1.1: Física - Uma introdução

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique a diferença entre um princípio e uma lei.
• Explique a diferença entre um modelo e uma teoria.

O universo físico é extremamente complexo em seus detalhes. Todos os dias, cada um de nós observa uma grande variedade de objetos e fenômenos. Ao longo dos séculos, a curiosidade da raça humana nos levou coletivamente a explorar e catalogar uma enorme riqueza de informações. Do voo dos pássaros às cores das flores, do raio à gravidade, dos quarks aos aglomerados de galáxias, do fluxo do tempo ao mistério da criação do universo, fizemos perguntas e reunimos uma enorme variedade de fatos. Diante de todos esses detalhes, descobrimos que um conjunto surpreendentemente pequeno e unificado de leis físicas pode explicar o que observamos. Como humanos, fazemos generalizações e buscamos ordem. Descobrimos que a natureza é extremamente cooperativa — ela exibe a ordem e a simplicidade subjacentes que tanto valorizamos.

Figura\(\PageIndex{1}\): As formações de voo de aves migratórias, como os gansos canadenses, são regidas pelas leis da física. (crédito: David Merrett)

É a ordem subjacente da natureza que torna a ciência em geral, e a física em particular, tão agradáveis de estudar. Por exemplo, o que um saco de batatas fritas e uma bateria de carro têm em comum? Ambos contêm energia que pode ser convertida em outras formas. A lei de conservação de energia (que diz que a energia pode mudar de forma, mas nunca é perdida) une tópicos como calorias alimentares, baterias, calor, luz e molas de relógio. Entender essa lei torna mais fácil aprender sobre as várias formas que a energia assume e como elas se relacionam umas com as outras. Tópicos aparentemente não relacionados estão conectados por meio de leis físicas amplamente aplicáveis, permitindo uma compreensão além da memorização de listas de fatos.

O aspecto unificador das leis físicas e a simplicidade básica da natureza formam os temas subjacentes deste texto. Ao aprender a aplicar essas leis, é claro que você estudará os tópicos mais importantes da física. Mais importante ainda, você obterá habilidades analíticas que lhe permitirão aplicar essas leis muito além do escopo do que pode ser incluído em um único livro. Essas habilidades analíticas ajudarão você a se destacar academicamente e também a pensar criticamente em qualquer carreira profissional que você escolher seguir. Este módulo discute o reino da física (para definir o que é física), algumas aplicações da física (para ilustrar sua relevância para outras disciplinas) e, mais precisamente, o que constitui uma lei física (para esclarecer a importância da experimentação para a teoria).

Ciência e o reino da física

A ciência consiste nas teorias e leis que são as verdades gerais da natureza, bem como no conjunto de conhecimentos que elas abrangem. Os cientistas estão continuamente tentando expandir esse corpo de conhecimento e aperfeiçoar a expressão das leis que o descrevem. A física se preocupa em descrever as interações de energia, matéria, espaço e tempo, e está especialmente interessada em quais mecanismos fundamentais estão por trás de cada fenômeno. A preocupação em descrever os fenômenos básicos da natureza define essencialmente o reino da física.

A física visa descrever a função de tudo ao nosso redor, desde o movimento de pequenas partículas carregadas até o movimento de pessoas, carros e naves espaciais. Na verdade, quase tudo ao seu redor pode ser descrito com bastante precisão pelas leis da física. Considere um smartphone (Figura\(\PageIndex{2}\)). A física descreve como a eletricidade interage com os vários circuitos dentro do dispositivo. Esse conhecimento ajuda os engenheiros a selecionar os materiais e o layout do circuito apropriados ao construir o smartphone. Em seguida, considere um sistema GPS. A física descreve a relação entre a velocidade de um objeto, a distância pela qual ele viaja e o tempo necessário para percorrer essa distância. Quando você usa um dispositivo GPS em um veículo, ele utiliza essas equações físicas para determinar o tempo de viagem de um local para outro.

