Física Clássica

De Ana Maria Toffoletto

O objetivo deste livro é apresentar os conteúdos de Física de forma fácil e interessante para o leitor. Apresenta Aulas das diversas partes desta Ciência e, também, ferramentas matemáticas necessárias ao seu entendimento pleno. Os assuntos são tratados de forma organizada e sequencial.

• Idioma: Português
• Editora: Clube de Autores
• Data de lançamento: 10 de mar. de 2017

Pré-visualização do livro

                     Prefácio

O objetivo deste livro é apresentar os conteúdos de Física de forma acessível ao leitor, sem perder o rigor necessário ao entendimento pleno do assunto. É composto de Aulas de Mecânica Cinemática e Dinâmica, Óptica, Termofísica e Eletricidade e de ferramentas matemáticas necessárias à compreensão deste conhecimento. Inicialmente, apresentou -se o significado da palavra Física, suas divisões em Clássica e Moderna e suas subdivisões. Procurou-se explicar o Método Científico, ponto principal de todo o arcabouço de conhecimentos adquiridos até nossos dias. Também, apresentou-se a História da Física. Esta estrutura completa foi dada por entendermos que o conhecimento do todo, o conhecimento global, facilita o entendimento das partes.

Espero que o livro seja útil a quem precise e se interesse pelo assunto.

                                                                                                                                                                                                                 A autora

AULA 1

O significado de Física

Breve História da Física

Objetivos do estudo

Divisões da Física

FÍSICA – Palavra grega que significa Natureza. Então, estudar Física significa estudar a natureza. Para maior facilidade, vamos dividir o estudo da Física em partes:

Física Clássica:

Mecânica

Óptica

Termologia

Ondas

Acústica

Eletromagnetismo

Física Moderna:

Relatividade

Quântica

Radioatividade

A Física é a ciência que estuda a natureza; daí o nome ciência natural. Ela estuda vários fenômenos naturais.

Fenômeno natural: tudo o que acontece na natureza, mesmo que nada tenha de extraordinário. O simples secar de uma roupa no varal é um fenômeno natural; uma laranja desprendendo-se de uma arvore é, também, um fenômeno natural. A Física estuda os fenômenos naturais que admitem um modelo matemático.

Além deste estudo da Física e de suas partes, devemos ter conhecimento de algumas ferramentas que nos auxiliarão a entender esta Ciência tão fascinante. Estes conhecimentos são:

Medidas

Relembrando Sistema Métrico Decimal

Sistema Internacional de Unidades

Algarismos Significativos

Potências de Dez - Ordem de Grandeza

Método em Física

Funções e Gráficos

Faremos, então, o estudo destes conhecimentos paralelamente ao estudo dos ramos (partes) da Física.

Antes de iniciarmos o estudo de todo este conteúdo, vamos conhecer um pouco da evolução da Física, da sua história, e, também, aonde empregamos todos esses conhecimentos.

