Lições de Física de Feynman Volume 4 Dicas de Física Richard P. Feynman português

Lições de Física de Feynman Volume 4 Dicas de Física Richard P. Feynman português

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F435d Feynman, Richard P.

Dicas de física de Feynman [recurso eletrônico] : suplemento para a resolução de problemas do Lectures on Physics / Richard P. Feynman, Michael A. Gottlieb, Ralph Leighton ; tradução José Eduardo Padilha de Sousa. – Dados eletrônicos. – Porto Alegre : Bookman, 2008.

Editado também como livro impresso em 2008. ISBN 978-85-7780-324-8

1. Física. I. Gottlieb, Michael A. I. Leighton, Ralph. II. Título.

CDU 53 Catalogação na publicação: Mônica Ballejo Canto – CRB 10/1023.

Tradução:

José Eduardo Padilha de Sousa Mestre em Física pela Universidade de São Paulo

Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição:

Adalberto Fazzio

Doutor em Física pela Universidade de São Paulo Professor Titular da Universidade de São Paulo Membro da Academia Brasileira de Ciências

Richard P. Feynman

Michael A. Gottlieb Ralph Leighton

A origem da série, por Matthew Sands

Exercícios e respostas por Robert B. Leighton e Rochus E. Vogt

Versão impressa desta obra: 2008

Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED EDITORA S. A. (BOOKMAN COMPANHIA EDITORA é uma divisão da ARTMED EDITORA S.A.) Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070

É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora.

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Obra originalmente publicada sob o título The Feynman Lectures on Physics: The Defi nitive and Extended Edition, 2nd Edition

ISBN 0-8053-9045-6

Authorized translation from the English language edition, entitled THE FEYNMAN LECTURES ON PHYSICS, THE DEFINITIVE AND EXTENDED EDITION, 2nd Edition by FEYNMAN, RICHARD P.; LEIGHTON, ROBERT B.; SANDS, MATTHEW, published by Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2006. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc.

Portuguese language edition published by Bookman Companhia Editora Ltda., a Division of Artmed Editora S.A., Copyright © 2008

Tradução autorizada a partir do original em língua inglesa da obra intitulada THE FEYNMAN LECTURES ON PHYSICS, THE DEFINITIVE AND EXTENDED EDITION, 2ª EDIÇÃO de autoria de FEYNMAN, RICHARD P.; LEIGHTON, ROBERT B.; SANDS, MATTHEW; publicado por Pearson Education, Inc., sob o selo de Benjamin Cummings, Copyright © 2006. Todos os direitos reservados. Este livro não poderá ser reproduzido nem em parte nem na íntegra, nem ter partes ou sua íntegra armazenado em qualquer meio, seja mecânico ou eletrônico, inclusive fotorreprografação, sem permissão da Pearson Education, Inc.

A edição em língua portuguesa desta obra é publicada por Bookman Companhia Editora Ltda., uma divisão da Artmed Editora S.A., Copyright © 2008

Capa: Gustavo Demarchi, arte sobre capa original Preparação de original: Mônica Zardo Supervisão editorial: Arysinha Jacques Affonso e Denise Weber Nowaczyk Editoração eletrônica: Techbooks

Gostaríamos de expressar nossos sinceros agradecimentos a todos que fi zeram esse livro possível, especialmente:

Thomas Tombrello, presidente da divisão de Física, Matemática e Astronomia, por aprovar esse projeto nos interesses do Caltech, e Carl e Michele Feynman, fi lhos de Richard Feynman, pela permissão de publicar as lições de seu pai neste livro;

Matthew Sands, por sua sabedoria, conhecimento, comentários construtivos e sugestões;

Michael Hartl, por sua revisão minuciosa do manuscrito e por seu zelo com a errata nos Lições de Física de Feynman;

Rochus E. Vogt, por seus problemas engenhosos e respostas nos Exercícios de Física Introdutória, e por sua permissão do uso deles neste volume;

John Neer, pelos arquivos documentando as aulas de Feynman na Corporação de Aviação de Hughes, e por compartilhar tais notas conosco;

Helen Tuck, secretária do Feynman por muitos anos, pelo seu estímulo e apoio;

Adam Black, Editor Chefe para Ciências Físicas na Addison-Wesley, pelo seu entusiasmo e perseverança em editar este livro para a publicação, e

Kip Thorne, pela sua simpatia e pelo incansável trabalho assegurando a confi ança e o apoio de todos os envolvidos, e por supervisionar nosso trabalho.

