o que é física - ernst w hamburger

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(Parte 1 de 7)

O QUE É FÍSICA Ernest W. Hamburger

Editora Brasiliense - 1992

Coleção Primeiros Passos Nº 131 ISBN 85-1-0131-5

Nunca a ciência foi tão importante, nunca os cientistas foram tão prestigiados, como a Física e os físicos após a 2a. Guerra Mundial. Tinham sido os principais responsáveis pelo desenvolvimento do radar inglês e americano, dos foguetes V-2 alemães e, finalmente, das bombas atômicas americanas jogadas no Japão. As verbas dos governos para pesquisas em Física Nuclear foram dadas generosamente em todos os países, a Física passou a ser assunto de segurança nacional e muitos físicos tornaram-se gerentes de grandes projetos de construção de aceleradores, de reatores ou de novas armas.

O povo que olhava maravilhado foi ficando assustado. O cientista distraído, filósofo, ingênuo, meio trapalhão, cabelos desarrumados, foi sendo substituído pelo jovem executivo, cabelo escovado, eficiente e preciso. Além de ajudar a fazer armas de guerra, os físicos passaram a ser importantes também na grande indústria: as companhias multinacionais fundaram grandes laboratórios de pesquisas eletrônicas, óticas, radiativas, para aperfeiçoar a fabricação de aparelhos elétricos, computadores, telefones e aumentar os lucros.

quádruploTodos tinham emprego e ganhavam bem.

Época de vacas gordas para os físicos como nunca houvera antes: laboratórios governamentais e particulares, universidades e institutos de pesquisas disputavam o contrato dos físicos mais cotados. O número de estudantes aumentou paras o dobro, triplo,

Mas o milagre acabou. A economia parou de crescer. Nos EUA, o presidente (Nixon) achou que não eram necessárias tantas verbas de pesquisa, nas grandes companhias que mantêm laboratórios também; não havia mais empregos para os formados. O número de estudantes diminuiu repentinamente, laboratórios foram fechados, aparelhos desmontados. A Física voltou a ser uma atividade mais acadêmica, menos industrial, gerencial ou técnica. Essas mudanças, iniciadas nos Estados Unidos, logo ocorreram também na Europa Ocidental.

Assim foi a trajetória dos físicos no pós-guerra: primeiro, supervalorizados e mimados, depois, relegados a um segundo plano pelos detentores do poder. Ainda há físicos que são íntimos dos poderosos, ligados à guerra, ao comércio e à indústria, mas a maioria exerce apenas atividades de estudo, ensino e pesquisa.

Os físicos pesquisam muitas coisas que têm aplicação na indústria, na guerra, na medicina, na engenharia, desde as reações nucleares em cadeia que ocorrem nos reatores nucleares e nas bombas, até o funcionamento de lasers e fibras óticas usadas em telecomunicações, passando por dispositivos semicondutores e circuitos integrados para a eletrônica, etc. Esse engajamento da física na produção é, entretanto, recente. Originariamente, a Física interessava principalmente aos filósofos naturais. Para entender o que è a Física hoje, precisamos lembrar como ela se iniciou.

Onde e como nasceu a Física? Seu início moderno é geralmente situado na revolução copernicana, isto é, no estabelecimento de novas idéias sobre o movimento dos astros, inclusive da Terra, que se deu a partir de Copérnico, de Kepler e de Galileu, no século XVII.