BREVE HISTÓRIA DA FÍSICA

As primeiras descobertas em Física ocorreram na Pré-história, como tentativa de resolver problemas práticos ou facilitar as tarefas dos seres humanos. Descobertas iniciais: pedra pontuda, arco e flecha, arado, roda, uso controlado do fogo. Posteriormente, a invenção da escrita (3000 A.C.) possibilitou o acúmulo de informações em grande número, para as gerações futuras. 600 a.C. nascia a filosofia com os gregos, na tentativa de explicar tudo pela razão; Aristóteles era um de seus representantes. Nas obras de Aristóteles existia bom senso aliado à lógica além de certa capacidade de abstração. Mas o desinteresse na comprovação prática dessas ideias resultou em algumas conclusões equivocadas. Além disso, houve uma série de dificuldades para os pensadores da era cristã corrigirem algumas afirmações aristotélicas, sobretudo a igreja católica, que condenava qualquer conhecimento que não estivesse na Bíblia, eliminando influências pagas na antiguidade. Também, a estrutura basicamente rural da sociedade feudal, a existência majoritária de indivíduos analfabetos e a ausência de livros não-religiosos tornaram o desenvolvimento da ciência quase impossível. Apenas no século dezesseis, com o renascimento do comércio e da vida cultural, passou a existir um ambiente propício à renovação cultural. Galileu Galilei corrigiu muitos erros aristotélicos com a experimentação (Século Dezesseis). Newton, aproveitando os resultados obtidos por homens como Galileu e Kepler, realizou a primeira síntese da história da Física. Reuniu as explicações de diversos fenômenos mecânicos do cotidiano sob três princípios gerais: as chamadas leis de Newton da Dinâmica. Além disso, uniu a Física terrestre à Física celeste por meio da Lei da Gravitação Universal. Os fundamentos deixados por Newton possibilitaram importantes inovações técnicas nos séculos dezoito e dezenove, entre eles teares, óculos, telescópios, microscópios, etc. Outras áreas da Física começaram a se desenvolver durante o século dezoito: termologia, eletricidade e magnetismo. Os resultados obtidos por Rumford e Carnot na Termodinâmica levaram ao desenvolvimento da máquina a vapor, na virada do século dezenove. Surgia a revolução industrial, época de aumento incrível da produtividade, no progresso material das nações e na população europeia. Tornou-se interessante aos industriais investir em melhorias tecnológicas para aumentar ainda mais os lucros em seus negócios. O incentivo em pesquisas por volta de 1840 resultou no desenvolvimento do eletromagnetismo por Ampère e Faraday, entre outros. A Teoria completa foi proposta por Maxwell em 1870. Desde então, são possíveis instalações elétricas nas residências e aparelhos que funcionem à base de motores elétricos. Posteriormente, os resultados de experiências de Max Planck (1900), Albert Einstein (1905), Roentgen (1899), entre outros, e as explicações de Albert Einstein (1906), Bohr (1913) e Schroedinger (1925) abalaram profundamente a estrutura do castelo da Física clássica de Newton. Dois novos grandes ramos da Física surgiram a partir da sistematização desses resultados, e que fazem parte da chamada Física Moderna:

RELATIVIDADE, que descreve os movimentos com velocidades próximas à velocidade –limite, que é a da luz no vácuo (300.000 km/s), e que substitui os conceitos de espaço e tempo absolutos de Newton;

MECÂNICA QUÂNTICA, que tenta explicar tudo o que ocorre no mundo das partículas atômicas e subatômicas. Os conceitos de posição, velocidade e energia não mais seguem as regras estabelecidas pelas leis de Newton.

RADIOATIVIDADE, que estuda as radiações eletromagnéticas de determinada frequência.

Portanto, agora, além da Física Clássica conhecida, surgia a Física Moderna.

Essa revolução na forma de vermos o mundo possibilitou os grandes avanços do século XX. Podemos mencionar: o uso controlado da energia atômica, os robôs eletrônicos, a televisão, os computadores, as viagens espaciais, a descoberta dos raios laser etc.

Uma observação importante é a de que por meio dos nossos sentidos, podemos colher muitas informações a respeito das coisas que nos cercam. Podemos perceber, por exemplo, o tamanho, a cor e a temperatura de um objeto, distinguir sons de vários tipos e luzes de intensidades e cores diversas. A atividade científica tem por objetivo ampliar nosso conhecimento acerca do Universo.

OBJETIVOS DO ESTUDO DE FÍSICA

Desde sua aparição na Terra, o homem se preocupou em entender e dominar o universo que o cerca, numa tentativa de resolver problemas práticos, ou facilitar suas tarefas, ou apenas, entender e explicar fenômenos naturais como, por exemplo, por que um trovão faz barulho, por que os corpos têm cores diferentes, como é o movimento dos astros, por que o céu é azul. A tecnologia de que dispomos hoje é o resultado de milhares de anos observando a natureza, descobrindo suas leis e sabendo como utilizá-las, isto é, estudando as ciências naturais. Para observar a natureza, muitas vezes há necessidade de um instrumento de observação como, por exemplo, um telescópio, um microscópio etc. e, também, em inúmeros casos, essa observação exige medidas.

Voltando ao estudo das partes da Física vamos explicar cada uma delas, e, após, começarmos o estudo propriamente dito.