Figura\(\PageIndex{2}\): O “iPhone” da Apple é um smartphone comum com função GPS. A física descreve a forma como a eletricidade flui pelos circuitos desse dispositivo. Os engenheiros usam seus conhecimentos de física para construir um iPhone com recursos que os consumidores vão gostar. Um recurso específico de um iPhone é a função GPS. O GPS usa equações físicas para determinar o tempo de viagem entre dois locais em um mapa. (crédito: @gletham GIS, Social, Mobile Tech Images)

Aplicações da Física

Você não precisa ser um cientista para usar a física. Pelo contrário, o conhecimento da física é útil em situações cotidianas, bem como em profissões não científicas. Isso pode ajudá-lo a entender como os fornos de microondas funcionam, por que os metais não devem ser colocados neles e por que eles podem afetar os marca-passos (figuras\(\PageIndex{3}\) e\(\PageIndex{4}\)). A física permite que você entenda os perigos da radiação e avalie racionalmente esses perigos com mais facilidade. A física também explica a razão pela qual um radiador de carro preto ajuda a remover o calor do motor de um carro e explica por que um teto branco ajuda a manter o interior de uma casa fresco. Da mesma forma, a operação do sistema de ignição de um carro, bem como a transmissão de sinais elétricos pelo sistema nervoso do nosso corpo, são muito mais fáceis de entender quando você pensa sobre eles em termos de física básica.

Figura\(\PageIndex{3}\): As leis da física nos ajudam a entender como os aparelhos comuns funcionam. Por exemplo, as leis da física podem ajudar a explicar como os fornos de microondas aquecem os alimentos e também nos ajudam a entender por que é perigoso colocar objetos de metal em um forno de microondas. (crédito: MoneyBlogNewz)

Figura\(\PageIndex{4}\): Essas duas aplicações da física têm mais em comum do que aparenta. Os fornos de microondas usam ondas eletromagnéticas para aquecer os alimentos. A ressonância magnética (MRI) também usa ondas eletromagnéticas para produzir uma imagem do cérebro, a partir da qual a localização exata dos tumores pode ser determinada. (crédito: Rashmi Chawla, Daniel Smith e Paul E. Marik)

A física é a base de muitas disciplinas importantes e contribui diretamente para outras. A química, por exemplo, já que lida com as interações de átomos e moléculas, está enraizada na física atômica e molecular. A maioria dos ramos da engenharia é física aplicada. Na arquitetura, a física está no centro da estabilidade estrutural e está envolvida na acústica, aquecimento, iluminação e resfriamento de edifícios. Partes da geologia dependem muito da física, como datação radioativa de rochas, análise de terremotos, e transferência de calor na Terra. Algumas disciplinas, como biofísica e geofísica, são híbridas de física e outras disciplinas.

A física tem muitas aplicações nas ciências biológicas. No nível microscópico, ajuda a descrever as propriedades das paredes celulares e das membranas celulares (Figuras\(\PageIndex{5}\) e\(\PageIndex{6}\)). No nível macroscópico, ele pode explicar o calor, o trabalho e a potência associados ao corpo humano. A física está envolvida em diagnósticos médicos, como raios-X, ressonância magnética (ressonância magnética) e medições ultrassônicas do fluxo sanguíneo. A terapia médica às vezes envolve diretamente a física; por exemplo, a radioterapia do câncer usa radiação ionizante. A física também pode explicar fenômenos sensoriais, como a forma como os instrumentos musicais emitem som, como o olho detecta a cor e como os lasers podem transmitir informações.

Não é necessário estudar formalmente todas as aplicações da física. O que é mais útil é o conhecimento das leis básicas da física e a habilidade nos métodos analíticos para aplicá-las. O estudo da física também pode melhorar suas habilidades de resolução de problemas. Além disso, a física manteve os aspectos mais básicos da ciência, por isso é usada por todas as ciências, e o estudo da física torna outras ciências mais fáceis de entender.