Agradecimentos

Em um solitário posto de observação no alto da fronteira do Himalaia, Ramaswamy Balasubramanian observava através de seu binóculo os soldados da Libertação Popular Armada (People’s Liberation Army – PLA) aquartelados no Tibet, que por sua vez também o estavam observando através de seus telescópios. A tensão entre a Índia e a China era grande desde 1962, quando os dois países lutaram pela fronteira. Os soldados da PLA, sabendo que eram observados, insultaram Balasubramanian e seus companheiros, os soldados indianos, agitando desafi adoramente no ar os seus pequenos livros de bolso, cópias vermelho-luminosas do Quotations from Chairman Mao – mais conhecido no ocidente como Pequeno Livro Vermelho de Mao.

Balasubramanian, um recruta estudante de física nas horas vagas, cansou de tais insultos. Assim, um dia, ele voltou ao seu posto de observação preparado para revidar de forma conveniente. Logo que os soldados da PLA começaram novamente a balançar no ar o Pequeno Livro Vermelho de Mao, ele e outros dois soldados indianos tomaram em suas mãos e seguraram bem no alto os três volumes grandes e vermelhos The Feynman Lectures on Physics.

Um dia, recebi uma carta do senhor Balasubramanian. Ela foi uma dentre as milhares de cartas que recebi ao longo dos anos, descrevendo o impacto que Richard Feynman havia causado na vida das pessoas. Depois de narrar o incidente dos “livros vermelhos” na fronteira Sino-Índia, ele escreveu: “Agora, vinte anos depois, aqueles livros vermelhos ainda são lidos?”.

De fato, hoje, mais de quarenta anos depois de sua publicação, The Feynman Lectures on Physics ainda são lidos – e ainda inspiram as pessoas – mesmo no Tibet, eu suspeito.

Alguns anos atrás eu conheci Michael Gottlieb em uma festa onde o anfi trião estava apresentando em uma tela de computador as implicações harmônicas de um tenor – tipo de evento que torna a vida em São Francisco muito mais divertida.

Gottlieb estudou matemática e era muito interessado em física. Sugeri então que ele lesse The Feynman Lectures on Physics – e quase um ano depois, ele dedicou seis meses

Prefácio da sua vida para ler os livros com muito cuidado, do início ao fi m. Como Gottlieb descreve na sua introdução, isso acabou levando ao livro que você está lendo agora, e a um novo, a Edição Defi nitiva dos Lições de Física de Feynman.

Portanto, fi co feliz em saber que as pessoas interessadas em física em todo o mundo podem agora estudar, com a adição desse volume suplementar, em uma edição mais correta e completa do Lições de Física de Feynman – um trabalho monumental que irá continuar informando e inspirando estudantes por muitas décadas, quer seja nos subúrbios de Manhattan ou nos altos Himalaias.

Ralph Leighton 1 de maio de 2005 viii PREFÁCIO

Sumário

Introdução 13

As Origens de Lições de Física de Feynman POR MATTHEW SANDS 17

1 Pré-requisitos REVISÃO LIÇÃO A

1.1 Introdução à revisão das lições 29 1.2 A verdade sobre o Caltech 30 1.3 Matemática para físicos 32 1.4 Diferenciação 3 1.5 Integração 36 1.6 Vetores 37 1.7 Diferenciando vetores 43 1.8 Integrais de linha 45 1.9 Um exemplo simples 47 1.10 Triangulação 52

