                   f= 1                              O comprimento da onda é inversamente
                               v=     f          = V
                      T                            f proporcional à freqüência.

                           f = freqüência (Hz)        = comprimento da onda (m)
                           t = T = tempo (s)        V = velocidade da onda (m/s)
          Quando tivermos um conjunto de fontes, que produzem ondas de mesma freqüência e comprimen-
     to de onda, podemos associar a este conjunto uma coerência, desde que seus pulsos sejam produzi-
     dos simultaneamente, isto é, em fase. Se os pulsos de duas fontes distintas chegam a um ponto em um
     mesmo instante (em fase) ou com certo atraso (defasados), seus efeitos podem ser somados ou sub-
     traídos, produzindo o que se denomina interferência. Quando seus efeitos se somam, a interferência é
     considerada construtiva; quando, ao contrário, seus efeitos se subtraem, é considerada destrutiva.
          No som, as interferências construtivas são identificadas pelo aumento de sua intensidade em cer-
     tas regiões, e destrutivas onde sua intensidade é diminuída.
                                                                                      (Adaptado de: GREF, 1996.)


192 Eletromagnetismo
                                                                                                              Física

   Assim, podemos dizer que a interferência é o resultado da so-
ma dos efeitos de cada onda em separado, como ocorre com as co-
res da película de sabão e de manchas de óleo sobre uma superfí-
cie molhada.
   E com a luz isso também acontece? O que tem em comum uma onda
luminosa com uma onda sonora ou uma onda do mar?
    Na verdade, como você já deve ter percebido através do que leu e
pesquisou até aqui, a velocidade da luz é muito grande quando com-
parada à velocidade de uma onda sonora (cerca de 340m/s no ar).
Além disso, enquanto o som precisa do ar para se propagar e a onda
do mar precisa da água, a luz propaga-se no vácuo, ou seja, não ne-
cessita de um meio material para se propagar.
    Portanto, a luz, como onda, também apresenta o fenômeno da in-
terferência. Mas, para compreender as ondas luminosas, pela sua natu-
reza eletromagnética, é preciso estudá-las a partir das interações com a
matéria. Por isso, é preciso estudar os fenômenos que envolvem as su-
as propriedades a partir do comportamento das frentes de onda.
    Se na teoria corpuscular, a luz é pensada como um conjunto de par-
tículas, cujas trajetórias são representadas por raios (como na fig. 5a e
fig. 5b), na teoria ondulatória costuma-se usar a idéia de frentes de on-
da, onde o raio representa uma linha imaginária na direção de propa-
gação da onda.


                                                                                       A refração e a reflexão da luz
                                                                                      também podem ser tratadas
                                                                                      utilizando-se do conceito de
                                                                                      frente de ondas. Porém, nes-
                                                                                      te texto não faremos essa dis-
                                                                                      cussão.


                   Fig. 5a e 5b: Representação de frente de onda e raios


    A interferência da luz ocorre quando uma frente de onda atraves-
sa uma fenda (uma abertura) e é manifestada pela formação de regiões
claras e escuras.


    O surgimento dessas regiões é explicado pela não existência de on-
 das reemitidas em quantidade suficiente para recompor toda a frente inci-
 dente. As novas ondas reemitidas se propagam, atingindo certos pontos
 do espaço em fase (regiões claras) e outros pontos, defasadas (regiões
 escuras) (GREF, 1996, p. 219).




                                                                           Anaturezadaluzesuaspropriedades 193
         EnsinoMédio

                                         Foi o cientista inglês Thomas Young (1773-1829) que, em 1800, reali-
                                     zou uma das primeiras demonstrações ao propor um experimento para
                                     produzir os efeitos de interferência da luz em um dispositivo de fenda
                                     dupla chamado de interferômetro de Young, conforme Figura 6, o qual
                                     permitiu que ele descrevesse um método para determinar a localização
                                     dos máximos numa figura de interferência, isto é, as regiões claras (in-
                                     terferência construtiva).
                                                     fenda                        fenda                         anteparo
                                                    simples                       dupla




                                                                                                                     franjas de
                                                                                                                     interferência
                                         ponteira
                                          laser


    Thomas Young (1773-1829).
    Fonte: http://en.wikipedia.org
                                                                      Fig. 6: Interferômetro de Young

                                        Além da interferência, quando a luz atravessa uma fenda, também
                                     pode ocorrer a difração, a qual consiste num desvio em relação à dire-
                                     ção de propagação retilínea da luz, quando esta encontra um obstácu-
                                     lo de dimensões equivalentes ao comprimento de onda da mesma.
                                        A difração é um comportamento que as ondas apresentam e po-
                                     de ser percebida, por exemplo, quando uma agulha ou as bordas de
                                     uma fenda são iluminadas por um feixe de luz, num ambiente escuro,
                                     e quando as ondas do mar contornam um barco ou ouvimos o som de
                                     um lugar estando em outro.




                                                          Fig. 7: Difração de uma onda. Adaptado de: www.if.usp.br

194 Eletromagnetismo
                                                                                                    Física

    Imagine ou experimente a seguinte situação: você está no seu quar-
to totalmente escuro e a sala ao lado está iluminada. Se a porta de seu
quarto está fechada, como você percebe a luz da sala vizinha? Repa-
rou no buraco da fechadura? Então, esse é um exemplo de manifesta-
ção do fenômeno da difração.
    É importante observar que os efeitos de interferência e difração
ocorrem em todos os tipos de ondas, sejam elas o som, as ondas nas
águas do mar ou eletromagnéticas, sejam elas longitudinais (produzem
movimento de vai e vem na direção de sua propagação) ou transver-
sais (produzem movimento de vai e vem perpendicular à direção de
sua propagação como é o caso da luz).


                ATIVIDADE

     Que tal produzir uma figura de difração? Utilizando-se de uma ponteira laser. Pegue um fio de cabe-
 lo e sobre ele incida a luz laser projetando sobre a parede de sua sala. E então, o que observou? Dis-
 cuta com seus colegas e professor.


  Oefeitofotoelétrico
    A teoria ondulatória ganhou uma nova versão dada por James Clerck
Maxwell, na qual afirmava ser a luz uma vibração eletromagnética que se
propaga também no vazio com velocidade c (aproximadamente 3.108 m/s).
Esta teoria, de uma sólida argumentação matemática, conseguiu dar con-
ta dos fenômenos conhecidos sobre a luz até o momento, produziu um
resultado que poderia ser experimentalmente verificado; para isto, bas-
taria que se criassem as ondas eletromagnéticas de Maxwell e as compa-
rassem com as propriedades da luz. Esta hipótese foi verificada em 1887
por Heinrich Hertz (1857-1894) e a luz, além de onda, passou a ter, uma
natureza eletromagnética.
    Quando buscava as ondas eletromagnéticas, ao estudar a produção
de descargas elétricas entre duas superfícies de metal em potenciais dife-
rentes (como ilustra a Fig. 8), Hertz observou que uma faísca provenien-
te de uma das superfícies provocava uma faísca na outra. Ele também
percebeu que o faiscamento era mais intenso quando ele fazia incidir
luz ultravioleta no anel. Após confirmar suas observações através de di-
versas experiências, ele concluiu que o fenômeno deveria ser devido
apenas à luz ultravioleta.
    Um ano antes da descoberta do elétron por Thomson (1856-1940)
em 1887, o pesquisador, Wilhelm Hallwachs (1859-1922), demonstrou
que os corpos metálicos nos quais se incidia luz ultravioleta adquiriam
carga positiva.
    Já no início do século XX, o físico alemão Philipp Eduard Anton
von Lenard retornou os experimentos de Hertz, utilizando-se de um
tubo de Crookes, no qual irradiava o catodo e observava a produção
das faíscas ou raios.
                                                                   Anaturezadaluzesuaspropriedades 195
       EnsinoMédio


          Lenard constatou que a iluminação da placa metálica (o catodo) ajudava na liberação dos "raios" e,
     posteriormente, usando um aparato semelhante ao utilizado por Thomson, para medir a relação carga/
     massa do elétron, verificou que os "raios" produzidos eram, na verdade, elétrons, ou melhor, fotoelé-
     trons, razão pela qual ele batizou o fenômeno de efeito fotoelétrico. Na seqüência, fez medidas bastan-
     te precisas descobrindo duas importantes propriedades, a primeira, dizia respeito à medida da corrente
     elétrica gerada em função da tensão elétrica aplicada nos eletrodos (anodo e catodo), quando ele notou
     que existia um potencial de corte, a partir do qual não era mais possível observar o efeito; a segunda,
     tratava da dependência do efeito em relação à freqüência da luz incidente. Ele observou que o efeito po-
     dia ou não ocorrer, e isso estava associado à existência de um valor especial da freqüência, abaixo da
     qual não ocorria o efeito, chamada de freqüência de corte. (Adaptado de: CHESMAN; ANDRÉ; MACEDO, 2004, p. 99)


                                                                                                              raio de luz violeta


                                    placa coletora                                                                        placa emissora




                                                                           elétrons




                                                                                        amperímetro
                                                            bateria
                                Fig. 8: Aparato experimental utilizado para observação do efeito fotoelétrico. Uma luz monocromática de freqüência f
                                (radiação ultravioleta por exemplo) e intensidade luminosa Io incide sobre o catodo e faz com que ocorra a liberação de
                                elétrons, os quais são atraídos pelo anodo. A experiência mostrava que o potencial de corte independia da intensidade
                                luminosa, o que contrariava a teoria clássica, a qual previa que um aumento na intensidade luminosa provocaria um au-
                                mento na energia cinética dos fotoelétrons, além do potencial de corte (Vo).

                                    Então, o que é o efeito fotoelétrico?

          O efeito fotoelétrico (Figura 9) é a ejeção de elétrons de uma superfície metálica pela ação de uma
     luz incidente. Podemos entender o problema considerando o elétron preso na superfície de um metal
     como estando dentro de um poço de potencial (nós vivemos dentro de um poço de potencial; o poço
     de potencial gravitacional gerado pela massa da Terra!). Essa denominação vem do fato de que o me-
     tal atrai o elétron para si. Na superfície do metal, a atração não é tão forte, e a luz que incide sobre ele
     fornece energia suficiente para o elétron "escapar" do poço. Em geral, a energia é suficiente não só pa-
     ra arrancar o elétron, mas também para fornecer a ele uma certa energia cinética. De fato, se souber-
     mos a energia da luz incidente, e medirmos a velocidade do elétron ejetado, podemos calcular a "pro-
     fundidade" do poço. (OLIVEIRA, 2005, p. 75)



196 Eletromagnetismo
                                                                                                                         Física

   Resumindo, podemos dizer que duas dúvidas a respeito deste fenô-
meno inquietava os físicos:
1. De acordo com a teoria eletromagnética clássica, a energia cinéti-
   ca dos elétrons ejetados dependia da intensidade da luz, o que não
   era observado. Além disso, a ejeção de elétrons ocorria imediata-
   mente, independente da intensidade da luz;
2. O efeito deveria ocorrer para qualquer freqüência, pois dependeria
   da intensidade do campo elétrico.