Figura\(\PageIndex{5}\): Física, química e biologia ajudam a descrever as propriedades das paredes celulares nas células vegetais, como as células da cebola vistas aqui. (crédito: Umberto Salvagnin)

Figura\(\PageIndex{6}\): Uma versão artística da estrutura de uma membrana celular. As membranas formam os limites das células animais e são complexas em estrutura e função. Muitas das propriedades mais fundamentais da vida, como o disparo de células nervosas, estão relacionadas às membranas. As disciplinas de biologia, química e física nos ajudam a entender as membranas das células animais. (crédito: Mariana Ruiz)

Modelos, teorias e leis; o papel da experimentação

As leis da natureza são descrições concisas do universo ao nosso redor; são declarações humanas das leis ou regras subjacentes que todos os processos naturais seguem. Essas leis são intrínsecas ao universo; os humanos não as criaram e, portanto, não podem mudá-las. Só podemos descobri-los e compreendê-los. Sua descoberta é um empreendimento muito humano, com todos os elementos de mistério, imaginação, luta, triunfo e decepção inerentes a qualquer esforço criativo (Figuras\(\PageIndex{7}\) e\(\PageIndex{8}\)). A pedra angular da descoberta das leis naturais é a observação; a ciência deve descrever o universo como ele é, não como podemos imaginar que seja.

Figura\(\PageIndex{8}\): Marie Curie (1867-1934) sacrificou ativos monetários para ajudar a financiar suas primeiras pesquisas e prejudicou seu bem-estar físico com a exposição à radiação. Ela é a única pessoa a ganhar prêmios Nobel em física e química. Uma de suas filhas também ganhou o Prêmio Nobel. (crédito: Wikimedia Commons)

Todos nós somos curiosos até certo ponto. Olhamos em volta, fazemos generalizações e tentamos entender o que vemos. Por exemplo, olhamos para cima e nos perguntamos se um tipo de nuvem sinaliza uma tempestade que se aproxima. À medida que levamos a sério a exploração da natureza, nos tornamos mais organizados e formais na coleta e análise de dados. Tentamos maior precisão, realizamos experimentos controlados (se pudermos) e escrevemos ideias sobre como os dados podem ser organizados e unificados. Em seguida, formulamos modelos, teorias e leis com base nos dados que coletamos e analisamos para generalizar e comunicar os resultados desses experimentos.

Um modelo é uma representação de algo que geralmente é muito difícil (ou impossível) de ser exibido diretamente. Embora um modelo seja justificado com provas experimentais, ele só é preciso em situações limitadas. Um exemplo é o modelo planetário do átomo no qual os elétrons são retratados orbitando o núcleo, análogo à forma como os planetas orbitam o Sol. (Veja a Figura 9.) Não podemos observar as órbitas dos elétrons diretamente, mas a imagem mental ajuda a explicar as observações que podemos fazer, como a emissão de luz de gases quentes (espectros atômicos). Os físicos usam modelos para diversas finalidades. Por exemplo, os modelos podem ajudar os físicos a analisar um cenário e realizar um cálculo, ou podem ser usados para representar uma situação na forma de uma simulação computacional. Uma teoria é uma explicação para padrões na natureza que é apoiada por evidências científicas e verificada várias vezes por vários grupos de pesquisadores. Algumas teorias incluem modelos para ajudar a visualizar fenômenos, enquanto outras não. A teoria da gravidade de Newton, por exemplo, não requer um modelo ou imagem mental, pois podemos observar os objetos diretamente com nossos próprios sentidos. A teoria cinética dos gases, por outro lado, é um modelo no qual um gás é visto como composto de átomos e moléculas. Átomos e moléculas são muito pequenos para serem observados diretamente com nossos sentidos — portanto, nós os imaginamos mentalmente para entender o que nossos instrumentos nos dizem sobre o comportamento dos gases.

