Física

Física é uma ciência natural que estuda as propriedades da matéria e da energia, estabelecendo relações entre elas. Baseia-se em experimentações, observações e formulações matemáticas voltadas à interpretação de questões fundamentais da natureza, relativas a um grande número de fenômenos, compreendidos desde escalas subatômicas até macrocósmicas.

O que é Física?

A palavra Física deriva do grego antigo φύσις, que significa “natureza”. É uma ciência fundamentada em observações experimentais e em leis matemáticas. Seu principal intuito é explicar os variados fenômenos resultantes das interações entre matéria, movimento e energia.

A Física é uma das mais antigas disciplinas e teve seu início marcado por observações astronômicas feitas por povos antigos do mundo todo. Intenta-se a explicar o funcionamento do Universo da maneira mais fundamental possível, pautando-se nos preceitos da metodologia científica e da linguagem matemática.

A fascinação humana pelo céu noturno motivou o estudo da natureza durante séculos.

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Ramos da Física

A Física é uma ciência muito vasta que, por razões históricas, é subdividida em diferentes áreas. A primeira divisão da Física está relacionada à Física Clássica e à Física Moderna. A Física Clássica é aquela que envolve fenômenos que ocorrem em escalas macroscópicas, como movimento dos astros e projéteis, funcionamento de máquinas térmicas, acústica, óptica geométrica, hidrostática, eletrostática, eletrodinâmica clássica, etc. Esse ramo da Física foi desenvolvido ao longo da história por grandes nomes, como Isaac Newton, Galileu Galilei, Johannes Kepler, Lorde Kelvin, entre outros.

Isaac Newton, um dos maiores cientistas de todos os tempos.

A Física Moderna, por sua vez, é responsável pela descrição de fenômenos microscópicos, como aqueles que acontecem em escalas subatômicas, cuja ordem é inferior aos nanômetros. Também atribui-se à Física Moderna o estudo de corpos que se movem com velocidades relativísticas, ou seja, próximas à velocidade da luz. Dessa forma, foram explicados fenômenos como decaimento radioativo, fissões e fusões nucleares, efeito fotoelétrico, etc.

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Considera-se que a Física Moderna tenha surgido no século XX com a descoberta do raio X por Wilhelm Röntgen, em 1895; da radioatividade por Antoine Becquerel, em 1896; da quantização das ondas eletromagnéticas por Max Planck, em 1900; da relatividade especial por Albert Einstein, em 1905; e da teoria atômica por Niels Bohr, em 1913.

Albert Einstein, o pai das relatividades especial e geral.

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A Mecânica Quântica, por sua vez, surgiu em 1926 pelas mãos de físicos como Werner Heisenberg e Erwin Schroedinger, os grandes responsáveis, respectivamente, pela determinação do Princípio da Incerteza e pelo desenvolvimento da equação de Schroedinger. A Mecânica Quântica é uma das teorias mais bem-sucedidas da Física. Diversos experimentos realizados até os dias atuais mostram que as previsões obtidas por essa complexa área da Física estão corretas, mesmo quando essas previsões mostravam-se contra-intuitivas.

Física Clássica

• Mecânica: área responsável por estudar o movimento de partículas ou de meios contínuos, como fluidos. Essa área subdivide-se em Cinemática, Dinâmica, Estática, Hidrostática e Hidrodinâmica.

• Cinemática: estuda o movimento sem levar em conta suas causas. Estuda ainda conceitos como posição, deslocamento, velocidade, aceleração, etc.

• Dinâmica: estudo das forças, torques e formas de energia relacionadas à geração dos movimentos de translação e rotação. Estuda também conceitos como movimento linear, momento angular, energia mecânica, etc. Tem como subdivisão a dinâmica dos fluidos, conhecida como Hidrodinâmica.

• Estática: estudo das condições de equilíbrio, inerentes aos corpos extensos. É uma área de conhecimento vastamente aplicada nas construções civis. Trata de conceitos como centro de massa, centro de gravidade, equilíbrio rotacional, equilíbrio translacional, tipos de equilíbrio, etc. Tem como subdivisão o estudo de fluidos em situação de equilíbrio, chamado de Hidrostática.

A estática é o ramo da Física que permite explicar como a rocha da figura permanece em equilíbrio.

• Eletrostática e Eletrodinâmica Clássica: estudo de fenômenos elétricos estáticos e dinâmicos. Abrange muitos conceitos, como carga elétrica, potencial elétrico, campo elétrico, lei de Coulomb, magnetismo, força de Lorentz, corrente elétrica e equações de Maxwell.

As descargas formadas durante as tempestades elétricas são grandes correntes elétricas que se propagam pelo ar.

• Termodinâmica Clássica: abrange o estudo dos estados termodinâmicos da matéria em situações de equilíbrio por meio de medidas de propriedades macroscópicas, como pressão, volume e temperatura. Tem como bases a Termologia e a Calorimetria. É utilizada para explicar as trocas de energia por meio das leis da Termodinâmica, que envolvem os conceitos de calor, temperatura, entropia, etc.

• Ondulatória: engloba a óptica geométrica, a propagação das ondas eletromagnéticas e a acústica, bem como os fenômenos sofridos por ondas, como reflexão, refração, interferência, difração, absorção. É utilizada para a confecção de sistemas e instrumentos ópticos, como espelhos e lentes.

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Fórmulas da Física

A Física usa a linguagem matemática em forma de equações (fórmulas) para descrever diversos fenômenos. Entender a ideia apresentada por cada uma das equações da Física é uma forma de compreender o funcionamento do mundo ao nosso redor. Confira algumas das principais equações da Física e seus significados.

A violência das explosões durante erupções vulcânicas é decorrente do empuxo sobre as bolhas de gás confinadas no magma.