   Conseqüênciasimportantesdadescoberta
    O pressuposto básico da teoria clássica é que sendo a luz uma on-
da eletromagnética, a sua energia deveria distribuir-se continuamente
pelo espaço. Mas não era isso o observado. A teoria ondulatória, no
seu auge, torna-se impotente diante daquele fenômeno.
    Então, o físico Einstein, em 1905, propõe uma explicação para o
efeito fotoelétrico através da teoria dos quanta ­ teoria que concebia
a luz como corpúsculo e que contrariava a idéia de energia contínua
no espaço. Segundo Einstein, "a energia da onda luminosa é quantiza-
da em pequenos pacotes, denominados fótons. A energia de um fóton
é proporcional à freqüência da onda". (Tipler,1984, p. 853)
    Quais seriam as conseqüências das proposições de Einstein?
1. Sendo a luz uma partícula, o fóton, um aumento na intensidade lumi-
    nosa, provoca um aumento na corrente e não no potencial de corte;
2. Para que um elétron seja ejetado é preciso que um fóton colida com
    o elétron e transfira toda a sua energia a ele. A transferência aconte-
    ce no momento da colisão fóton-elétron (um único fóton e o elétron),
    portanto, instantaneamente. É preciso que o fóton tenha toda a ener-
    gia necessária. Aumentar a intensidade não
    adiantaria, pois só aumentaria o número de
    fótons e não o número de elétrons ejetados.
                                                                          fótons
    Ao tentar resolver os problemas suscitados                         incidentes
pelos estudos do efeito fotoelétrico, Eisntein
propôs o conceito de quantização da luz, ins-
pirado na hipótese da quantização da energia                                                                    elétrons
                                                                                                                emitidos
de Max Planck, a qual foi formulada na déca-
da de 1920.
    A previsão de Einstein, ao propor que a luz
                                                         Fig. 9: O efeito fotoelétrico
eletromagnética se propagava como que em                  Essa é a equação de Einsten para o efeito fotoelétrico:
"pacotes", os "quanta de luz" contrariava as              hf = Kmáx + W
previsões da física clássica. Não bastasse o as-          Onde:
                                                          hf: é a energia do fóton (E=hf);
sombro, a hipótese foi confirmada pelo físico             Kmáx: é a energia cinética máxima do elétron ejetado, e; W: Repre-
americano R. A. Millikan, em experiências rea-            senta o trabalho necessário para arrancar um elétron da superfície
                                                          do catodo. É chamada função trabalho.
lizadas em 1914.


                                                                                 Anaturezadaluzesuaspropriedades 197
       EnsinoMédio

                                   Outra confirmação importante para a teoria dos "quanta de luz"
                               ocorreu em 1923, quando o físico americano Arthur Compton (1892-1962)
                               realizou uma série de experiências buscando analisar o espalhamento
                               de raios X por um cristal. Em sua homenagem, o fenômeno foi chamado
                               efeito Compton. Compton observou que, ao incidir um feixe de raio X
                               sobre um cristal, ocorria o espalhamento desses raios que apresentava
                               dois picos: um com o mesmo comprimento de onda do feixe de raio
                               X incidente; um segundo, com comprimento de onda superior ao do
                               feixe incidente, cujo valor é dado por    = 2 ­ 1, que é chamado de
                               espalhamento Compton.

         Para explicar os resultados experimentais, Compton admitiu que os raios X se comportavam como
     um pacote de fótons de energia E1 = hf1, de modo que podia tratar o processo de espalhamento como
     uma colisão (tipo bola de bilhar) entre os fótons e os elétrons do cristal. Com esta hipótese, explica-se a
     existência do primeiro pico, como a interação dos raios X com os elétrons mais internos do cristal, que
     não devem mudar o comprimento de onda incidente. Quanto ao segundo pico, Compton propôs que
     o fenômeno era provocado pelas colisões entre os fótons e os elétrons livres do cristal. Para melhor in-
     terpretar os resultados obtidos, devemos usar as previsões da teoria da relatividade, uma vez que na
     região de raios X, os fótons associados aos mesmos possuem altas energias (dezenas de KeV ­ quilo
     elétron volt). Em resumo, do ponto de vista científico, o entendimento do efeito Compton serviu para for-
     talecer o caráter corpuscular da radiação eletromagnética. Em 1927, Compton recebeu o Prêmio Nobel
     de Física pela importância de suas descobertas relativas ao efeito Compton.
                                                                              (Adaptado de: CHESMAN; ANDRÉ; MACEDO, 2004, p. 99)

                                   A Figura 10 ilustra a colisão entre um fóton e um elétron.




                                       Fig. 10: Efeito Compton. Colisão entre um fóton e um elétron e. é o ângulo de espalhamento do
                                       fóton espalhado. é o ângulo de espalhamento do elétron de recuo.



                     ATIVIDADE

     1. Relacione cada fenômeno luminoso estudado até aqui com a natureza da luz. Justifique sua resposta.
     2. Faça uma sinopse da concepção da natureza da luz, a partir dos gregos até a concepção quântica.



198 Eletromagnetismo
                                                                                                 Física

  Seriaadualidadeonda-partículauma
  característicaapenasdaluz?
    Na verdade, o caráter dual se tornou mais conhecido a partir de
1920, quando experiências com elétrons mostraram que eles também
têm dupla natureza, ou seja, exibem propriedades ondulatórias e cor-
pusculares, pois apresentam o fenômeno da difração. A teoria que ex-
plica este comportamento dual de entidades fundamentais como a luz
é a teoria da mecânica quântica desenvolvida por E. Schrödinger, W.
Heisenberg, P. A. M. Dirac e outros.
    Mas foi Louis de Broglie, em 1924, quem deu o pontapé inicial para
o estudo da nova Mecânica Quântica, ao propor a existência de ondas
de matéria, a quais embora não tivessem boa receptividade na época,
foram reconhecidas e validadas por Albert Einstein. Para de Broglie, o
comportamento dual da radiação, isto é, a dualidade onda-partícula,
também se aplicava à matéria. Dizendo de outra forma, ele estendeu
para a matéria, a idéia de Einstein sobre o caráter dual da luz. Assim
como um fóton é o corpúsculo ao qual está associada uma onda lumi-
nosa que administra seu movimento, a uma partícula de matéria, por
                                                                            Louis de Broglie (1892-
exemplo o elétron, também está associada uma onda de matéria.               1987) Estendeu a teoria
                                                                            onda-partícula para a ma-
   Como pode um elétron se comportar ora como partícula, ora como onda?     téria com a descoberta da
                                                                            natureza ondulatória dos
    Pois bem, em seus processos de interação, o elétron pode manifes-       elétrons. Por esse traba-
tar em alguns momentos comportamentos ligados a uma natureza cor-           lho ganhou prêmio Nobel
                                                                            de Física em 1929. Fonte:
puscular, como o espalhamento. Em outro momento, o elétron pode             http://pt.wikipedia.org
sofrer difração, um fenômeno associado a ondas, o que sugere o mo-
delo ondulatório. Embora valha lembrar, ou você tem uma medida ou
outra, ou seja, como matéria ou como onda.
    Já conversamos um pouco sobre a difração, mas o que seria o fe-
nômeno de espalhamento? Trata-se de uma manifestação típica de par-
tículas. Certamente você tem uma parede branca em sua casa. Encha
a sua mão com feijões cozidos atire-os contra a parede branca. Você
percebe marcas na parede, além de sua mãe "fora do sério". Caso vo-
cê realizasse a experiência (caso passe pela sua cabeça realizá-la, pen-
se antes nas marcas na parede e na sua mãe), as marcas na parede in-
dicariam que você fez um espalhamento de feijões.



               DEBATE

    Se a natureza dual parece ser um comportamento generalizado da matéria, por que nós não
 conseguimos perceber certos fenômenos como interferência, difração e espalhamento? Pense,
 pesquise e discuta com os seus colegas e professor.



                                                             Anaturezadaluzesuaspropriedades 199
        EnsinoMédio

                                          Anaturezadaluz,adualidadeonda-partícula,ofim
                                           dascertezaseosnovoscaminhosparaaFísica
                                            O que estava errado? O problema era que os físicos e a sociedade
                                        de uma maneira geral dogmatizavam o conhecimento científico, ou se-
                                        ja, encaravam-no como absolutamente verdadeiro.
                                            A teoria sistematizada por Newton (1642-1727) nos Principia buscava
                                        explicações para os fenômenos físicos através de forças. Qualquer fenôme-
                                        no podia ser estudado através de suas partes. Logo a luz podia ser estuda-
                                        da através dos seus minúsculos corpúsculos, partículas sujeitas a forças.
                                            Antes os fenômenos observados na natureza eram regulados pela
                                        vontade divina. O homem do século XVII inverte essa visão e a natu-
                                        reza passa a ser dirigida por leis universais, como se fosse um meca-
                                        nismo de relógio.


         A física clássica estabeleceu um paradigma, isto é, um modelo a ser seguido por todas as outras
     áreas do conhecimento. Seu sucesso foi tão arrebatador que todas as outras ciências tentaram se fun-
     damentar sob bases semelhantes. Isso levou alguns físicos do final do século dezenove a afirmarem
     que a física tinha chegado ao seu fim! Tudo o que havia para ser feito seria aplicar a mecânica e o ele-
     tromagnetismo para resolver problemas específicos, mas que nada de mais fundamental havia para ser
     descoberto. O que aconteceria então no início do século XX iria provar para estes imprudentes senho-
     res que a Natureza só havia até então revelado a "ponta do iceberg"! (OLIVEIRA, 2005, p. 43)


                                           A explicação para o efeito fotoelétrico sugere uma nova discussão
                                        que os físicos pensavam estar encerrada: a luz, que após os trabalhos
                                        de Maxwell e Hertz foi admitida como onda, agora se comportava co-
                                        mo uma partícula.