2 Leis e Intuições REVISÃO LIÇÃO B

2.1 As leis da física 5 2.2 A aproximação não relativística 57 2.2 Movimento com forças 58 2.4 Forças e seus potenciais 61 2.5 Aprendendo física com exemplos 63 2.6 Entendendo a física fi sicamente 64 2.7 Um problema no projeto de uma máquina 67 2.8 Velocidade de escape da Terra 78

10 SUMÁRIO

Soluções alternativas 81 A Encontrando a aceleração do peso usando geometria 81 B Encontrando a aceleração do peso usando trigonometria 82 C Encontrando a força no peso, usando torque e momento angular 83

3 Problemas e Soluções REVISÃO LIÇÃO C

3.1 Movimento de um satélite 85 3.2 Descoberta do núcleo atômico 90 3.3 A equação fundamental dos foguetes 94 3.4 Uma integração numérica 96 3.5 Foguetes químicos 98 3.6 Foguetes de propulsão iônica 9 3.7 Foguetes de propulsão fotônica 102 3.8 Defl etor eletrostático de um feixe de próton 102 3.9 Determinando a massa do méson pi 105

4 Efeitos Dinâmicos e suas Aplicações REVISÃO LIÇÃO D

4.1 Um giroscópio de demonstração 110 4.2 O giroscópio direcional 1 4.3 O horizonte artifi cial 112 4.4 Giroscópio estabilizador de navios 113 4.5 O girocompasso 114 4.6 Melhorias na construção e no design de giroscópios 118 4.7 Acelerômetros 125 4.8 Um sistema de navegação completo 129 4.9 Efeitos da rotação da Terra 133 4.10 O disco girante 136 4.1 Nutação da Terra 139 4.12 Momento angular na astronomia 139 4.13 Momento angular em mecânica quântica 141 4.14 Depois da lição 142

5.1 Conservação da energia, estática 149 5.2 Leis de Kepler e gravitação 152 5.3 Cinemática 152 5-4 Leis de Newton 153 5-5 Conservação do momento 155 5-6 Vetores 157 5-7 Colisões não relativísticas de dois corpos em três dimensões 158 5-8 Forças 158 5-9 Campos e potenciais 159 5-10 Dimensões e unidades 161 5-1 Energia e momento relativísticos 161 5-12 Rotações em duas dimensões, o centro de massa 162 5-13 Momento angular momento de inércia 163 5-14 Rotações em três dimensões 165 Respostas dos Exercícios 169

Créditos das Fotos 173 Índice 175

A primeira vez que ouvi falar de Richard Feynman e de Ralph Leighton foi em 1986, através do seu livro mais divertido, Surely You're Joking, Mr. Feynman! Trinta anos depois, conheci Ralph em uma festa, nos tornamos amigos, e nos anos seguintes trabalhamos juntos no projeto de criação de um selo homenageando Feynman1. O tempo todo Ralph ia me dando livros para ler, de ou sobre Richard Feynman, incluindo (uma vez que sou programador de computadores) The Feynman Lectures on Computation.2 Tive difi culdade de seguir os argumentos da discussão sobre mecânica quântica computacional nesse livro fascinante. Ralph recomendou-me a leitura de Lições de Física de Feynman Volume I:

Nosso selo aparece nas notas do forro de Back TUVA Future, um CD caracterizando o mestre de Tuvan Throat-Singing Ondar e um camafeu com o aspecto de Richard Feynman (Warner Bros. 9 447131-2) lançado em 1999. The Feynman Lectures on Computation, por Richard Feynman, editado por Anthony J. G. Hey e Robin W. Allen, 1996 Addison-Wesley, ISBN 0-201-48991-0.

Introdução Richard Feynman, aproximadamente 1962

Mecânica Quântica, que eu comecei, mas os Capítulos 1 e 2 são reproduções dos Capítulos 37 e 38 do Volume I. Assim eu me peguei tendo que regressar bastante a algumas referências no Volume I antes de continuar no Volume I. Sendo assim, decidi ler todos os Lições do começo até o fi m – eu estava determinado a aprender mecânica quântica! Entretanto, este objetivo se tornou secundário com o passar do tempo e eu fui sendo absorvido pelo fascinante mundo de Feynman. A alegria de aprender física, simplesmente por prazer, tornou-se a minha maior prioridade. Eu me entreguei! Lá pela metade do caminho do Volume I, parei de programar e passei seis meses no campo, na Costa Rica, estudando o tempo todo o Lições.

