O Livro da Física: Volume 1

De Simone Malacrida

Neste livro, a grande história das descobertas da física é traçada, desde a revolução científica de Galileu e Newton até a física de hoje e do futuro próximo.
A compreensão da física é abordada tanto do ponto de vista teórico, expondo as definições de cada campo particular e os pressupostos subjacentes a cada teoria, quanto do ponto de vista prático, passando a resolver mais de 350 exercícios relacionados a problemas físicos de todos os tipos.
A abordagem da física se dá pelo conhecimento progressivo, expondo os diversos capítulos em uma ordem lógica para que o leitor possa construir um caminho contínuo no estudo daquela ciência.
O livro inteiro é dividido em cinco seções distintas: física clássica, as revoluções científicas que ocorreram no início do século XX, física do microcosmo, física do macrocosmo e, finalmente, problemas atuais que são o ponto de partida para a física do futuro. .
O artigo se destaca como um trabalho abrangente sobre física, não deixando de fora nenhum aspecto das muitas facetas que pode assumir.

• Idioma: Português
• Editora: Simone Malacrida
• Data de lançamento: 9 de fev. de 2023
• ISBN: 9798215669488

Simone Malacrida

Simone Malacrida (1977) Ha lavorato nel settore della ricerca (ottica e nanotecnologie) e, in seguito, in quello industriale-impiantistico, in particolare nel Power, nell'Oil&Gas e nelle infrastrutture. E' interessato a problematiche finanziarie ed energetiche. Ha pubblicato un primo ciclo di 21 libri principali (10 divulgativi e didattici e 11 romanzi) + 91 manuali didattici derivati. Un secondo ciclo, sempre di 21 libri, è in corso di elaborazione e sviluppo.

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O Livro da Física: Volume 1

SIMONE MALACRIDA

Neste livro, a grande história das descobertas da física é traçada, desde a revolução científica de Galileu e Newton até a física de hoje e do futuro próximo.

A compreensão da física é abordada tanto do ponto de vista teórico, expondo as definições de cada campo particular e os pressupostos subjacentes a cada teoria, quanto do ponto de vista prático, passando a resolver mais de 350 exercícios relacionados a problemas físicos de todos os tipos.

A abordagem da física se dá pelo conhecimento progressivo, expondo os diversos capítulos em uma ordem lógica para que o leitor possa construir um caminho contínuo no estudo daquela ciência.

O livro inteiro é dividido em cinco seções distintas: física clássica, as revoluções científicas que ocorreram no início do século XX, física do microcosmo, física do macrocosmo e, finalmente, problemas atuais que são o ponto de partida para a física do futuro. .

O artigo se destaca como um trabalho abrangente sobre física, não deixando de fora nenhum aspecto das muitas facetas que pode assumir.

ÍNDICE ANALÍTICO

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INTRODUÇÃO _

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PARTE UM : FÍSICA CLÁSSICA

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1 – O MÉTODO CIENTÍFICO

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2 – SISTEMA DE MEDIÇÃO

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3 – MECÂNICA CLÁSSICA: KINEMÁTICA

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4 – MECÂNICA CLÁSSICA : D Y NÂMICA SE ESTÁTICA S

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5 – MECÂNICA CLÁSSICA : TEORIA DA GRAVITAÇÃO

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6 – TEORIA DOS FLUIDOS E DINÂMICA DOS FLUIDOS

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7 - ÓTICA

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8 – ONDAS E FENÔMENOS OSCILATÓRIOS

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9 – TERMODINÂMICA E TRANSMISSÃO DE CALOR

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10 – FÍSICA ESTATÍSTICA

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11 - ELETRO MAGNÉTISMO _ _

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12 – CRISE DA FÍSICA CLÁSSICA

INTRODUÇÃO

Este livro nasceu da necessidade de conciliar, em um único texto, todas as teorias físicas estudadas até o momento, completas com seu arcabouço teórico e experimental.

Não há dúvida de que a física, como a entendemos hoje, originou-se da introdução do método científico, primeiro em nível filosófico, depois em nível experimental e prático.

Quando o método científico entrou na prática do raciocínio para basear suposições e deduções, houve um enorme salto de qualidade em relação a todo o conhecimento anterior.