                                             As investigações de Planck, Einstein, Millikan e Compton ressuscitaram
                                         as discussões sobre a natureza da luz, que se julgava extintas pelo final do
                                         século XIX.
                                              Agora, porém, estava-se diante de uma dificuldade que a física nunca
                                         topara antes. É que não se podia simplesmente abandonar a concepção
                                         ondulatória da luz para retomar a concepção corpuscular. Se fizesse isso, se
                                         solucionariam os novos problemas (explicar o espectro do corpo negro e os
                                         efeitos fotoelétrico e Compton), mas à custa da exumação de vários outros
                                         que pareciam definitivamente resolvidos pela teoria ondulatória eletromagné-
                                         tica de Maxwell (difração e interferência da luz, correlações entre os parâme-
    Max Planck (1858-1947) Rece-
    beu o prêmio Nobel de Física em      tros ópticos e eletromagnéticos). Os físicos, viam-se por assim dizer, entre a
    1918 devido aos seus estudos,        cruz e a espada: conserta-se de um lado para estragar do outro, e vice-ver-
    os quais foram a base inicial da
    Mecânica Quântica. Fonte: http://
                                         sa. Ambas as concepções de luz, ondulatória e corpuscular, são requeridas
    pt.wikipedia.org                     para a explicação da totalidade dos fenômenos. O nó da questão é que tais
                                         concepções são claramente inconciliáveis. (Adaptado de: CHIBENI, s/d)


200 Eletromagnetismo
                                                                                                     Física

    A quantização da energia de oscilação dos elétrons, sugerida por
Planck, foi aceita pelos físicos porque era a hipótese que possibilita-
va entender o fenômeno da radiação do corpo negro. Mas a energia
não. Essa seria regida pelo eletromagnetismo clássico, ou seja, deve-
ria ser contínua.
    No final do século XIX, Henri Poincaré (1854-1912) propôs a teoria
do caos e, junto com ela, o fim das certezas. Para Poincaré, as condi-
ções inicias da observação de um fenômeno não poderiam ser conhe-
cidas com precisão absoluta. Aos poucos, o observador perderia o do-
mínio dessas condições, tornando os sistemas imprevisíveis, visto que,
ao observar, havia interferência. Suas idéias ficaram esquecidas até o
ano de 1905, ano em que Einstein propôs a teoria da relatividade.
    Pela física newtoniana, as leis do universo podiam ser deduzidas a
partir de postulados, leis e axiomas, e foi aceita como absolutamente
verdadeira. O pressuposto básico era de que se conhecêssemos a po-           Jules Henri Poincaré
sição inicial e o momentum da partícula, todo o seu futuro poderia ser       (1854-1912)
                                                                             Fonte: http://pt.wikipedia.org
determinado. Mas, agora, era preciso conviver com a incerteza, instituída
por Heisenberg no seu Princípio da incerteza, o qual colocou, justamente,
essa impossibilidade. Que golpe para o universo mecânico!


  SeráqueDeusjogadados?
    Em 1911, o belga Ernest Solvay reuniu para uma conferência im-
portantes físicos. Na conferência de Bruxelas ficou registrado um em-
bate entre dois físicos: Niels Bohr e Albert Einstein. Havia a interpre-
tação da mecânica quântica, defendida por Bohr e Heisenberg, em
termos de incertezas: a probabilidade é tudo o que temos e que é pos-
sível saber de um evento. Assim, não é possível determinar com preci-
são a posição de uma partícula, pois isso é aleatório.
    No entanto, para outros, entre os quais estava Einstein, os eventos
não são puramente aleatórios, deve existir alguma razão oculta ainda
não descoberta que responda porque as partículas surgem em deter-
minado local.
    A posição de Bohr e Heisenberg predominou e essa interpretação
ficou conhecida como interpretação de Copenhague, por ser esta a ci-
dade natal de Bohr.
    Einstein não acreditava que Deus jogava dados, no entanto, a natu-
reza como um sistema dinâmico complexo - ao contrário do que pre-
gava a simplicidade newtoniana em que tudo podia ser descrito atra-
vés de forças - apresenta um significado novo, não mais de certezas,
mas de probabilidades.
     Isso gera uma crise no paradigma newtoniano, e muitas tentativas
são feitas no sentido de se fazer adaptações e manter a teoria.



                                                              Anaturezadaluzesuaspropriedades 201
       EnsinoMédio

                                 Mas a relutância de alguns físicos em reconsiderar seus paradigmas
                             não impediu que novos caminhos fossem encontrados, e o cientista do
                             século XX precisou reavaliar a sua idéia de certeza para aprender a li-
                             dar com uma nova concepção de universo e de matéria, que apresen-
                             ta-se quase que incompatível com a física clássica.

         Em vez de eternidade, a história; em vez do determinismo, a imprevisibilidade; em vez do meca-
     nicismo, a interpenetração, a espontaneidade e a auto-organização; em vez de reversibilidade, a irre-
     versibilidade e a evolução; em vez da ordem, a desordem, em vez da necessidade, a criatividade e
     o acidente. (Santos. In: FRÓIS, 1997, p. 28)

                                 Resumindo, o cientista do século XX teve que reavaliar o concei-
                             to de ciência e a validade dos modelos científicos, enfim, os seus cri-
                             térios de certeza. A relação entre o homem e a natureza aponta para
                             uma concepção onde a ciência não pode mais ser vista como um ins-
                             trumento de domínio sobre o objeto de estudo.
                                 Ao contrário, sendo a natureza um sistema complexo do qual o ho-
                             mem faz parte, o cientista do início do século XX precisou voltar-se pa-
                             ra sua filosofia, como era antes do século XIII (quando criou-se o pa-
                             radigma medieval e as leis da natureza passam a ser governadas por
                             Deus), buscando um entendimento dos fenômenos que levam a sua
                             totalidade, isto é, a sua compreensão de forma mais abrangente possí-
                             vel, em oposição ao procedimento analítico em que os componentes
                             de um fenômeno são tomados isoladamente.


                     ATIVIDADE

         Sabemos que o céu é azul não é? Qual é o fenômeno responsável por essa cor azul? Que relação
     existe entre a freqüência da onda visível incidente e esse fenômeno?



                     DEBATE

        Agora é com você: Retome o texto dramatúrgico e faça uma comparação entre a fala de seus
     personagens e suas concepções de natureza. Procure relacionar qual paradigma está presente
     nas falas dos personagens. Discuta com seus colegas e professor. Elabore um texto sintetizando
     os principais pontos discutidos.

                                 E então, você já sabe resolver o enigma?
                                 Provavelmente você já sabe um pouco mais sobre a luz. Não se
                             preocupe se você não conseguiu, num primeiro momento, entender
                             esse negócio de dualidade onda-partícula da luz. Inicialmente, os cien-
                             tistas também não entenderam.

202 Eletromagnetismo
                                                                                             Física

 Referências
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 ROUBINE, Jean Jacques, 1880-1980. A Linguagem da Encenação
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       EnsinoMédio


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                        Ano de lançamento: EUA, Inglaterra - 2004.
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                        DocumentosConsultadosOnlInE
                        MOREIRA, José E. & MONTENEGRO, Betânia. Newton, Huygens e a
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                        3 Acesso em: 28 fev. 2006.




204 Eletromagnetismo
                                      Física



ANOTAÇÕES




            Anaturezadaluzesuaspropriedades 205
       EnsinoMédio




   Certo dia passeando por minha
   cidade ouvi a seguinte notícia:




206 Eletromagnetismo
                                                                                          Física




                                                                              13


                                                   DUALIDADE
                                               ONDA pARTícULA
                                                       DA LUZ
                                                         Teresinha Aparecida Soares Albuquerque1


                                                 as como? A luz pode ter dois com-
                                                 portamentos ao mesmo tempo?
                                                 Seria isso, realmente verdadeiro?
                                               Vamos investigar essa particularidade
                                               da luz?




Colégio Estadual Unidade Polo - Maringá - PR
1



                                                              Dualidadeondapartículadaluz 207
       EnsinoMédio

                         Oqueéaluzafinal?
                           O estudo dos fenômenos físicos a respeito da luz e as investigações
                       sobre a sua natureza surgiram desde as antigas civilizações. Ela foi re-
                       lacionada com o fogo e, às vezes, associada a uma deusa. Os pensado-
                       res gregos foram os que deram contribuições mais significativas com o
                       objetivo de explicar sua natureza.
                           Segundo o filósofo grego Aristóteles (384-322 a.C.) a luz era uma
                       perturbação num meio material. Ele descreveu um modelo que pode
                       ser considerado como o embrião da teoria ondulatória da luz, pois es-
                       sa perturbação, não deixa de ser uma onda. Sua teoria foi aceita du-
                       rante muito tempo.
                           O cientista e matemático inglês Isaac Newton (1642-1727), ancora-
                       do na teoria mecânica, formulou uma teoria corpuscular, isto é, a luz
                       era composta de partículas. De acordo com Newton, uma fonte lumi-
                       nosa emitia partículas, extremamente pequenas e velozes. Em decor-
                       rência disso, sua velocidade deveria ser maior na água do que no ar.
                       Saberemos o porquê adiante.
                           Um outro pesquisador dessa área, o holandês Cristhian Huygens
                       (1629-1695), afirmou que a luz não era um conjunto de partículas, mas
                       oscilações que se propagavam por meio de ondas.
                           A teoria proposta por Huygens, exposta no livro Tratado da luz
                       (1690), indica a existência de uma suposta substância, um meio trans-
                       parente que permeia todo o universo, retomando a idéia da "quinta es-
                       sência": o éter. Como onda é a perturbação de um meio material, a os-
                       cilação do éter é o que vemos como luz.
                           Apesar de aceitar que as partículas de luz pudessem vibrar, Newton
                       não aceitava a teoria ondulatória. Dessa forma, Newton e Huygens...

                                         Chegaram ao lugar luminoso
                                         onde a verdade esplendia seus fogos.
                                         Era dividida em metades
                                         diferentes uma da outra.
                                                      (ANDRADE, Carlos Drummond de)


                          E aí quem teria razão Newton ou Huygens?
                          Como Newton explicou o comportamento da luz, a partir da sua
                       teoria corpuscular?
                            A refração é a passagem da luz de um meio para outro com caracte-
                       rísticas diferentes, o que resulta em um desvio das partículas de luz. Is-
                       so ocorre devido à interação das forças entre essas partículas e as par-
                       tículas do meio no qual elas se propagam, a água, por exemplo. Como
                       qualquer força que atue sobre uma partícula em movimento pode alte-
                       rar sua velocidade, essas partículas de luz teriam velocidades diferen-

208 Eletromagnetismo
                                                                                                   Física

tes quando mudassem de meio, devido às diferenças de densidades
dos meios envolvidos. Em conseqüência dessa força atrativa, a luz via-
jaria na água a uma velocidade maior que no ar. Dessa forma, quan-
do uma partícula de luz vinda do ar mergulha na água, muda de di-
reção, fazendo-a aproximar-se da perpendicular à superfície no ponto
de incidência.
   E, como Huygens explicou o comportamento da luz, a partir da sua
teoria ondulatória?
    A refração também pode ser explicada com a ajuda da teoria on-
dulatória, sendo que o raio de luz deveria ser retardado ao entrar em
um meio mais denso.
    As ondas caracterizam-se por sua freqüência e seu comprimento. A
suposição essencial é que comprimentos de ondas diferentes correspon-
dem a cores diferentes. Ao invés de termos corpúsculos pertencentes a
várias cores, temos a diferença natural em comprimento de onda.
    É fundamental, nesse processo, que a velocidade da onda de luz na
água seja inferior a do ar, exatamente o contrário proposto por Newton.




                ATIVIDADE

    Note que até a poesia pode ser influenciada pela ciência e vice-versa. Busque o poema "Verdade"
 de Carlos Drummond de Andrade e, faça uma analogia entre o poema e as teorias de Newton e
 Huygens sobre a natureza da luz.
    Será que o poema de Drummond se encaixa nas duas verdades mostradas?
     Produza um texto no qual você discorrerá sobre as duas verdades referentes a luz. Utilize como re-
 ferência o poema "Verdade" de Drummond e, as teorias sobre a natureza da luz.