Todas as tardes eu estudava uma nova lição e trabalhava nos problemas físicos; no período da manhã, revisava a lição anterior e fazia uma leitura da lição do dia seguinte. Eu mantinha contato com Ralph por e-mail, e ele me encorajava a assinalar os erros que eu fosse encontrando no Volume I. Isso não era um fardo, porque existiam pouquíssimos erros. Entretanto, ao progredir para os Volumes I e II, eu fi quei desanimado ao encontrar muito mais erros. No fi nal de tudo, eu havia listado um total de mais de 170 erros. Ralph e eu fi camos surpresos: como tantos erros podem ter persistido por tanto tempo sem que ninguém tivesse notado? Decidimos então verifi car o que poderia ser feito para que fossem corrigidos na próxima edição.

Eu notei algumas sentenças intrigantes no prefácio do Feynman: “A razão pela qual não constam nesta obra palestras sobre como resolver problemas é que houve sessões de recitação. Ainda que no primeiro ano eu tenha introduzido três conferências sobre solução de problemas, elas não foram incluídas aqui. Além disso, houve uma palestra sobre orientação inercial que certamente deveria seguir a palestra sobre sistemas rotacionais, mas que infelizmente foi omitida.”

Isso despertou a idéia da reconstrução de tais lições perdidas e, se elas forem interessantes, podem ser oferecidas então a Caltech e Addison-Wesley para serem incluídas em uma edição mais completa e com os erros corrigidos dos Lições. Mas primeiramente eu tinha que encontrar tais lições esquecidas, e eu ainda estava na Costa Rica! Com um pouco de lógica dedutiva e investigação, Ralph foi capaz de localizar tais notas, que foram previamente escondidas em algum lugar entre o escritório do seu pai e os arquivos do Caltech. Ralph também obteve fi tas gravadas com as lições que estavam faltando, e durante minha pesquisa das erratas nos arquivos antes do meu retorno à Califórnia, descobri por acaso as fotos dos quadros negros (a muito pensavam-se estarem perdidas) em uma caixa de diversos negativos. Os herdeiros do Feynman generosamente nos deram permissão para usar tais materiais, e então, com algumas críticas úteis de Matt Sands, agora o único membro vivo do trio Feynman-Leighton-Sands, Ralph e eu reconstruímos a Revisão B como uma amostra, e o apresentamos como uma errata para o Lições a Caltech e Addison-Wesley.

14 INTRODUÇÃO

A Addison-Wesley recebeu nossas idéias de forma entusiasmada, mas o Caltech foi inicialmente cético. Ralph então apelou para Kip Thorne, professor Richard Feynman de Física Teórica no Caltech, que conseguiu entender tudo o que estava acontecendo e generosamente ofereceu seu tempo para supervisionar nosso trabalho. O Caltech não queria corrigir os volumes existentes do Lições por razões históricas, então Ralph propôs colocar tais lições esquecidas em um livro separado. Esta é a origem deste volume suplementar. Ele está sendo publicado em paralelo com Edição Defi nitiva do Lições de Física de Feynman, em que os erros encontrados por mim e por outros leitores foram corrigidos.

As origens da série, por Matt Sands

Em nossa busca pela reconstrução dos quatro Lições, Ralph e eu tínhamos muitas perguntas. Sentimo-nos muito felizes por obter respostas do Professor Matt Sands, homem que abraçou desde o início o projeto que produziu o Lições de Física de Feynman. Ficamos surpresos que a história da sua gênese não fosse muito bem conhecida, e percebendo que este projeto ofereceria uma oportunidade de remediar aquele défi cit, o professor Sands amavelmente concordou em escrever sobre as origens do Lições de Física de Feynman para incluir neste suplemento.

Os quatro Lectures

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