Podemos dizer que todas as descobertas e aplicações que ocorreram no passado a respeito daquele evento são, na verdade, resultado de abordagens semi-empíricas e não exatamente da ciência como a entendemos hoje.

Aquele ponto sem volta foi de molde a determinar um divisor de águas histórico, tal como estamos habituados a considerar acontecimentos do calibre da Revolução Francesa, a queda do Império Romano ou a descoberta da América.

Desde então, a investigação científica teve uma aceleração impressionante, abrangendo todas as áreas do conhecimento e imprimiu na sociedade, em termos de aplicações e consequências quotidianas, uma marca decididamente diferente do que no passado, vindo a criar essas condições e esses pré-requisitos necessários para a Revolução Industrial, que ocorreu apenas menos de dois séculos depois daquelas primeiras agitações científicas.

Uma primeira cesura desse caminho ocorre com o final do século XIX e com o reconhecimento de que, no âmbito do conhecimento em todos os setores, foram alcançadas tais contradições que os esquemas teóricos anteriores tiveram que ser completamente revistos.

Desse período, historicamente conhecido como a crise da física clássica, surgiram as duas teorias revolucionárias do século XX que estão na base da física contemporânea, aquela que hoje usamos para descrever a Natureza e o que nos rodeia.

Neste período de tempo, que durou uns bons dois séculos, a física conseguiu explorar cientificamente várias disciplinas como a mecânica em todas as suas formas (estática, dinâmica e cinemática), a astronomia, a teoria da gravitação, a ótica, os fenômenos e os oscilatórios , dinâmica dos fluidos, termodinâmica, transmissão de calor, estatística aplicada à física, fenômenos elétricos e magnéticos.

Como se pode constatar nesta pequena lista, a elaboração de teorias que predizem e explicam os resultados experimentais tem sido tão difundida que nada deixou inexplorado, com as limitações que os equipamentos da época podiam ter (é óbvio que era completamente além do lugar pensar em sondar as características do átomo e do núcleo atômico, não tendo à disposição os meios materiais adequados para detectar os dados experimentais essenciais).

O que acaba de ser descrito é tratado na primeira parte deste livro, que coincide com o tratamento da física clássica.

A segunda parte do livro é inspirada nas grandes revoluções do início do século XX, a saber, a física quântica e a relatividade restrita.

Eles desempenharam um papel tão extraordinário no desenvolvimento da física que foi decidido dedicar uma parte inteira a eles.

A terceira parte do livro trata da física do microcosmo, ou seja, a física que se desenvolve em escala molecular, atômica, nuclear e de partículas fundamentais.

Veremos até onde foi a investigação científica e quais são os problemas desses desenvolvimentos hoje.

A quarta parte, em contrapartida, trata da física do macrocosmo e tem como pedra fundamental a teoria da relatividade geral.

É tudo relacionado à astronomia, astrofísica e cosmologia.

Também neste caso os resultados recentes destas teorias serão tangíveis.

A quinta e última parte tem a tarefa mais difícil em comparação com as outras.

De fato, se por um lado a teoria da relatividade tem gerado especulações no macrocosmo e a física quântica no microcosmo, há inúmeras evidências de seu possível (e desejável) encontro em uma única teoria.

A última parte do livro trata desse aspecto peculiar.

O livro está dividido em capítulos, cada um dos quais pode muito bem ser tratado independentemente dos anteriores e posteriores (na verdade, na literatura existem inúmeros escritos relativos precisamente a cada um dos capítulos expostos).

No entanto, há uma correlação lógica na ordem dos capítulos, uma espécie de conhecimento progressivo em relação ao que antes era desconhecido.

O leitor atento perceberá isso e poderá acompanhar esse leitmotiv que nada mais é do que a re-proposição da história da física.

Uma nota deve ser feita sobre a execução dos exercícios.

É verdade que na primeira parte, aquela dedicada à física clássica, são apresentados exercícios realizados no nível do ensino médio (exatamente porque no ensino médio se começa a estudar aqueles setores específicos da física), mas é igualmente verdade que o o formalismo teórico é, quase desde o início, focado na matemática de nível universitário que pressupõe conhecimento de análise matemática avançada, geometria avançada e outras disciplinas matemáticas.

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Qual é o sentido de estudar física?

Vamos tentar dar uma breve explicação (inteiramente pessoal, claro).