   Por aproximadamente 100 anos prevaleceu a proposta de Newton.
   Mas será que Newton estava realmente certo? Huygens também não
poderia estar certo? Vamos continuar reunindo pistas para solucionar
esse mistério?
    Augustin Fresnel (1788-1827), engenheiro francês,
criou alguns artefatos engenhosos em ótica, um dos quais
ficou conhecido como a "lente de Fresnel", e é utilizada
para direcionar a luz em faróis de sinalização marítima.
Acreditava que a luz pudesse ser reproduzida por fluidos
capazes de transmitir vibrações, uma idéia decorrente de
uma teoria ondulatória da luz. Com isso, passou a contes-
tar abertamente a teoria corpuscular de Newton.


                                                                        Dualidadeondapartículadaluz 209
       EnsinoMédio

                         Maisalgunscapítulosnoembate
                          Em 1801, o físico e médico inglês Thomas Young (1773-1829) ob-
                       teve com a luz, um fenômeno característico das ondas, a interferência.
                       Este fenômeno ocorre quando duas ou mais ondas se encontram e se
                       superpõem, dando origem uma "nova" onda, que combina característi-
                       cas de suas geradoras. Por exemplo, quando no encontro de duas on-
                       das, a crista de uma sobrepõe o vale da outra temos uma interferência
                       destrutiva. Se as amplitudes das geradoras forem iguais, a onda resul-
                       tante da interferência terá amplitude nula, como mostra a Figura (1).

                                                                                           Onda Resultante
                                               Onda 1




                                               Onda 2
                                Fig. 1: Duas ondas de amplitudes iguais se sobrepõe resultando em interferência destrutiva.

                           Se no encontro de duas ondas, as cristas se sobrepõem, a onda resul-
                       tante terá uma amplitude igual à soma das amplitudes das geradoras. Nes-
                       te caso temos uma interferência construtiva, como ilustra a Figura (2).


                                                                                                Onda Resultante
                                                      Onda 1
                                                      Onda 2




                              Fig. 2: Duas ondas de amplitudes iguais se sobrepõe resultando em interferência construtiva.

                           Young, incidindo feixes de luz em duas fendas, observou com niti-
                       dez, faixas claras e escuras no anteparo. Ou seja, interferências cons-
                       trutivas e destrutivas que ocorrem quando as ondas se superpõem.
                           As experiências para medir a velocidade da luz na água foram deci-
                       sivas. Isso não foi nada fácil, mas depois de muitas tentativas, foram os
                       franceses Armand Fizeau (1819-1896) e Jean Foucault (1819-1868) que,


210 Eletromagnetismo
                                                                                                                   Física

com experiências independentes, em meados do século
XIX, mediram a velocidade da luz na água, demonstran-
do que a luz é uma onda que se propaga na água com
velocidade menor do que no ar.
    O físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) ob-
servou a partir de equações que o resultado da junção, de
um campo elétrico variável, com um campo magnético
também variável, se manifesta em ondas que podem se
propagar, até mesmo pelo vácuo. Essa junção apresenta-
va propriedades de uma onda mecânica, como: reflexão,
                                                             Fig. 3: Figura de difração obtida com uma ponteira laser. As
refração, interferência e transporte de energia. Veja o ca-  regiões claras manifestam interferência construtiva, enquanto
pítulo 13 (Campos eletromagnéticos) onde esses campos        as escuras são resultado de interferência destrutiva.
são tratados de forma mais intensa.
    Maxwell teve a habilidade necessária para reunir os trabalhos da
época e integrá-los num conjunto de quatro equações que ficaram co-
nhecidas como equações de Maxwell. Essas equações mostraram que
os campos eletromagnéticos formavam ondas eletromagnéticas.


      Ondas eletromagnéticas?
      É, cargas elétricas geram campos elétricos e, essas mesmas cargas es-
  tando em movimento geram campos magnéticos. Mas isso tudo era con-
  siderado estacionário, com cargas paradas ou em movimento uniforme. A
  grande sacada de Maxwell foi prever que campos elétricos e magnéticos
  poderiam se "libertar" de suas fontes, e propagarem-se pelo espaço sob a
  forma de ondas eletromagnéticas. Outro aspecto importante observado por
  Maxwell, é de que as ondas eletromagnéticas percorrem o espaço com uma
  velocidade igual à velocidade da luz no vácuo, próxima a 3.108 m/s. Essa ve-
  locidade, representada por c, associada a µ0 (permeabilidade magnética do
  vácuo) e 0 (permissividade elétrica) através da seguinte equação:
                                                  1
                                        C=
                                                  0   0


                                            1
                               C=
                                     4 x 10 x 8,85 x 10­12
                                             ­7



                                    C = 2,999 x 108 m/s

                                                          (Adaptado de: OLIVEIRA, 2005, p.38)


    Os trabalhos de Maxwell foram fundamentais para dar consistência
à teoria ondulatória eletromagnética da luz. Mais tarde, os trabalhos do
físico alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), em 1887 contribuí-
ram para validar a teoria ondulatória da luz.




                                                                                         Dualidadeondapartículadaluz 211
        EnsinoMédio



                           PESQUISA

        Organizem-se em grupos e façam uma pesquisa histórica, resgatando as experiências realizadas
     para encontrar a velocidade da luz. Discuta com seus colegas sobre as que vocês consideraram
     mais interessante.

                                         Espere um pouco! Estamos falando em natureza dual, onda e partí-
                                      cula. Nossa investigação não terminou. O mistério ainda não foi solu-
                                      cionado. Temos que continuar reunindo pistas.

     Na página 162, a Figura 8          Maisforçaànaturezacorpusculardaluz
     ilustra o aparato experimental       Hertz descobriu o efeito fotoelétrico, observando que, em certas
     utilizado para observação do     condições, a luz pode arrancar elétrons da superfície de um metal (pa-
     efeito fotoelétrico.(Adaptado    ra ajudá-lo a compreender melhor esse assunto você poderá ver o ca-
     de: CHIBENI, s/d)                pítulo 10: A natureza da luz e suas propriedades).
                                         Arrancar elétrons da superfície de um metal?
                                         Mas, como a luz pode fazer isso?
                                          A luz de um determinado comprimento de onda, violeta, por exem-
                                      plo, extrai elétrons do metal e uma chuva deles salta para fora com cer-
                                      ta velocidade. Como envolve luz e carga elétrica, esse fenômeno rece-
                                      beu o nome de efeito fotoelétrico
                                          A teoria ondulatória não conseguia explicar esse efeito. E sabe por
                                      quê? Bem, de acordo com a teoria de Maxwell, a luz é uma onda ele-
                                      tromagnética, o aumento da intensidade de luz sobre o metal, deveria
                                      provocar um aumento equivalente na energia de movimento (energia
                                      cinética) dos elétrons extraídos. Porém, o físico alemão Philipp Lenard
                                      (1862-1947) constatou que na prática isso nem sempre acontecia, pois
                                      a energia cinética mantinha-se constante. Portanto, não dependia da
                                      intensidade luminosa. Lenard observou que, se a luz incidente fosse
                                      amarela ou vermelha, ao invés de violeta a energia cinética dos elé-
                                      trons que saltavam para fora do metal seria menor, concluindo que es-
                                      sa energia depende da cor e não da intensidade da luz incidente.
                                          Esse resultado não poderia ser explicado pela teoria ondulatória.
                                          O físico alemão Albert Einstein (1879-1955), em 1905, apresentou
                                      uma nova teoria. Segundo ele toda radiação eletromagnética é emitida
                                      ou absorvida na forma de corpúsculos energéticos, onde cada um trans-
                                      porta uma quantidade definida de energia, denominado quantum.
                                          A idéia de quantum de energia foi apresentada pela primeira vez
                                      pelo físico alemão Max Planck (1858-1947). A partir dos trabalhos so-
                                      bre radiação de corpo negro, se observou que a quantidade de energia
                                      que um corpo podia emitir ou absorver, precisava ser algo descontí-
                                      nuo e existir em pacotes mínimos. Como por exemplo, você não pode

212 Eletromagnetismo
                                                                                               Física


chegar à padaria e pedir meio pão. O pão só é vendido por unidade,
que seria sua porção mínima, assim também a quantidade de energia
contida na radiação.
    Em 1913, Niels Bohr (1885-1962) realizou pesquisas que apontaram
certas falhas no modelo atômico de Ernest Rutherford (1871-1937). Um
elétron em movimento curvo tem aceleração e de acordo com a teoria
de Maxwell, cargas aceleradas emitem ondas eletromagnéticas, portan-
to o elétron deveria perder energia e cair sobre o núcleo, o que pro-
vocaria o colapso da matéria.
    Apoiado na teoria quântica de Max Planck, Bohr propôs um novo
modelo para o átomo, em sua primeira hipótese, ele admite que no
átomo, os elétrons estão confinados em certos níveis estáveis de ener-
gia, ou seja, os elétrons giram ao redor do núcleo em regiões bem de-
finidas. Essas órbitas permitidas são chamadas, "estados estacionários"
e, não há emissão nem absorção de energia enquanto os elétrons esti-
verem em movimento numa mesma órbita.
    Einstein, utilizando os conceitos de Planck, admitiu que a luz trans-
porta pacotes de energia, denominados por ele de fótons de luz. Segundo
sua teoria, a ação desses fótons em alguns elétrons dos átomos do metal
provoca um aumento da energia cinética, fazendo-os saltarem para fora.




   De certa forma, os fótons de luz de Einstein são uma retomada da
teoria corpuscular de Newton e nosso mistério continua.
   Afinal, a luz é uma onda ou uma chuva de fótons?



                DEBATE

     Faça uma analogia entre a teoria corpuscular de Newton e os fótons de luz de Einstein. Depois,
 discuta com seus colegas.


                                                                      Dualidadeondapartículadaluz 213
       EnsinoMédio

                           Bohr admitiu que quando o elétron recebe energia (térmica ou elé-
                       trica, por exemplo) ele poderá passar para uma órbita mais afastada do
                       núcleo, no salto o elétron absorverá um fóton se este tiver a energia
                       suficiente que permita ao elétron ir para uma outra órbita, mais afasta-
                       da do núcleo. Se o elétron for para uma órbita mais interna, durante o
                       salto o elétron emite um fóton de energia.




                                                Figura 4: Modelo atômico de Bohr

                          Naturalmente o elétron fica no estado fundamental, aquele de me-
                       nor energia quando recebe a energia suficiente, passa para um estado
                       de maior energia (estado excitado), permanecendo nesse estado pou-
                       quíssimo tempo, pois rapidamente ele emitirá um fóton e voltará ao
                       estado fundamental.