Tudo começou com o movimento das estrelas, que os homens observaram durante milhares e milhares de noites. Se olharmos o céu, vemos cada estrela, durante a noite, descrever um arco de circunferência tendo como centro o eixo da Terra. Todas as estrelas se movem juntas, como se estivessem incrustadas por dentro de uma grande esfera. Esta esfera celeste é que gira como um todo em volta de nós, fazendo uma volta completa em 24 horas. Na verdade, não são todas as estrelas que são fixas umas em relação às outras, como se tivessem incrustadas na abóbada celeste. O Sol e a Lua se movem em relação à abóbada, bem como alguns astros que chamamos planetas. Cinco planetas – Júpiter, Saturno, Marte, Vênus e Mercúrio – aparecem como se fossem estrelas brilhantes, e seus deslocamentos relativamente às estrelas fixas foram observados em detalhe durante séculos. Eles percorrem no céu trajetórias parecidas com as da Lua e do Sol, mas em um movimento mais complicado; a cada poucos meses sua velocidade diminui, param, voltam um pouco para trás, param novamente e depois retomam o caminho de leste para oeste.

A cada noite vemos a abóbada celeste girar em torno de nós, e no dia seguinte o Sol se move através do céu. Copérnico sustentou que não eram o Sol e as estrelas que se moviam, mas sim a Terra: a Terra gira sobre si mesma a cada 24 horas, em torno de seu eixo, e, além disso, dá uma grande volta em torno do Sol a cada 365 dias. A antiga teoria geocêntrica, que colocava a terra no centro do Universo, deveria ser substituída por uma teoria heliocêntrica, em que o Sol ocupava o centro. Levou um século para que a maioria dos filósofos naturais da época (hoje diríamos cientistas) se convencesse de que a teoria de Copérnico, apesar de manifestamente contrária à nossa intuição (é óbvio que as montanhas, as pedras, as casas estão paradas e que o Sol se move através do céu), é que estava certa. Hoje também o Sol foi desbancado do centro do Universo e foi relegado à condição de uma entre milhões de estrelas em uma galáxia de estrelas que, por sua vez, é uma entre milhares de galáxias visíveis no céu.

Acreditava-se que a posição das estrelas e dos planetas influi e determina o destino das pessoas. Era importante saber calcular as posições dos astros no futuro e também no passado, para se saber onde estavam quando certa pessoa nasceu e daí predizer o seu futuro. Até hoje muitas pessoas acreditam na Astrologia, que forneceu motivação inicial para a astronomia e para a própria Física. Para prever as posições futuras (e passadas) dos astros era necessário achar métodos matemáticos que descrevessem esse movimento.

Ptolomeu, o último grande astrônomo da astrônomo da Antiguidade, que viveu por volta do ano 140, propôs uma construção geométrica para determinar o movimento dos planetas: cada planeta P descreve uma circunferência em torno de um ponto C que, por sua vez, percorre outra circunferência em torno da Terra, que é fixa. P gira em volta de C que gira em volta de T. A trajetória de P chama-se epiciclóide. Quando vista da Terra, a trajetória aparece como uma linha reta percorrida de 1 para 2, para 3, para 4.

Os astrônomos gregos já conheciam, por volta do início da era cristã, métodos precisos para calcular as posições dos astros, utilizando construções geométricas baseadas sempre na composição de movimentos circulares centrados, em última análise, na Terra. A figura anterior mostra simplificadamente o método do grande astrônomo Ptolomeu, que viveu em Alexandria, no Egito.

Depois de Ptolomeu, o próximo grande passo para a compreensão dos céus demorou mil e quinhentos anos e foi dado por Kepler, que percebeu que a órbita de Marte não concordava exatamente com as previsões do método de Ptolomeu. Obteve acordo melhor, adotando a hipótese heliocêntrica de Copérnico e, além disso, postulando órbitas elípticas, e não circulares, em torno do Sol. Kepler hesitou muito em publicar sua descoberta (a obra saiu depois de sua morte), pois temia ser considerado herege pela Igreja, que, nesta época, adotara o geocentrismo como artigo de fé.

Galileu, contemporâneo de Kepler, foi punido justamente por defender publicamente o ponto de vista de Copérnico; foi forçado a abjurar essas idéias e terminou a vida, em 1642, confinado à sua casa. A contribuição de Galileu à Física foi ainda maior do que as de Kepler e de Copérnico. Enquanto estes dedicaram todos os seus esforços ao estudo dos movimentos dos astros no céu, Galileu utilizou os mesmos modos de raciocínio e de comparação, somados à matemática, para estudar também os movimentos dos corpos na terra e as suas propriedades. Aparecia pela primeira vez com clareza um método científico como é utilizado ainda hoje. Assim nascia a Física.