Uma lei usa uma linguagem concisa para descrever um padrão generalizado na natureza que é apoiado por evidências científicas e experimentos repetidos. Muitas vezes, uma lei pode ser expressa na forma de uma única equação matemática. As leis e teorias são semelhantes, pois ambas são declarações científicas que resultam de uma hipótese testada e são apoiadas por evidências científicas. No entanto, a lei de designação é reservada para uma declaração concisa e muito geral que descreve fenômenos na natureza, como a lei de que a energia é conservada durante qualquer processo, ou a segunda lei do movimento de Newton, que relaciona força, massa e aceleração pela equação simples

\[F =ma.\]

Uma teoria, em contraste, é uma afirmação menos concisa dos fenômenos observados. Por exemplo, a Teoria da Evolução e a Teoria da Relatividade não podem ser expressas de forma concisa o suficiente para serem consideradas uma lei. A maior diferença entre uma lei e uma teoria é que uma teoria é muito mais complexa e dinâmica. Uma lei descreve uma única ação, enquanto uma teoria explica todo um grupo de fenômenos relacionados. E, enquanto uma lei é um postulado que forma a base do método científico, uma teoria é o resultado final desse processo.

Declarações menos amplamente aplicáveis são geralmente chamadas de princípios (como o princípio de Pascal, que é aplicável somente em fluidos), mas a distinção entre leis e princípios geralmente não é feita com cuidado.

Figura\(\PageIndex{9}\): O que é um modelo? Esse modelo planetário do átomo mostra elétrons orbitando o núcleo. É um desenho que usamos para formar uma imagem mental do átomo que não podemos ver diretamente com nossos olhos porque é muito pequeno.

MODELOS, TEORIAS E LEIS

Modelos, teorias e leis são usados para ajudar os cientistas a analisar os dados que eles já coletaram. No entanto, muitas vezes depois que um modelo, teoria ou lei foi desenvolvido, ele aponta os cientistas para novas descobertas que, de outra forma, não teriam feito.

Os modelos, teorias e leis que criamos às vezes implicam na existência de objetos ou fenômenos ainda não observados. Essas previsões são triunfos e homenagens notáveis ao poder da ciência. É a ordem subjacente do universo que permite aos cientistas fazer previsões tão espetaculares. No entanto, se o experimento não verificar nossas previsões, a teoria ou a lei estão erradas, por mais elegante ou conveniente que sejam. As leis nunca podem ser conhecidas com absoluta certeza porque é impossível realizar todos os experimentos imagináveis para confirmar uma lei em todos os cenários possíveis. Os físicos operam sob a suposição de que todas as leis e teorias científicas são válidas até que um contra-exemplo seja observado. Se um experimento verificável e de boa qualidade contradiz uma lei bem estabelecida, a lei deve ser modificada ou derrubada completamente.

O estudo da ciência em geral e da física em particular é uma aventura muito parecida com a exploração de oceanos desconhecidos. Descobertas são feitas; modelos, teorias e leis são formuladas; e a beleza do universo físico se torna mais sublime com os insights adquiridos.

O MÉTODO CIENTÍFICO

À medida que os cientistas investigam e coletam informações sobre o mundo, eles seguem um processo chamado método científico. Esse processo normalmente começa com uma observação e uma pergunta que o cientista pesquisará. Em seguida, o cientista normalmente realiza algumas pesquisas sobre o tópico e, em seguida, elabora uma hipótese. Em seguida, o cientista testará a hipótese realizando um experimento. Por fim, o cientista analisa os resultados do experimento e tira uma conclusão. Observe que o método científico pode ser aplicado a muitas situações que não se limitam à ciência, e esse método pode ser modificado para se adequar à situação.