                           O sucesso do modelo atômico de Bohr na previsão de fenômenos
                        importantes, praticamente eliminavam as dúvidas de que a matéria pon-
                        derável seria descontínua, constituída de pequenos "pedaços".
                            Essa teoria quântica de Bohr representava o refinamento máximo al-
                        cançado pela teoria atômica, era insatisfatória do ponto de vista de sua
                        consistência e de seus fundamentos, além de sofrer sérias limitações em
                        sua capacidade de previsão quantitativa. Do ponto de vista mecânico, o
                        que havia de mais estranho era a quantização das energias, e portanto das
                        órbitas, dos elétrons. Por que motivo os elétrons não podiam orbitar senão
                        a determinadas distâncias do núcleo?
                            Intrigado com essa questão, o jovem nobre francês Louis de Broglie
                        (1892-1987) assinalou o seguinte: os fenômenos físicos que exibem uma
                        quantização desse tipo são determinados fenômenos ondulatórios. (O ar nos
                        tubos de um órgão e as cordas de um piano, por exemplo, só vibram em
                        determinadas freqüências.) Também, se os trabalhos de Planck, Einstein e
                        Compton (ver o capítulo 10: A natureza da luz e suas propriedades) havia
                        mostrado que a radiação eletromagnética, tida como um tipo de onda, às ve-
                        zes se comporta como se fosse composta de partículas, por uma questão
                        estética (simetria) talvez devamos esperar que os átomos, elétrons e outros
                        entes tidos como partículas, às vezes se comportem como ondas...
                                                                                   (Adaptado de: CHIBENI, s/d)


214 Eletromagnetismo
                                                                                             Física

  UmanaturezaDual
    O físico Louis de Broglie incorporou as idéias introduzidas por
Einstein, dando passos importantes em direção ao desenvolvimento
da mecânica quântica, realizando um trabalho no sentido de associar
um modelo ondulatório à teoria corpuscular. Assim, ele postulou que
a dualidade também estendia-se às partículas de matéria, como o elé-
tron, que teria característica de onda e de partícula.
    Os físicos admitem hoje uma hipótese que abrange as duas teorias.
Quando a luz interage com a matéria e ocorre a colisão com elétrons
e os fótons de luz se comportam como partículas de energia, já nos fe-
nômenos da refração e da interferência, a luz se comporta como onda.
Isso evidencia a natureza dual da luz, que ora apresenta-se como on-
da, ora como um feixe de partículas (os quanta de luz). Surgindo as-
sim o termo "dualidade onda partícula".
    Dessa forma, as informações sobre o estado de movimento de uma
partícula estão contidas no comprimento e na freqüência da onda. Esse
fato determina que a freqüência da onda seja proporcional à energia
da partícula e, que a uma onda de alta freqüência está associada uma
partícula de alta energia. Por exemplo, a luz violeta possui alta freqüência
e pequeno comprimento de onda, consistindo em fótons de alta energia,
e a luz vermelha possui baixa freqüência e longo comprimento de
onda, correspondendo a fótons de baixa energia.
    Isso significa que luz é energia radiante em forma de partículas que
se propagam através de ondas eletromagnéticas.
    E agora, você é capaz de concluir o que é a luz? Pois...


               "Chegou-se a discutir qual a metade mais bela.
               Nenhuma das duas era totalmente bela."
                                     (ANDRADE, Carlos Drummond de)



    Podemos afirmar que na análise apresentada sobre as principais
idéias físicas, encontramos problemas que ainda não foram solucio-
nados, encontramos obstáculos que desencorajam as tentativas, mas a
luta não acabou. Atualmente, os nossos conhecimentos são maiores e
mais profundos do que os dos físicos do século passado. Assim, como
também são nossas dúvidas e nossas dificuldades na eterna busca pa-
ra entender o universo que nos cerca.
    A busca é sua também, vamos desvendar esses mistérios?




                                                                       Dualidadeondapartículadaluz 215
       EnsinoMédio


                        Referências
                        ANDRADE, C. D. Poesia completa. Vol. Único. Rio de Janeiro: Ed. Nova
                        Aguilar S.A., 2004.

                        CHIBENI, S.S. O Surgimento da Física Quântica. In: www.Unicamp.br/
                        ~chibeni/texdid/fisquantica.doc. Acesso em: 30/06/06.

                        OLIVEIRA, I.S. Física Moderna ­ para iniciados, interessados e aficionados.
                        Vol. 1.São Paulo: Livraria da Física, 2005.


                        ObrasConsultadas
                        BARTHEM, R. A Luz. 1.: São Paulo: Livraria da Física, 2005.

                        CHAVES, A. Física ­ ondas, relatividade e física quântica. Rio de Janeiro: Ed.
                        Reichmann & Affonso, 2001.

                        CHERMAN, A. Sobre ombros de gigantes: uma história da física. Rio de
                        Janeiro: Ed. Jorge Zahar, 2004.

                        EINSTEIN. A,; INFELD, L. A evolução da física. 4. ed. Rio de Janeiro: Ed.
                        Guanabara Koogan S.A, 1988.

                        FIOLHAIS, C. Física Divertida. Brasília: Ed. Universidade de Brasília, 2000.

                        HALLIDAY, D.; & RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física. Vol. 2.
                        6. ed. Rio de Janeiro: Ed. LTC, 2002.

                        HAMBURGER, E.W. O que é Física. São Paulo: Ed. Brasiliense, 1988.

                        NUSSENZVEIG, M.H. Curso de Física Básica. Vol.. 2. São Paulo: Ed.
                        Edgard Blücher Ltda, 1998.

                        _________________ Curso de Física Básica. Vol. 4. São Paulo: Ed. Edgard
                        Blücher Ltda, 1998.




216 Eletromagnetismo
                                  Física



ANOTAÇÕES




            Dualidadeondapartículadaluz 217
       EnsinoMédio




218 Epílogo
                                                                                                        Física




                                                                                           14
                                                    AS TRêS INTERAÇõES
                                                         fUNDAmENTAIS
                                                                     Julia Tieko Fujimoto1, Ezequiel Burkarter2



                                                            esde a época dos filósofos gregos,
                                                            uma das buscas mais intensas tem se
                                                           dado no sentido de se entender o mo-
                                                      vimento dos objetos, suas causas e o que
                                                      mantém a natureza estável. Uma das hipó-
                                                      teses era a de que os movimentos seriam
                                                      causados, essencialmente, por duas forças.
                                                      Segundo Empédocles (450 a.C.), uma delas
                                                      o Amor e a outra o Ódio. A primeira seria a
                                                      responsável pela aproximação dos corpos,
                                                      enquanto que a segunda estaria associada
                                                      à repulsão entre eles.
                                                      E quanto a você, já se perguntou sobre o
                                                      que impede que uma pedra se desintegre
                                                      (permaneça estável) diante de seus olhos?
                                                      Que tipo de força mantém tudo no seu lugar?




1
 Centro Estadual de Educação Básica para Jovens e
  Adultos Poty Lazarotto - Curitiba - PR
2
 Colégio Estadual Milton Carneiro - Curitiba - PR

                                                                         Astrêsinteraçõesfundamentais 219
       EnsinoMédio

                                    GravitaçãoeEletromagnetismo:
                                    algumasboastentativas...
                                                            Muitas tentativas de estabelecer modelos pa-
                                                        ra as forças que mantêm a natureza têm sido
                                                        empreendidas.
                                                            No século XVII, Newton (1642-1727) propôs
                                                        um modelo para as órbitas dos planetas, a sua
                                                        Teoria da Gravitação, em que as forças, Equa-
                                                        ção (1), que atuam entre eles estão ligadas às su-
                                                        as massas (m1 e m2) e à distância (r) entre os cor-
                                                        pos. G, a constante gravitacional, que vale 6,67 x
                                                        10­11Nm2/Kg2, indica a pequena intensidade dessa
                                                        força entre corpos de massas pequenas.
                                                                               mm
                                                                        F = G 1 22 (1)
                                                                               (r12)
                                                         Mas o fato de uma pedra não se desintegrar está
                                                 ligado à existência dessa força? A estabilidade da matéria
        Adaptado de: ISRAELACHVILI, 2003
                                           está relacionada apenas com a massa dos corpos?
       Parece pouco, mas essa teoria acabou exercendo grande influência no pensamento filosó-
   fico durante os períodos que vieram a seguir.
       A dupla revolução, Industrial e Francesa, trouxe benefícios para a ciência. Na França foi criada
   a Escola Politécnica, em 1795, a qual permitiu o domínio da ciência francesa sobre qualquer outra
   e gerou matemáticos e físicos que contribuíram para mudar a história da ciência e da humanidade.
   A supremacia francesa despertou interesses e imitadores em vários lugares da Europa e, em toda a
   Alemanha, a qual, nesta época, ainda não era Estado Nação tal qual conhecemos hoje. Na verdade,
   a Alemanha, juntamente com a Itália, só se tornaria um Estado Nação no final de século XIX.

          O choque da Revolução Francesa sacudiu a letargia educacional da Prússia, e a nova Universida-
     de de Berlim (1806-10), fundada como parte do despertar prussiano, tornou-se modelo da maioria das
     universidades alemãs que, por sua vez, viriam a criar o padrão das instituições acadêmicas em todo o
     mundo. Nenhuma reforma ocorreu na Grã-Bretanha, onde a revolução política não ganhou nem per-
     deu, mas permitiu o desenvolvimento de uma educação técnica e científica com bons resultados. Sur-
     giram as associações para o progresso da ciência, as quais mobilizaram a ajuda das indústrias nas pro-
     víncias. No entanto, mesmo na Alemanha, o primeiro laboratório universitário de pesquisa química não
     foi instalado até 1825. Desnecessário dizer que a inspiração foi francesa. Havia instituições na França e
     na Grã-Bretanha que formavam técnicos, enquanto a França e a Alemanha formavam professores, pa-
     ra criar na juventude um espírito de serviço a seu país.
         A era revolucionária, portanto, fez crescer o número de cientistas e eruditos e estendeu a ciência
     em todos os seus aspectos. E ainda mais, viu o universo geográfico das ciências se alargar em duas
     direções. Em primeiro lugar, o progresso do comércio e o processo de exploração abriram novos hori-
     zontes do mundo ao estudo científico e estimularam o pensamento sobre eles e, em segundo lugar, o
     universo das ciências se ampliou para abraçar países e povos que até então só tinham dado contribui-
     ções significantes. (Adaptado de HOBSBAWN, 2005, p. 386)


220 Epílogo
                                                                                                     Física

    No final do século XIX, os trabalhos de cientistas, como Faraday            A medida do vetor campo elétri-
(1791-1867), Gauss (1777-1855), Ampère (1775-1836), Lorentz (1853-            co E que fica submetido uma carga
1928) e especialmente Maxwell (1831-1879), acabaram fazendo uma               q1 num ponto qualquer do espaço
unificação dos fenômenos elétricos e magnéticos. Por conta dessa uni-         é dado por F = q1.E. Combinan-
ficação, os eventos ligados a essas duas áreas passaram ser associados        do com o primeiro termo da equa-
ao que chamamos de Eletromagnetismo. A Equação 2 mostra a For-                ção 2 a Força de Lorentz é escri-
ça de Lorentz, que age sobre partículas submetidas a campos eletro-           ta como:
magnéticos. O primeiro termo está ligado à força colombiana. Depen-           F = q. E + qvB
dendo do sinal da carga, essa força pode ser repulsiva ou atrativa, a
                                                                              Onde: q1 = q
constante k vale 8,99 x 109 Nm2/C2. O segundo termo está ligado ao
                                                                                       q2
movimento das cargas, com velocidade v, num campo magnético B.                E=K . 2
                                                                                       r
                               q1q2                                           O primeiro termo da equação está
                        F=k         + qvB      (2)
                                r2                                            ligado ao campo elétrico produzido
                                                                              pela carga q1 num ponto distante r
                                                                              da carga q2.