Não podemos esconder o fato de que a interpretação das leis físicas, se levada ao nível máximo, só pode levar a questões especulativas típicas da filosofia, especialmente quando se trata do infinitamente grande (como no caso da cosmologia) ou do infinitamente pequeno (como no caso da cosmologia). em física de partículas).

As leis físicas, justamente por terem a peculiaridade de explicar a natureza, o universo e tudo que nos cerca, devem não apenas estar de acordo com os dados experimentais, mas constituir um modelo teórico para a simulação da própria realidade.

Sua estrutura e interpretação influenciam, portanto, a forma de descrever a realidade, como já acontecia com o advento do relativismo e do indeterminismo no início do século XX.

As leis físicas são escritas com um simbolismo que é matemático. A grande força da matemática reside em pelo menos três pontos distintos.

Em primeiro lugar, graças a ela é possível descrever a realidade em termos científicos, ou seja, prever alguns resultados antes mesmo de ter a experiência real.

Prever resultados também significa prever as incertezas, erros e estatísticas que necessariamente surgem quando o ideal da teoria é trazido para a prática mais extrema.

Em segundo lugar, a matemática é uma linguagem que possui propriedades únicas.

É artificial, construído por seres humanos.

Existem outras línguas artificiais, como o alfabeto Morse; mas a grande diferença da matemática é que ela é uma linguagem artificial que descreve a natureza e suas propriedades físicas, químicas e biológicas.

Isso o torna superior a qualquer outra linguagem possível, pois falamos a mesma linguagem do Universo e suas leis.

Nesta conjuntura, cada um de nós pode trazer suas próprias ideologias ou crenças, sejam seculares ou religiosas.

Muitos pensadores destacaram como Deus é um grande matemático e como a matemática é a linguagem preferida para se comunicar com essa entidade superior.

A última propriedade da matemática é que ela é uma linguagem universal.

Em termos matemáticos, a Torre de Babel não poderia existir.

Todo ser humano que possui alguns rudimentos de matemática sabe muito bem o que se entende por alguns símbolos específicos, enquanto tradutores e dicionários são necessários para entender uns aos outros com palavras escritas ou discursos orais.

Sabemos muito bem que a linguagem é a base de todo conhecimento.

O ser humano aprende, nos primeiros anos de vida, uma série de informações básicas para o desenvolvimento da inteligência, justamente por meio da linguagem.

O cérebro humano se distingue justamente por essa peculiaridade específica de articular uma série de linguagens complexas e isso nos deu todas as conhecidas vantagens sobre qualquer outra espécie do reino animal.

A linguagem também é um dos pressupostos do conhecimento filosófico, especulativo e científico e Gadamer destacou isso, de forma inequívoca e definitiva.

Mas há uma terceira propriedade da matemática que é muito mais importante.

Além de ser uma linguagem artificial e universal que descreve a natureza, a matemática é propriamente a resolução de problemas , portanto é a concretude tornada ciência, pois o homem sempre buscou a resolução de problemas que o prendem, basta dar uma olhada no que foi discutido neste trabalho sobre a superação das teorias físicas.

A textura da realidade é, portanto, marcada por leis físicas que fundamentam as equações matemáticas e que, com o tempo, tendem a se generalizar cada vez mais na onda de novas descobertas e incoerências de velhas teorias.

Hoje nos deparamos com uma dessas etapas fundamentais.

Por um lado sabemos que existem problemas de congruência das duas principais teorias (relatividade geral e teoria quântica de campos), por outro ainda não definimos uma nova tela teórica que supere esses pontos obscuros rumo a um conhecimento mais amplo.

Como sempre, é um desafio constante e, de alguma forma, eternamente inerente à natureza humana.

Esta característica faz parte de uma eterna corrida para uma melhor descrição do que nos rodeia e uma melhor compreensão de todos os fenómenos existentes, na esteira de uma derivação do mito de Ulisses, que concretiza a eterna propensão do homem para o conhecimento.

PARTE UM: FÍSICA CLÁSSICA

1

O MÉTODO CIENTÍFICO

Introdução

O início da física moderna coincide com a formulação e aplicação do método científico, que se deu de forma sistemática no início do século XVII sobretudo por Galileu e com contribuições decisivas dos filósofos Bacon e Descartes.