Considere um exemplo. Digamos que você tente ligar o carro, mas ele não liga. Sem dúvida, você se pergunta: por que o carro não liga? Você pode seguir um método científico para responder a essa pergunta. Primeiramente, você pode realizar algumas pesquisas para determinar uma variedade de razões pelas quais o carro não dá partida. Em seguida, você declarará uma hipótese. Por exemplo, você pode acreditar que o carro não está dando partida porque não tem óleo de motor. Para testar isso, você abre o capô do carro e examina o nível do óleo. Você observa que o óleo está em um nível aceitável e, portanto, conclui que o nível do óleo não está contribuindo para o problema do seu carro. Para resolver ainda mais o problema, você pode criar uma nova hipótese para testar e repetir o processo novamente.

A evolução da filosofia natural para a física moderna

A física nem sempre foi uma disciplina separada e distinta. Ele permanece conectado a outras ciências até hoje. A palavra física vem do grego, significando natureza. O estudo da natureza passou a ser chamado de “filosofia natural”. Desde os tempos antigos até o Renascimento, a filosofia natural abrangeu muitos campos, incluindo astronomia, biologia, química, física, matemática e medicina. Nos últimos séculos, o crescimento do conhecimento resultou na crescente especialização e ramificação da filosofia natural em campos separados, com a física mantendo as facetas mais básicas (Figuras\(\PageIndex{10}\) -Figura\(\PageIndex{12}\)). A física que se desenvolveu do Renascimento até o final do século XIX é chamada de física clássica. Foi transformado em física moderna por descobertas revolucionárias feitas a partir do início do século XX.

Figura\(\PageIndex{12}\): Niels Bohr (1885-1962) fez contribuições fundamentais para o desenvolvimento da mecânica quântica, uma parte da física moderna. (crédito: Divisão de Impressões e Fotografias da Biblioteca do Congresso dos Estados Unidos)

A física clássica não é uma descrição exata do universo, mas é uma excelente aproximação nas seguintes condições: a matéria deve estar se movendo a velocidades inferiores a cerca de 1% da velocidade da luz, os objetos tratados devem ser grandes o suficiente para serem vistos com um microscópio e apenas campos gravitacionais fracos , como o campo gerado pela Terra, podem estar envolvidos. Como os humanos vivem sob tais circunstâncias, a física clássica parece intuitivamente razoável, enquanto muitos aspectos da física moderna parecem bizarros. É por isso que os modelos são tão úteis na física moderna — eles nos permitem conceituar fenômenos que normalmente não experimentamos. Podemos nos relacionar com modelos em termos humanos e visualizar o que acontece quando objetos se movem em alta velocidade ou imaginar como seriam objetos pequenos demais para observar com nossos sentidos. Por exemplo, podemos entender as propriedades de um átomo porque podemos imaginá-lo em nossas mentes, embora nunca tenhamos visto um átomo com nossos olhos. As novas ferramentas, é claro, nos permitem retratar melhor os fenômenos que não podemos ver. Na verdade, a nova instrumentação nos permitiu, nos últimos anos, realmente “imaginar” o átomo.

LIMITES DAS LEIS DA FÍSICA CLÁSSICA

Para que as leis da física clássica se apliquem, os seguintes critérios devem ser atendidos: a matéria deve estar se movendo a velocidades inferiores a cerca de 1% da velocidade da luz, os objetos tratados devem ser grandes o suficiente para serem vistos com um microscópio e somente campos gravitacionais fracos (como o campo gerado pela Terra) podem ser envolvido.

Figura\(\PageIndex{13}\): Usando um microscópio de tunelamento de varredura (STM), os cientistas podem ver os átomos individuais que compõem essa folha de ouro. (crédito: Erwinrossen)

Alguns dos avanços mais espetaculares da ciência foram feitos na física moderna. Muitas das leis da física clássica foram modificadas ou rejeitadas, e resultaram em mudanças revolucionárias na tecnologia, na sociedade e em nossa visão do universo. Como a ficção científica, a física moderna está repleta de objetos fascinantes além de nossas experiências normais, mas tem a vantagem sobre a ficção científica de ser muito real. Por que, então, a maior parte desse texto é dedicada a tópicos da física clássica? Há duas razões principais: a física clássica fornece uma descrição extremamente precisa do universo sob uma ampla gama de circunstâncias cotidianas, e o conhecimento da física clássica é necessário para entender a física moderna.