                ATIVIDADE

     Comparando as equações 1 e 2, você pode perceber alguma semelhança do papel da carga em
 relação à Força Eletromagnética, e o papel da massa na Força Gravitacional? Será que essas duas en-
 tidades têm alguma coisa a ver com a estabilidade da matéria? Outrossim, compare a constante K com
 a G. O que você pode dizer sobre a intensidade das forças Eletromagnética e Gravitacional.



    Até o final do século XIX, os físicos encaravam o universo baseado
no modelo mecânico de Newton, o que estabelecia o universo como
uma máquina, em que as forças e matéria atuam como que engrena-
gens. As radiações eram entendidas como que constituídas por on-
das eletromagnéticas, oscilações de campos elétricos e magnéticos, os
quais se propagavam de acordo com as quatro leis de Maxwell.
    A própria natureza ondulatória da luz foi entendida por meio do
eletromagnetismo, pois se entendia que a luz era uma onda que com-
binava campos elétricos e magnéticos.
    Trabalhos experimentais do final do século XIX indicaram, além
dessa natureza ondulatória, também uma natureza granular para a
luz. Os grãos de luz foram chamados de fótons, e seriam como que
pacotes de energia. Ora, se a luz é resultado da combinação de cam-
pos elétricos e magnéticos, era de se supor que esses campos tam-
bém fossem granulares. Assim, trabalhos apresentados na primeira
metade do século XX levaram à idéia de que os eventos ligados ao
eletromagnetismo ocorriam por meio da troca (emissão e absorção)
de fótons entre cargas.
   Mas e as forças que mantêm tudo no seu lugar?
   Melhor continuar a leitura!

                                                                      Astrêsinteraçõesfundamentais 221
         EnsinoMédio



                              ATIVIDADE

          A compreensão da natureza granular da matéria, em particular no modelo atômico de Bohr, está liga-
     da ao desenvolvimento de uma área da Física chamada Mecânica Quântica. Os fótons seriam pacotes
     de energia, o que se chamou de quanta de energia, ou o mínimo da energia ­ os grãos. Procure numa
     biblioteca mais próxima a relação da idéia de fóton com o modelo atômico de Bohr.



                                               naturezaGranulardaMatéria:maispassosna
                                               direçãodasforças
                                                 A visão do universo mecanicista do século XVII teve sua morte
                                             anunciada em 1887, quando Albert Michelson (1852-1931) e Edward
                                             Morley (1838-1923) realizaram um experimento que revolucionou
                                             aquela visão. Eles buscavam comprovar a existência do éter, um meio
                                             criado para propagação das ondas luminosas. O éter precisou ser in-
                                             ventado para dar coerência a teoria e porque não era concebível uma
                                             onda propagar-se sem um meio. Assim como o som de um violão se
                                             propaga pelo ar, as ondas do mar através da água, também a luz de-
    Albert Einstein (1879-1955) Pro-         veria ter um meio, o éter.
    pôs a teoria da relatividade, con-
    tudo recebeu prêmio Nobel em                 O problema é que a luz insistia em manter a sua velocidade cons-
    1921 em Física pela explicação           tante e, diante do fato de que nada do que fora previsto aconteceu, os
    de efeito fotoelétrico. Fonte: http://
    pt.wikipedia.org                         físicos viram o início da ruína do seu universo, ou pelo menos de su-
                                             as certezas. Em 1905, com os trabalhos de um alemão de nome Albert
                                             Einstein (1879-1955), a certeza estaria para sempre banida da ciência,
                                             ou muito fragilizada.
                                                 De fato, até meados do século XX, a ciência era praticamente to-
                                             da desenvolvida na Europa, e seu idioma era o alemão. Tanto é que
                                             os trabalhos de Albert Einstein (1879-1955) foram publicados na revis-
                                             ta alemã Annalen der Physik, no ano de 1905, o ano miraculoso do
                                             cientista. E de lá viriam cientistas com o talento de Arnold Sommerfeld
                                             (1868-1951) e de Max Planck (1858-1947), o qual é considerado o pai
                                             da Física Quântica.
                                                 Pelo que temos visto, os planetas estão em suas órbitas por cau-
                                             sa, essencialmente, da força gravitacional exercida pelo Sol e entre
                                             eles mesmos. Além disso, no final do século XIX e início do século
                                             XX, o desenvolvimento dos modelos atômicos de Rutherford, Bohr e
                                             Sommerfeld, além do desenvolvimento da mecânica quântica, forta-
                                             leceram a idéia da natureza granular da matéria ­ tudo sendo cons-
                                             tituído de átomos.
                                                 Outras pesquisas na primeira metade do século XX apontavam pa-
                                             ra o fato de que quase tudo o que vemos é resultado da união de ele-

222 Epílogo
                                                                                                   Física

mentos químicos através de ligações químicas, sejam elas iônicas, co-
valentes ou metálicas. Tais ligações, que dão origem a ligas metálicas,
cristais e moléculas (Figura 1), por exemplo, têm, essencialmente, uma
natureza eletromagnética, ou seja, resultam de processos que envol-
vem atração ou repulsão de cargas elétricas ou íons (elementos que
perdem ou ganham elétrons).




       Fig. 1a: Representação da estrutura    Fig. 1b: Representação da
       cúbica de um cristal de NaCl.          molécula da cafeína.




                    PESQUISA

     O mais importante resultado do trabalho de Rutherford foi a descoberta do núcleo atômico. Pesqui-
 se, em textos de física ou química, como foi realizado o experimento e em que a idéia de repulsão cou-
 lombiana ajudou. Esteja atento à técnica do bombardeio do material estudado, pois foi fundamental pa-
 ra o desenvolvimento da Física Nuclear.


   Quase tudo que acontece na eletrosfera do átomo foi estudado e,
numa primeira leitura, qualquer um poderia achar que tudo estava re-
solvido! Entretanto, pouco se sabia sobre o núcleo do átomo, e este
passava a ser um assunto de grande interesse para os físicos.


  OnúcleoAtômico:Ohomembrincandocom
  ostijolinhosdamatéria
   As dimensões do núcleo são tão pequenas que os tamanhos a ele
associados são escritos em termos de uma unidade de medida de
comprimento chamada fermi (F), cuja equivalência com o metro é:
1F = 10­15m. As investigações a respeito do núcleo atômico custam
muito caro ­ mas muito mesmo! Quem iria financiar um projeto de
pesquisa com o único objetivo de conhecer melhor os fenômenos
que cercam o núcleo sem uma perspectiva de aplicação? A resposta
veio através de uma das mais antigas formas de interação entre seres
humanos, a guerra.


                                                                          Astrêsinteraçõesfundamentais 223
       EnsinoMédio


                          Apesar da presença de alguns importantes físicos teóricos, praticamen-
                      te não havia tradição de Física Teórica nos Estados Unidos até meados do
                      século XX. Em pouco tempo esse quadro foi alterado. A Segunda Guerra
                      Mundial mudou o centro de excelência para o outro lado do Atlântico com a
                      imigração maciça de cientistas. No entanto, a imigração de europeus para
                      os Estados Unidos começara muito antes, no fim do século XIX e início do
                      século XX. A combinação de um sistema educacional público e a vinda de
                      professores que realizavam pesquisas de ponta em seus países de origem,
                      tornou o país um solo fértil para um desenvolvimento científico sem prece-
                      dentes, despertando o interesse de jovens filhos de imigrantes ávidos por
                      uma situação social mais segura, a qual poderia ser obtida através de uma
                      sólida educação. (Adaptado de ROSENFELD, 2003, p. 19)


                         No começo de 1920, na Alemanha, organizaram-se as primeiras ma-
                     nifestações anti-semitistas, já anunciando o perigo de uma ascensão
                     nazista. Planck escolheu ficar na Alemanha, talvez pela idade já avan-
                     çada acreditasse no fim do nazismo. Nessa época surge, na Alemanha,
                     a liga anti-Einstein, que oferecia quantidades em dinheiro para quem
                     contestasse a obra de Einstein. Em 1933, diante da insegurança de vi-
                     ver na Alemanha, Einstein mudou-se para Princeton (EUA). Planck, ao
                     contrário, viu seu filho, após ter participado de um atentado contra
                     Adolfo Hitler (1889-1945) em 1944, ser executado pelos alemães, além
                     de ter vivido a destruição de sua residência e sua biblioteca.
                         Em 1939 Otto Hahn (1879-1968) e Fritz Strassmann (1902-1980)
                     descobriram a fissão nuclear, processo em que ocorre a liberação de
                     uma grande quantidade de energia na forma de radiação.
                         Na verdade, a fissão já tinha sido conseguida em 1934, por Fermi
                     (1901-1954), na Itália, e por Irene (1897-1956) e Frederic Joliot-Curie
                     (1900-1958), na França. No entanto, ela fora compreendida e interpre-
                     tada em 1938, por Lise Meitner (1878-1968) e Otto Frisch (1904-1979).
                     Lise era judia e havia se exilado na Suécia, de onde trocava correspon-
                     dência com Hahn. Essa foi a forma encontrada para se saber de resul-
                     tados de experimentos, relacionados aos trabalhos que haviam desen-
                     volvidos juntos, ela, Hahn e Strassmann, em 1838.
                         O experimento bombardeava o núcleo do urânio com nêutrons len-
                     tos e, desse processo, surgiam núcleos de bário. Como não se sabia co-
                     mo o Bário surgia, Lise e Frisch deram o nome de fissão, imaginando que
                     o urânio havia rompido durante o processo, isto é, o núcleo deveria ter-
                     se fissionado.
                         A radiação liberada no processo comportava-se como se fosse um
                     pacote de energia, as partículas radioativas. Dependendo do tipo de
                     fissão, são emitidas partículas (núcleo de átomo de Hélio), ou partí-
                     culas (que são fótons). Nesse sentido, falar em energia granular pa-
                     rece implicar no fato de a força também ser granular.

224 Epílogo
                                                                                               Física

   Quase toda a energia liberada num processo de fissão se dá sob a
forma de energia cinética das partículas emitidas. Para se ter uma idéia
dessa energia, podemos dizer que é cerca de um milhão (106) de ve-
zes a energia de uma reação de combustão em que uma molécula de
oxigênio é consumida.