Entre os assuntos estudados por Galileu, vamos falar um pouco sobre a queda dos corpos. Quando deixo uma pedra cair, ou quando uma bala é disparada de um canhão, como se dá o movimento? Galileu realizou experimentos para descobrir a resposta. As pedras caem depressa demais para serem observadas em detalhe. Então ele teve a idéia de observar o movimento de uma bola que rola ao longo de uma rampa: para rampas pouco inclinadas, quase horizontais, o movimento é lento e pode ser medido, mesmo com os instrumentos toscos de que Galileu dispunha. Para medir o tempo decorrido, por exemplo, media a quantidade de água escorrida de uma bica com vazão constante: não existiam ainda relógios (em suas primeiras investigações, Galileu usou como “relógio” o seu próprio pulso, o que é ainda menos preciso do que o escoamento da água). Galileu descobriu um fato importante, ao examinar as bolas rolando pelas rampas: a velocidade da bola aumenta, à medida que ela desce, em ritmo constante. Durante o tempo que a água leva para encher um copo, o aumento de velocidade é sempre o mesmo, seja quando a bola está no início do movimento, seja no fim, quando sua velocidade já é grande. Ele criou então um conceito novo: além da velocidade e da posição de um corpo em movimento, devemos observar também o ritmo de variação da velocidade, que hoje chamamos de aceleração. A aceleração de um corpo é quando a velocidade do corpo varia (aumenta ou diminui) durante uma unidade de tempo (por exemplo, um segundo). Uma bola em uma rampa pouco inclinada tem aceleração pequena, isto é, sua velocidade aumenta devagar. Quanto mais inclinada a rampa, tanto maior a aceleração, Istoé, tanto mais rapidamente aumenta a velocidade. Mas para cada rampa existe um só valor de aceleração, que se mantém constante desde o início, no alto, até a bola atingir o ponto mais baixo, e que é o mesmo para todas as bolas, de diferentes pesos e tamanhos.

Galileu imaginou que este fato – a constância da aceleração – valesse também para rampas muitos inclinadas, quase verticais, em que o movimento era rápido demais para se poder medi-lo, e até mesmo no caso limite, vertical, em que a bola cai livremente. Uma bola que cai livremente tem, portanto, uma aceleração constante durante a queda, e esta aceleração é a mesma para todas as bolas, independente do seu tamanho e de seu peso. Mas uma bola não cai diferentemente de uma pedra, de um pedaço de madeira, ou de um outro corpo qualquer. Assim, qualquer corpo cai sempre, segundo Galileu, com a mesma aceleração.

Conseqüência disto é que, se soltarmos dois corpos diferentes (um pesado, outro mais leve), simultaneamente de uma mesma altura, eles atingem juntos o chão.

Galileu diz que soltou simultaneamente uma bala de canhão e uma bala de mosquete do alto de uma torre, e que as duas chegaram juntas ao chão – mas há dúvidas se realmente ele realizou este experimento. Em todo caso, hoje sabemos que chegam mesmo. Na época era aceita a doutrina do filósofo grego Aristóteles, que afirmava que os corpos pesados caem mais depressa que os leves, proporcionalmente ao seu peso. Além de argumentos experimentais, Galileu refutou a tese de Aristóteles também com raciocínios teóricos, mostrando que levava a previsões contraditórias. É interessante reproduzir o pensamento de Galileu, pois foi o primeiro exemplo do que os alemães chamam de Gedankenexperiment, o que quer dizer experimento no pensamento, isto é, imagina-se o que ocorreria em certa situação e analisa-se o resultado. Trezentos anos mais tarde, Albert Einstein utilizou muitas vezes este expediente, em seus estudos da Teoria da Relatividade.