Essa estrutura lógica e filosófica tornou-se a base para a construção do conhecimento científico nos séculos seguintes e para a primeira abordagem matemática através da introdução da análise por Newton e Leibnitz na segunda metade do século XVII.

Antes de Galileu, o conhecimento progredia sobretudo através de tentativas empíricas ou raciocínio puramente metafísico, apoiando-se em construções lógicas como o silogismo ou o princípio de autoridade. Não havia, portanto, cientistas como os entendemos hoje e a coisa mais próxima de nosso conceito de ciência foi dada pelos estudiosos da filosofia natural.

Um precursor do método científico foi Leonardo da Vinci que, cerca de um século antes de Galileu, compreendeu a importância fundamental da experimentação real e da demonstração matemática, sem contudo chegar à definição de um sistema e de um método.

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A visão de Galileu Galilei

Galileu partiu de alguns pressupostos fundamentais, que ainda hoje são válidos, entre os quais:

1) A natureza responde a critérios matemáticos

2) Para estabelecer as leis da física é necessário realizar experimentos

3) Hipóteses lógicas e teorias matemáticas devem estar de acordo com experimentos

Portanto, Galileu abandonou a busca vazia pelas essências e qualidades primárias que haviam caracterizado o conhecimento muito antes do século XVII e estabeleceu fatos quantitativos, mensuráveis e verificáveis por meio de experimentos e expressáveis por meio da linguagem matemática, como a pedra angular da ciência.

Um dos pontos-chave é dado pela reprodutibilidade dos experimentos: em condições adequadas e hipóteses a serem elaboradas, uma determinada experiência deve poder ser repetida em todos os lugares dando os mesmos resultados e, portanto, confirmando (ou negando) a teoria matemática formulada para explicar este experimento.

Em casos particulares em que não é possível realizar um experimento real, Galileu introduz o conceito de experimento mental.

Ao aplicar os mesmos critérios matemáticos e quantitativos na formulação das hipóteses, o experimento mental tem a mesma validade do efetivamente realizado. Desta forma, Galileu entendeu como a revolução copernicana do heliocentrismo (o Sol colocado no centro do Sistema Solar e não a Terra como afirmava a Idade Média em vez da Escolástica referindo-se à autoridade de Aristóteles) estava correta e como as leis de Kepler estavam corretas em um nível astronômico.

O método científico é, portanto, a forma pela qual a ciência aumenta o conhecimento da Natureza e do Universo.

As características desse conhecimento são serem objetivas, confiáveis e verificáveis.

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método indutivo

O método científico consiste em dois grandes macrossetores.

Por um lado temos a coleta de evidências empíricas através de experimentos que devem ser reconduzidos a uma lógica teórica comum, por outro temos as hipóteses e teorias que devem estar de acordo com a realidade experimental.

Esse dualismo de alguma forma reflete a antiga divisão do raciocínio lógico entre o método indutivo e o método dedutivo. Enquanto Galileu fez uso particular do segundo, Bacon e Newton foram usuários frequentes do primeiro.

Vejamos brevemente as características dessas duas diferentes abordagens da ciência e do método científico e suas implicações em termos físicos e filosóficos.

O método indutivo foi o verdadeiro motor da física moderna e só entrou em crise muitos séculos depois, quando ficou claro que as teorias formuladas estavam em claro conflito entre si e com os dados experimentais.

O século XX trouxe uma grande transformação não só nas teorias elaboradas, mas também na abordagem da ciência, na explicação filosófica e lógica, bem como no método utilizado.

O método indutivo parte da observação empírica e termina na formalização de uma teoria, realizando uma série de etapas intermediárias.

A observação identifica as características do fenômeno físico e as mede com métodos reprodutíveis enquanto o experimento posterior programado pelo observador permite que essas características sejam detectadas.

Depois disso é necessário preparar uma análise da correlação entre as medições, manipulando os dados experimentais de forma a extrair deles o maior conteúdo de informação possível.

Esta correlação é o primeiro passo para a definição de um modelo físico que deve ser uma abstração do funcionamento real dado pelos resultados empíricos.

Deve-se dizer que os mesmos experimentos podem levar a diferentes modelos físicos e a qualidade de um modelo, comparado a outro, é dada pelo grau de precisão com que