     Lembrando-se de que: No interior de um núcleo, em um espaço muito
 pequeno, 1F, estão contidos os prótons, todos carregados positivamente. A
 energia de repulsão Coulombiana entre os prótons é muito grande em áto-
 mos cujos núcleos têm Z elevado, o que os torna instáveis. Se um núcleo
 é instável, ele tende a se desintegrar, dividindo-se (como uma gota de água
 que se divide em duas ao ser agitada), geralmente, e em dois menores, cha-
 mados "núcleos filhos". Às vezes os núcleos filhos também são instáveis, e
 o processo continua até a formação de núcleos estáveis. "Trata-se de uma
 série de desintegração radioativa". Um exemplo dessas séries é a do urânio,
 descoberta por Hahn e Strassman, que começa com 92U238 e termina com
 chumbo (82PB206), que é estável.


   Por volta de 1939, a potencialidade do uso desses fenômenos como
arma em uma guerra eram óbvias no seio da comunidade científica, es-
pecialmente com a eminência da Segunda Guerra Mundial.

     Em meados de 1939, os físicos Leo Szilard e Eugene Wigner fizeram
 uma visita a Einstein, em Nassau Point, nas vizinhanças de Peconic. Os
 dois físicos, estavam preocupados porque sabiam que, caso a Alemanha
 pretendesse construir uma bomba, iria necessitar de grande quantidade
 de urânio. Depois de haver-se apossado da Checoslováquia, na prima-
 vera de 1939, um dos primeiros atos de Hitler foi proibir exportação de
 urânio das minas checas: segura indicação de que os alemães lhe reco-
 nheciam a importância. Szilard sabia que Einstein tinha um bom relacio-
 namento com a família real belga e que escrevia, periodicamente, à rai-
 nha Elizabelh. Então, pretendiam que Einstein conhecesse a situação do
 urânio, a fim de que escrevesse a rainha, pois a Bélgica exercia controle
 sobre depósitos de urânio do Congo Belga. Era preciso impedir que es-
 ses depósitos caíssem na mão dos alemães e manter uma rota de su-
 primento aberta para os Estados Unidos da América. (Adaptado de BERNSTEIN,
 1973, p. 180-181)



   Assim, um grupo de personalidades do meio científico, sob a lide-
rança de Einstein, enviou uma espécie de abaixo assinado ao gover-
no dos Estados Unidos, recomendando a produção da tal arma antes
que Hitler o fizesse.



                                                                        Astrêsinteraçõesfundamentais 225
        EnsinoMédio


          Senhor Presidente

         Trabalho recente, realizado por E. Fermi e L. Szilard e a mim dado a conhecer em manuscrito, leva-
     me a esperar que, em futuro imediato, o elemento urânio possa ser transformado em nova e importan-
     te fonte de energia. Certos aspectos da situação parecem exigir atenção e, se necessário, ação rápida
     por parte da Administração. Creio, portanto, ser meu dever pedir-lhe que atente para os seguintes fa-
     tos e recomendações.
         Nos últimos quatro meses, fez-se provável ­ em razão dos trabalhos de Joliot, na França, e de Fermi
     e Szilard, nos Estados Únicos ­ que venha a ser possível provocar reações nucleares em cadeia, atin-
     gindo vasta massa de urânio, com o que seriam geradas grande quantidade de energia e grande quan-
     tidade de elementos semelhantes ao rádio. É quase certo que isso possa ser feito em futuro imediato.
         Esse novo fenômeno levaria à construção de bombas e é concebível ... Uma única dessas bombas,
     transportada por barco ou feita explodir em um porto, destruiria todo o porto e locais vizinhos. (...)
        Os Estados Unidos da América só dispõem de minérios no Canadá e na antiga Checoslováquia,
     porém a mais importante fonte de urânio é o Congo Belga. (...)
         Entendo que a Alemanha suspendeu a venda de urânio das minas de que se apossou da Checos-
     lováquia. Ter ela assim agido talvez se ligue ao fato de o filho do Subsecretário de Estado da Alemanha,
     von Weizäcker, atuar junto ao Kaiser Wilhelm Institut, em Berlim, onde algum dos trabalhos norte-ame-
     ricanos a respeito do urânio vêm sendo agora repetidos.
          Muito atenciosamente
          A. Einstein
                                                                                    (Adaptado de BERNSTEIN, 1973)


                                     O Presidente Franklin Roosevelt (1882-1945) decidiu financiar o
                                 que tornou conhecido como "Projeto Manhattan", em que foram cons-
                                 truídas as duas primeiras bombas atômicas americanas. Em 1943, o
                                 laboratório para tal intento foi construído na região deserta de Los
                                 Alamos, no estado americano do Novo México. A divisão teórica do
                                 projeto era dirigida pelo físico alemão Hans Bethe (1906 ­ 2005), um
                                 especialista em Física Nuclear que havia deixado a Alemanha porque
                                 sua mãe era judia.
                                     Mesmo com a rendição dos alemães e a proximidade de rendição
                                 dos japoneses, conforme registrou a história, o governo americano lan-
                                 çou as bombas atômicas sobre duas cidades japonesas. Veio a rendi-
                                 ção dos japoneses, e o "sucesso" do uso bélico das energias do núcleo
                                 desencadeou uma corrida, especialmente durante a Guerra Fria, para
                                 se entender os fenômenos que ocorrem nesta pequena região do áto-
                                 mo. Além da concepção granular da matéria, também se cogitava uma
                                 concepção granular das forças, como se ocorressem devido à emissão
    Fonte: www.radgraphics.net
                                 e absorção de partículas. Possivelmente o núcleo atômico guardava se-
                                 gredos sobre esse assunto.
                                    Estaria a natureza granular das forças relacionada à estabilidade da
                                 matéria?

226 Epílogo
                                                                                                               Física

  InteraçõesFundamentais:novasformasdese
  fazerantigasperguntas
    Devido à grande quantidade de energia armazenada, muitos estudos
se encaminharam para o núcleo. Particularmente no sentido de se saber
se seus constituintes são os grãos fundamentais da matéria. Nessa aborda-
gem, ao invés de se falar em forças entre corpos, passou-se a falar de in-
terações, e no caso de partículas fundamentais, interações fundamentais.
    Durante algum tempo acreditou-se que só existiriam quatro partí-
culas fundamentais: elétrons, prótons, nêutrons e fótons. Mas alguns
eventos começaram a alterar essa realidade.
    Constantemente o nosso planeta é bombardeado por núcleos de
átomos, são o que chamamos de raios cósmicos, o Sol é uma das fon-
tes desses raios. Por conta das altas energias que envolvem esses pro-
cessos, os estudos de raios cósmicos realizados tornaram-se uma va-
liosa fonte de informação sobre os núcleos atômicos. Tais estudos
contribuíram, por exemplo, para a descoberta do pósitron, uma anti-
partícula do elétron (daí também a denominação de antielétron).
    Os pesquisadores perceberam que, como no experimento de
Rutherford, uma boa maneira de estudar um objeto é atirar pequenos
projéteis sobre ele. Assim, foram construídos aceleradores de partícu-
las, onde prótons, por exemplo, são submetidos a campos elétricos e
magnéticos bastante intensos e postos a se mover e a colidir entre si
ou com outras partículas. Os "cacos" (energia ou partículas), Figura 2,
resultantes desses choques violentíssimos fornecem informações pre-
ciosas sobre o núcleo, inclusive, como veremos, a existência de ou-
tras partículas.




               Fig. 2: Ilustração das colisões de partículas em aceleradores e os ca-
               cos que acabam dando informações sobre a constituição da matéria.
               Adaptado: Rosenfeld, 2003


                                                                                        Astrêsinteraçõesfundamentais 227
       EnsinoMédio



                     PESQUISA

        No Brasil existem dois aceleradores de partículas, um deles localizado na Universidade de São
     Paulo (USP) e outro localizado em Campinas-SP, no Laboratório Nacional da Luz
     Sincrotron (LNLS), foto ao lado. Procure fazer uma pesquisa tratando do uso dos
     aceleradores de partículas no Brasil.
        Quais são suas aplicações? Que órgãos financiam as pesquisas? Quanto cus-
     tam essas pesquisas? Uma boa dica é acessar o sítio do LNLS: www.lnls.br


                                 Umoutrotipodeinteraçãoparaum
                                 comportamentoesquisito...
                                  Com o avanço dos estudos sobre o núcleo, mais processos ligados a
                              este foram sendo descobertos. Um desses processos é o decaimento Beta
                              ( ). O exemplo mais comum desse tipo de decaimento é quando um
                              nêutron se desintegra, transformando-se num próton e num elétron.
                                  A desintegração, ou decaimento, pode ser de dois tipos: a desin-
                              tegração -, onde o núcleo de número atômico Z decai num núcleo
                              descendente com número atômico Z+1, com a emissão de um elétron;
                              e a desintegração +, onde um próton se transforma num nêutron com
                              a emissão de um pósitron. Na desintegração +, o número atômico Z
                              do núcleo diminui de uma unidade. Num primeiro momento, as partí-
                              culas emitidas nesses processos foram chamadas de partículas , pos-
                              teriormente descobriu-se, que se tratava de elétrons e pósitrons.
                                  Devido ao fato de os processos ligados ao decaimento serem tão
                              peculiares, entendeu-se que se tratava de uma das interações funda-
                              mentais da matéria. Supostamente esse decaimento seria causado por
                              uma força, que se chamou "Força Nuclear Fraca". Agora, além das for-
                              ças eletromagnética e gravitacional, temos ainda a força nuclear fraca,
                              a responsável pelo decaimento .
                                  Seriam essas as forças responsáveis pela estabilidade (e pela insta-
                              bilidade) da matéria?


                     PESQUISA

         Em geral, a idéia da existência de antipartículas parece obra de ficção. A grosso modo, quando uma
     partícula encontra a sua antipartícula, o par acaba se aniquilando. Procure, numa biblioteca ou na inter-
     net, exemplos de pares partícula/antipartícula e discuta, com seu professor e colegas, os processos de
     aniquilação. Em caso de dificuldades não se assuste, enquanto você lê este texto muitos cientistas tam-
     bém estão tendo dificuldades para entender esses processos.