DIVISÕES DA FÍSICA

O estudo da Física é dividido em partes, para maior facilidade. São elas: Mecânica, Óptica, Termologia, Acústica, Ondulatória, Eletromagnetismo e mais recentemente, além do estudo desta Física, chamada de Física Clássica, há ainda o estudo da Física Moderna, cujas partes são: Relatividade, Quântica e Radioatividade.

Mecânica: Parte da Física que estuda o movimento dos corpos em geral. Estudar um movimento é descrevê-lo e descobrir suas causas. Mas é estudar qual tipo de movimento? Todo tipo de movimento: movimento dos planetas, da formiguinha, de pessoas.

Óptica: Parte da Física que estuda o comportamento da luz nas mais diversas situações.

Termologia ou Termofísica: Parte da Física que estuda os fenômenos associados ao calor.

Acústica: Parte responsável pelo estudo da formação, propagação e das propriedades das ondas sonoras, em outras palavras, é o estudo do som.

Ondulatória: Parte que estuda os fenômenos que envolvem ondas.

Eletromagnetismo: Parte que estuda os Fenômenos Elétricos (Eletrodinâmica e Eletrostática) e Magnéticos.

Relatividade: Parte da Física Moderna que descreve os movimentos com velocidades próximas à velocidade –limite, que é a da luz no vácuo (300.000 km/s), e que substitui os conceitos de espaço e tempo absolutos de Newton.

Mecânica Quântica: Parte da Física Moderna que tenta explicar tudo o que ocorre no mundo das partículas atômicas e subatômicas. Os conceitos de posição, velocidade e energia não mais seguem as regras estabelecidas pelas leis de Newton.

Radioatividade: Parte da Física Moderna que estuda as radiações eletromagnéticas de uma frequência determinada.

MECÂNICA: Dissemos que estudamos a Física em partes para facilidade deste estudo.

A primeira parte é a Mecânica, como vimos. Acontece que a Mecânica também se divide em partes, ou ramos, para facilidade de seu estudo.

A  lista abaixo nos mostra esta divisão.

 DIVISÕES DA MECÂNICA 

A) CINEMÁTICA

B) DINÂMICA 

C) ESTÁTICA

D) HIDROSTÁTICA

 E) GRAVITAÇÃO UNIVERSAL

A) CINEMÁTICA: Parte da Mecânica que estuda os Movimentos sem se preocupar com as causas desses Movimentos.

Veremos, posteriormente, que a causa do Movimento dos objetos e corpos são as forças. Mas a Cinemática se preocupa apenas em descrever os Movimentos, suas Velocidades, Acelerações, sem se ocupar com o que causou esse Movimento.

A próxima  lista mostra todos os tópicos que estudaremos em Cinemática:

Fenômeno Natural

Grandeza Física

Método em Física 

Referencial ou Ponto de Referência

Posição de um Móvel 

Medidas: Definição/Sistema Métrico Decimal/ SI/ Conversão de medidas

Algarismos Significativos

Notação Científica: Potências de Dez

Função Linear e Função do Primeiro Grau

Trajetória Retilínea

Origem dos Espaços

Orientação da Trajetória 

Posição e Espaço na Trajetória 

Velocidade Escalar Média

Velocidade Escalar Instantânea

Movimento Progressivo

Movimento Retrógrado

Movimento Uniforme

Gráficos do M. U.

Aceleração

Movimento Acelerado

Movimento Retardado

Movimento Uniformemente Acelerado

Gráficos do M. U. V.

Vetores

Velocidade e Aceleração Vetoriais

Movimento Circular Uniforme

Lançamento Horizontal

Lançamento Vertical

Lançamento Oblíquo

2image004

AULA 2

Fenômeno Natural

Grandeza Física

Método em Física

FENÔMENO NATURAL: recordando, é  tudo o que acontece na natureza, mesmo que nada tenha de extraordinário. O simples secar de uma roupa no varal é um fenômeno natural...

GRANDEZA FÍSICA: é tudo o que pode ser medido por um instrumento. Exemplo: massa, volume, potência, velocidade.... Medir uma grandeza