Imagine duas pedras, uma grande e uma pequena. Se forem soltas, e se Aristóteles estivesse certo, a grande cairia mais depressa do que a pequena. Agora suponha que a pedra pequena é amarrada em cima da grande, de modo que ambas formem um corpo só. Este corpo será mais pesado do que a pedra pesada e, portanto, cairá mais depressa do que um das pedras separadamente. Parece que a pedra pequena, amarrada sobre a grande, pressiona esta para baixo, fazendo-a cair mais depressa. Entretanto, a pedra menor, se estivesse sozinha, cairia mais devagar do que a grande, e, portanto, não deve pressioná-la, mas, antes, retardá-la. Reciprocamente, a pedra grande sozinha cairia mais depressa do que a pequena, e deve, portanto, puxar esta por meio do amarrio. Por estes raciocínios, o corpo formado pelas duas pedras deveria cair com velocidade intermediária entre a da pedra grande e a da pequena. A afirmação de Aristóteles leva, portanto, a duas previsões contraditórias entre si e não pode ser verdadeira.

Galileu é considerado o fundador da Física moderna, pois utilizou pela primeira vez a combinação de raciocínio teórico e observação experimental que caracteriza a Física até hoje, mas não chegou a formular uma teoria completa do movimento. Isso foi feito pelas gerações seguintes de filósofos naturais e astrônomos e culminou com o trabalho de Isaac Newton. Newton percebeu que podia explicar as órbitas elípticas dos planetas se imaginasse que há uma força, a gravitação, que atrai cada planeta para o Sol, com intensidade inversamente proporcional ao quadrado da distância entre dois corpos. Além disso, Newton admitiu que um corpo que não está sujeito a nenhuma força não tem aceleração, isto é, mantém a mesma velocidade (em valor e em direção) como tinha no início do movimento: a velocidade de um corpo só pode mudar se ele sofrer ação de uma força, devido a outro corpo.

Quando existe uma força aplicada a um corpo, ela provoca mudanças de velocidade tanto maiores quanto mais intensa for, e quanto mais leve for o corpo.

A Lei da Gravitação, de Newton, pode ser representada matematicamente pela equação:

que significa que a força F que o Sol exerce sobre um planeta P aumenta proporcionalmente à massa Ms do Sol e diminui proporcionalmente ao quadrado da distância d entre o Sol e o planeta.A letra G representa um valor numérico constante pelo qual devemos multiplicar a fração 2d MMSP para obter o valor de F. Na equação acima, falta dizer qual é a direção da força: é uma força que puxa o planeta para o Sol; na figura, a seta indicada por Fr representa a força.

Outra lei de Newton diz que aceleração uma força produz, e pode ser resumida pela equação amFsr.=, o que significa que para produzir uma aceleração em um corpo de massa m é necessário aplicar uma força Fr que é igual ao produto de m por a. As setas nos símbolos F e a significam que força e aceleração têm, cada uma, direção bem definida, e a equação diz que ambas têm a mesma direção. Por exemplo, se certa força produz em um corpo de 1 kg uma aceleração de 2 metros por segundo, então a mesma força aplicada a um outro corpo maior, de 2 kg, produzirá uma aceleração menor, de um metro por segundo. Por outro lado, se quisermos obter uma aceleração maior, por exemplo, de 4 metros por segundo, a cada segundo, precisaremos aplicar a cada corpo uma força proporcionalmente maior: dupla para o primeiro corpo de 1 kg e quádrupla para o de 2 kg.

As leis de Newton não dizem nada sobre a trajetória dos planetas, mas a partir delas pode-se deduzir matematicamente que os planetas devem ter órbitas elípticas em torno do Sol; pode-se deduzir também, matematicamente, qual a sua velocidade ao longo do trajeto, obtendo-se assim, pelo cálculo, resultados que são iguais às observações astronômicas.

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