228 Epílogo
                                                                                            Física

  Maisumaforça,eagoraumabemforte!
    Através dos aceleradores de partículas, descobriu-se um outro tipo
de interação, responsável por manter prótons e nêutrons "juntinhos"
no núcleo do átomo. Como já foi dito, por terem cargas de sinais
iguais, os prótons tendem a se repelir pela interação coulombiana.
A interação que os mantém unidos no núcleo deve ser, portanto,
muito mais intensa que a coulombiana. Por essa razão foi chamada de
"Interação Forte" ou "Força Nuclear Forte", que é atrativa e pelo menos
10 vezes maior que a repulsão coulombiana (Fe) entre prótons.
    A título de comparação, a interação forte (FF) chega a ser 1040 vezes
mais intensa que a gravitacional (FG) e cerca de 1015 vezes a interação
fraca (Ff), como mostra a relação a seguir:
                       FF   10 Fe   1014 Ff   1025 FG
     Um físico japonês chamado Yukawa (1907-1981) propôs, em 1935,
que as interações no núcleo também eram mediadas por conjuntos
de partículas, as quais ele chamou de mésons ou píons. Essas partícu-
las também acabaram sendo descobertas nos aceleradores de partícu-
las. Assim, as interações fortes ocorrem por meio da troca (sucessivas
emissões e absorções) dessas partículas entre os núcleons (os prótons
e os nêutrons), como se os prótons ficassem jogando uma partida de
tênis em que a bola é um méson.
     Mas havia vários tipos de mésons, aparecendo a necessidade de or-
dená-los. A descoberta de um dos tipos de mésons, o méson , teve um
brasileiro, o Professor Cesar Lattes (1924-2005), um dos principais res-
ponsáveis, chegando a ser indicado para o Prêmio Nobel da Física.
     Outra característica da interação forte, é que ela não depende da car-
ga elétrica, pois ocorre entre prótons, que possuem carga positiva, e entre
nêutrons, que não possuem carga elétrica. Outra evidência dessa caracte-
rística é o fato de ocorrer espalhamento entre prótons e nêutrons nos ace-
leradores de partículas. Ou seja, a força entre prótons e prótons é a mes-
ma que ocorre entre nêutrons e prótons, e, portanto, independe da carga.
Destacamos ainda que essa interação se manifesta no núcleo, seu alcance
é de cerca de 2 F, muito pequeno. Compare isso com a força gravitacional,
que embora de pouca intensidade é sentida a distâncias astronômicas.

  Partículas,muitaspartículas!
  Partículasparatodasasserventias.
    Com os aceleradores de partículas e os detectores de raios cós-
micos, um grande número de partículas foi sendo descoberto. Um
dos físicos que coordenou o "Projeto Manhatann", Prof. Oppenheimer
(1904-1967), chegou a mencionar um "zoológico de partículas", ao se
referir à quantidade de partículas e propriedades associadas.

                                                                     Astrêsinteraçõesfundamentais 229
       EnsinoMédio

                         A essa época, um pesquisador chamado Murray Gell-Mann, de ori-
                     gem judaica, procurou estabelecer um modelo teórico que organizas-
                     se o mundo das partículas subatômicas. Gell-Mann, que também tinha
                     uma leve queda por estudos de lingüística, procurou catalogar as par-
                     tículas existentes por meio de certos padrões. Contemplemos, com um
                     pouco mais de atenção, o trabalho de Gell-Mann!
                         Quando se fala em interações eletromagnéticas, conseguimos dis-
                     tinguir prótons e nêutrons, mas em se tratando de interação forte, eles
                     são aproximadamente idênticos. Para facilitar a compreensão do que
                     propunha, Gell-Mann fez uso de seus dotes de lingüista, e chamou de
                     hádrons todas as partículas que interagem via interação forte. Esse é o
                     caso dos prótons e dos nêutrons. Por conta disso, essa interação pas-
                     sou a ser também conhecida como "força hadrônica". Os elétrons, que
                     não sentem a interação forte não são hádrons, sendo denominados
                     léptons. Os hádrons mais leves foram chamados de mésons, e os mais
                     pesados, chamados de bárions.
                         Notemos em Gell-Mann um atributo humano muito forte, o de dar
                     nome às coisas para poder se fazer entender. No Gênesis bíblico, Deus
                     dá ao homem a tarefa de nominar os animais e as plantas. Temos um
                     nome para quase tudo a nossa volta, e quando não sabemos os nomes,
                     podemos nos achar em situações embaraçosas. Assim havia também a
                     necessidade de se dar nome às partículas subatômicas, para que a pró-
                     pria comunidade científica pudesse se comunicar.
                         Yuval Ne`eman (1925-2006), coronel do exército israelense e enge-
                     nheiro de formação, mas que se dedicava à Física Teórica por uma ques-
                     tão de paixão, percebeu que os bárions podiam ser constituídos de três
                     partículas. Até aqui você ouvia falar que a carga elétrica sempre seria en-
                     contrada em múltiplos inteiros da carga do elétron (1,6x10-19C), contudo,
                     nessas partículas, a carga seria uma fração desse valor.
                         Um físico inglês de nome Zweig deu a essas partículas o nome de
                     aces, que significa ases, em inglês, mas, digamos que esse nome não
                     pegou. Gell-Mann procurou dar um nome mais charmoso e pensou
                     em quirks, que em inglês significa fora do comum. Mas folhando um
                     livro de James Joyce (1882-1941), um escritor irlandês que gostava de
                     inventar palavras, deparou-se com os versos "Three quarks for Muster
                     Mark", do qual extraiu o nome quark, para os constituintes bárions.
                         Os bárions seriam compostos por três quarks e os mésons seriam
                     feitos de um par quark-antiquark.
                         No final dos anos sessenta, no Stanford Linear Accelerator Collider
                     (SLAC, do inglês, Acelerador Linear para Colisões) foi realizado um estu-
                     do parecido com o de Rutherford, só que agora voltado para o próton.
                     A idéia era acelerar elétrons para que suas colisões com os prótons for-
                     necessem informações sobre este. Se o próton fosse uma partícula ele-
                     mentar, os elétrons iriam ricochetear, como num choque de duas bolas
                     de bilhar. Mas os experimentos revelaram que os prótons eram, na ver-

230 Epílogo
                                                                                                                  Física

dade, como um pacote que continha três partículas (ima-
gine alguém atirando pedras numa sacola cheia de boli-
nhas de gude).
   Além de revelar a existência dos quarks, o experi-
mento também confirmava a hipótese de eles possuírem
cargas fracionárias.
   Assim como os átomos, os prótons também não são
partículas fundamentais. Na verdade, são compostos de
quarks, mas especificamente dois quarks up (u) e, um           Fig. 3: Ilustração dos quarks no interior de um próton.
quark down (d), Figura 3.                                      (Adaptado de: Rosenfeld, 2003)

  TransmissãodasInterações,maisumcaso
  paraaspartículas
   Retomando a nossa pergunta inicial para o caso dos quarks, que ti-
po de força os mantém unidos?
    Em 1972, Gell-Mann, trabalhando com o físico alemão Harald Fritzch,
elaborou uma teoria para a descrição das interações entre quarks, em ter-
mos da força forte. Mas como temos dito, as interações eletromagnéticas
surgem essencialmente por causa das cargas elétricas, e a interação gra-
vitacional surge por conta da massa (a essa altura não seria interessante
dizer "carga massa"?), mas qual a carga que dá origem à interação forte.
No modelo de Gell-Mann e Fritzch, a carga forte pode ser de três tipos
diferentes. Hora do Gell-Mann lingüista entrar em ação! Ele chamou es-
sas cargas de cores. As cargas elétricas podem ser positivas e negativas, e
as "cargas de cor" (como foram chamadas) seriam vermelho, verde e azul
(não confunda com as cores percebidas pelos seus olhos).
    Além da natureza granular da matéria, uma forte tendência, sobre-
tudo na segunda metade do século XX, foi o estabelecimento de uma
espécie de natureza granular das interações.
    A interação eletromagnética é mediada pela troca de fótons. Mas e a
interação forte? E a interação fraca? E a gravitacional?
    Na interação forte existem oito partículas responsáveis por colar os
quarks dentro dos hádrons. Como em inglês o termo glue significa co-
la, essas partículas receberam o nome de glúons. Assim, por conta das
suas cargas de cor e dessa mediação por glúons, a área da física que
estuda as interações fortes (particularmente entre quarks) também é
chamada de "Cromodinâmica Quântica", ou para os íntimos, QCD.
    A interação fraca é transmitida por meio de partículas conhecidas
pelas letras W e Z. Os fótons e os glúons não têm massa, mas as partí-
culas W e Z possuem massa equivalente à massa de 90 prótons. A car-
ga fraca (um análogo da carga elétrica, da massa ou da carga de cor, é
a "carga sabor", que pode ser de oito tipos.
  E quanto à interação gravitacional, não seria também mediada por
uma ou mais partículas?

                                                                         Astrêsinteraçõesfundamentais 231
       EnsinoMédio

       Sim, a interação gravitacional, em princípio, também é mediada por uma partícula, o gráviton.
   Alguns pesquisadores acreditam que os grávitons seriam emitidos por uma estrela na fase final de
   sua existência, quando se transformará num buraco negro, mas não há evidências da existência
   desse tal gráviton.
       E como fica a estabilidade da matéria? Note, temos visto modelos para as forças e para a
   transmissão dessas forças.


      TeoriasdeUnificação:asatuaistentativasdeorganização
       Já nos anos setenta, Steven Weinberg e colaboradores formularam uma teoria unificadora
   que colocou as interações eletromagnéticas e a interação por força fraca dentro de uma mes-
   ma categoria. Esses dois tipos de interação são considerados manifestações diferentes de uma
   interação mais fundamental, a "interação eletrofraca."
       Portanto, ao invés de quatro interações, os modelos atuais apontam para três tipos de inte-
   rações fundamentais.
       A combinação entre o modelo dos quarks, a teoria eletrofraca e a cromodinâmica quân-
   tica constitui o que os pesquisadores chamam de "Modelo Padrão". Nesse modelo, as partí-
   culas fundamentais são os léptons e os quarks, enquanto que as interações são transmitidas
   pelos fótons, pelos glúons e pelas partículas W e Z. Quase todas as forças da natureza pro-
   vêm de uma dessas interações.
        Uma das buscas de pesquisadores como Einstein é a possibilidade de se descreverem to-
   das as forças da natureza mediante uma teoria unificada. Esta é uma questão aberta. A busca
   permanece, tanto por trabalhos experimentais, que tratam da desintegração de partículas, co-
   mo por trabalhos teóricos, que tentam refinar os modelos.
       Nas palavras do Professor Rogério Rosenfeld (2003): "os físicos teóricos sempre desenvolverão
   seus modelos, mas cabe à natureza a palavra final". De qualquer forma, continuamos a busca inicia-
   da pelos filósofos do passado. Aparentemente, já fomos uma pouco além do amor e do ódio.


      Referências
      BERNSTEIN, J. As idéias de Einstein. São Paulo: Editora Cultrix Ltda,1973.
      HOBSBAWM, E. A era das Revoluções. 19. ed. São Paulo: Paz e Terra, 2005.
      ROSENFELD, R. Feynman & Gell-Mann ­ Luz, Quarks, Ação. São Paulo: Odysseus Editora LTDA.,
      2003

      ObrasConsultadas
      ATKINS, P. Princípios de Química. Porto Alegre: Artmed Editora S.A., 2001;
      EISBERG, R.; RESNICK, R. Física Quântica - Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Rio
      de Janeiro: Editora Campus, 1979.
      ISRAELACHVILI, J. N. Intermolecular and Surface Forces. 2. ed. Santa Bárbara: Academic Press,
      2003.
      RUSSELL, J. B. Química Geral. São Paulo: Editora McGraw-Hill do Brasil LTDA, 1982.


232 Epílogo