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Descobertas da Física para a Ciência

Apesar de a Física ter favorecido o desenvolvimento científico de diversas áreas do conhecimento, alguns marcos podem ser listados como fundamentais para o avanço da humanidade e de diversas tecnologias. Confira uma linha do tempo com alguns deles:

• 250 a.C. - Princípio de Arquimedes: Arquimedes descobriu que, quando um objeto é colocado dentro de um fluido, uma força vertical orientada para cima, de mesmo peso que o líquido deslocado, atua sobre o corpo submergido.

• 1514 d.C. - Heliocentrismo: Nicolau Copérnico desenvolveu um modelo de Sistema Solar no qual o Sol é o centro de todas as órbitas, que são circulares.

• 1613 – Inércia: apesar de não ter elaborado o conceito de inércia moderno, Galileu chegou muito perto do que é explicado hoje por meio das leis de Newton.

• 1687 – Leis de Movimento e Gravitação Universal: Isaac Newton publicou seu famoso livro “Princípios Matemáticos da Filosofia Natural”, que contém as bases da Mecânica Newtoniana: as três Leis do Movimento e a Lei da Gravitação Universal

• 1785 – Lei de Coulomb: Charles Coulomb determinou a equação utilizada para calcular o módulo da força de atração entre dois corpos eletricamente carregados.

• 1803 – Teoria Atômica: Por meio da Lei de Conservação da Massa, de Antoine Lavoisier, e da Lei das Proporções Definidas, de Joseph Proust, John Dalton propôs que a composição dos corpos é obtida por meio de uma proporção fixa de elementos.

• 1806 – Energia cinética: Thomas Young determinou uma grandeza relacionada à quantidade de movimento e à velocidade dos corpos.

• 1831 – Indução eletromagnética: Michael Faraday observou que a variação do fluxo de campo magnético promove a formação de correntes elétricas induzidas em materiais condutores.

• 1838 – Campo magnético terrestre: Wilhelm Weber e Carl Gauss determinaram a existência de um campo magnético produzido pelo planeta Terra.

• 1843 – Conservação da energia: Julius Robert von Mayer, William Thomson e Lorde Kelvin lançaram as bases da primeira lei da Termodinâmica, a Lei de Conservação de Energia.

As leis da Termodinâmica permitiram a evolução das máquinas a vapor, que deram início a um crescente processo de industrialização.

• 1851 – Segunda lei da Termodinâmica: Rudolf Clausius determinou a existência de uma grandeza responsável pelo aumento no grau de desordem dos sistemas físicos: a entropia.

• 1864 – Equações de Maxwell: James Clerk Maxwell unificou as equações da eletricidade com as equações do eletromagnetismo e calculou a velocidade da luz a partir de constantes conhecidas.

• 1887 – Ondas eletromagnéticas: Heinrich Hertz desenvolveu um método de geração e detecção de ondas eletromagnéticas.

• 1895 – Raios X: Wilhelm Röntgen descobriu os raios X.

• 1896 – Radioatividade: Henri Becquerel descobriu a emissão natural de radiação por elementos radioativos.

• 1897 – Descoberta do elétron: J. J. Thomson descobriu a existência de uma partícula de carga elétrica oposta à do próton e de massa muito menor: o elétron

• 1900 – Radiação de Corpo Negro e Quantização do Campo Eletromagnético: Max Planck determinou a equação que relaciona a temperatura de um corpo à frequência de onda eletromagnética emitida por ele. Além disso, quantizou a energia, criando a ideia de partículas de luz, conhecidas como fótons.

• 1905 – O ano miraculoso: Albert Einstein publicou três artigos revolucionários que lançaram as bases da relatividade especial, do efeito fotoelétrico e do movimento browniano.

A relatividade geral explica que a gravidade decorre da deformação do espaço-tempo por objetos massivos, como estrelas e planetas.

• 1911 – Descoberta do núcleo atômico: Ernest Rutherford descobriu o núcleo atômico. No mesmo ano, a supercondutividade foi descoberta por Karmenlingh Onnes.

• 1916 – Relatividade geral: Albert Einstein estabeleceu a relação entre a deformação do espaço-tempo e a gravidade.

• 1923 – Ondas de matéria, éter e expansão do Universo: o experimento de Stern-Gerlach determinou que as ondas eletromagnéticas propagam-se no vácuo e não em um meio hipotético chamado éter. Louis de'Broglie determinou que todos os corpos com massa apresentam comportamento ondulatório. Edwin Hubble observou o movimento de afastamento das galáxias.

• 1926 – Equação de Schroedinger: Erwin Schroedinger determinou a equação que estabelece a evolução temporal de todos os sistemas quânticos.

• 1928 – Antimatéria: Paul Dirac previu a existência da antimatéria.

• 1948 – Eletrodinâmica Quântica: Richard Feyman elaborou a teoria responsável por explicar a interação entre fótons e partículas quânticas.

• 1967 – Teoria Eletrofraca: teoria quântica responsável por explicar fenômenos de ordem subatômica, como alguns tipos de decaimentos radioativos.

• 1974, 1975, 1977, 1995, 2000, 2012 – Novas Partículas: descobertas de partículas, como quarks, táuons, bósons W e Z, léptons, e bósons de Higgs. Nesses anos, alguns dos blocos fundamentais que faltavam para a elaboração do modelo-padrão da Física de Partículas foram diretamente observados em aceleradores de partículas ou em detectores atmosféricos.

• 1980 – Computadores quânticos: Richard Feynman propôs a possibilidade da criação de computadores baseados em sistemas quânticos.

• 2015 – Ondas gravitacionais: apesar de serem previstas pela relatividade geral, as ondas gravitacionais só foram detectadas em 2015 por meio da colisão de dois buracos negros extremamente massivos.

Por Me. Rafael Helerbrock