A física moderna em si consiste em duas teorias revolucionárias, a relatividade e a mecânica quântica. Essas teorias lidam com o muito rápido e o muito pequeno, respectivamente. A relatividade deve ser usada sempre que um objeto estiver viajando a mais de 1% da velocidade da luz ou experimenta um campo gravitacional forte, como o próximo ao Sol. A mecânica quântica deve ser usada para objetos menores do que podem ser vistos com um microscópio. A combinação dessas duas teorias é a mecânica quântica relativista e descreve o comportamento de pequenos objetos viajando em altas velocidades ou experimentando um forte campo gravitacional. A mecânica quântica relativista é a melhor teoria universalmente aplicável que temos. Devido à sua complexidade matemática, ele é usado somente quando necessário, e as outras teorias são usadas sempre que produzem resultados suficientemente precisos. No entanto, descobriremos que podemos fazer uma grande parte da física moderna com a álgebra e a trigonometria usadas neste texto.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Um amigo diz que aprendeu sobre uma nova lei da natureza. O que você pode saber sobre as informações antes mesmo de seu amigo descrever a lei? Como as informações seriam diferentes se seu amigo lhe dissesse que aprendeu sobre uma teoria científica em vez de uma lei?

Resposta

Sem conhecer os detalhes da lei, você ainda pode inferir que as informações que seu amigo aprendeu estão em conformidade com os requisitos de todas as leis da natureza: será uma descrição concisa do universo ao nosso redor; uma declaração das regras subjacentes que todos os processos naturais seguem. Se a informação fosse uma teoria, você seria capaz de inferir que a informação será uma generalização em grande escala e amplamente aplicável.

EXPLORAÇÕES PHET: EQUATION GRAPHER

Saiba mais sobre a representação gráfica de polinômios. A forma da curva muda à medida que as constantes são ajustadas. Visualize as curvas dos termos individuais (por exemplo\(y=bx\)) para ver como elas se somam para gerar a curva polinomial.

Resumo

• A ciência busca descobrir e descrever a ordem e a simplicidade subjacentes na natureza.
• A física é a mais básica das ciências, preocupando-se com energia, matéria, espaço e tempo e suas interações.
• As leis e teorias científicas expressam as verdades gerais da natureza e o conjunto de conhecimentos que elas abrangem. Essas leis da natureza são regras que todos os processos naturais parecem seguir.

Glossário

física clássica

física que foi desenvolvida desde o Renascimento até o final do século XIX

física

a ciência preocupada em descrever as interações de energia, matéria, espaço e tempo; está especialmente interessada em quais mecanismos fundamentais estão por trás de cada fenômeno

modelo

representação de algo que geralmente é muito difícil (ou impossível) de exibir diretamente

teoria

uma explicação para padrões na natureza que é apoiada por evidências científicas e verificada várias vezes por vários grupos de pesquisadores

lei

uma descrição, usando uma linguagem concisa ou uma fórmula matemática, um padrão generalizado na natureza que é apoiado por evidências científicas e experimentos repetidos

método científico

um método que normalmente começa com uma observação e uma pergunta que o cientista pesquisará; em seguida, o cientista normalmente realiza algumas pesquisas sobre o tópico e, em seguida, cria uma hipótese; em seguida, o cientista testará a hipótese realizando um experimento; finalmente, o cientista analisa o resultados do experimento e tira uma conclusão

física moderna

o estudo da relatividade, mecânica quântica ou ambos

relatividade

o estudo de objetos que se movem a velocidades superiores a cerca de 1% da velocidade da luz, ou de objetos sendo afetados por um forte campo gravitacional

mecânica quântica

o estudo de objetos menores do que podem ser vistos com um microscópio