Das ondas gravitacionais aos grávitons, passando pela detecção feita pelo LIGO

Este é um momento muito importante para a Física. A equipe do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Waves Observatory) anunciou ter detectado diretamente pela primeira vez ondas gravitacionais. Mas afinal o que são ondas gravitacionais, qual sua relevância na Física, como foi realizado o experimento de detecção e, por último, o que o gráviton tem a ver com isso tudo? Ao longo do texto abordaremos estas questões.

1   1 -     O que são ondas gravitacionais?

Ondas gravitacionais foram previstas pela teoria da relatividade geral (TRG) de Einstein em 1915. Como qualquer teoria cientifica, a TRG explicou de maneira mais fundamental alguns vários fenômenos da Física da época e fez predições de fenômenos a serem verificados. Entre estes está a predição de que sob a influência do campo gravitacional a luz sofre alteração do seu percurso, já verificada em 1919. Outra predição são as ondas gravitacionais.

Para entendermos o que são estas ondas, podemos fazer uma analogia direta com as ondas eletromagnéticas. A teoria eletromagnética diz que qualquer corpo carregado eletricamente, ao ser acelerado, irá emitir ondas eletromagnéticas, ou radiação. Da mesma forma, a TRG prevê que qualquer corpo que tenha massa, ao ser acelerado, irá emitir ondas gravitacionais. Ambas, ondas eletromagnéticas e gravitacionais, são caracterizadas pela frequência e o comprimento de onda. As equações de Maxwell da teoria eletromagnética descrevem as ondas eletromagnéticas. Analogamente, as equações de Einstein da TRG descrevem as ondas gravitacionais. Ao contrário destas últimas, sabemos que as ondas eletromagnéticas são detectáveis há muito tempo. Por que motivo não havia sido detectado ainda ondas gravitacionais?

A razão para isso é que, comparado com a intensidade da interação eletromagnética, a intensidade da interação gravitacional é extremamente fraca! Isso leva ao fato de que um aparelho destinado a detectar ondas gravitacionais deva ser muito sensível, de modo a poder captar os menores sinais destas ondas. Os melhores candidatos a emitirem ondas gravitacionais detectáveis com os instrumentos atuais são buracos negros, estrelas de nêutrons, supernovas, etc. Além destes, o evento conhecido como Big Bang também é um candidato a ter emitido ondas gravitacionais, por se tratar de uma concentração muito grande de massa que se acelerou (explodiu) a uma taxa muito alta. Outra dificuldade é que eventos que produzem ondas gravitacionais mensuráveis ocorrem com uma frequência muito baixa.

2    2-     Qual a importância das ondas gravitacionais?

A primeira importância de se detectar ondas gravitacionais é obviamente que ela comprova a solidez da teoria da relatividade geral no que ela se propõe a explicar e seus conceitos básicos. No entanto, sua detecção tem um significado muito mais relevante para a Física. Voltemos novamente à analogia com ondas eletromagnéticas. O desenvolvimento tecnológico de instrumentos emissores e detectores que utilizam ondas eletromagnéticas possibilitou a construção de grandes telescópios, o que teve como consequência a observação de um Universo até então desconhecido, além de possibilitar descobertas astronômicas de forma indireta, como vários planetas que são descobertos fora do sistema solar. No entanto, existe uma limitação física para a observação do Universo em tempos remotos utilizando ondas eletromagnéticas. Durante os primeiros 300 mil anos após o Big Bang estas ondas, ou fótons, ficaram presas a outras partículas, pois a temperatura do Universo era muito alta, impedindo que os fótons se desacoplassem do resto da matéria recém formada. Deste modo, é impossível visualizar como era o universo durante este período, acarretando mais especulação do que certezas durante os primeiros 300 mil anos do Universo. Porém, prevê-se que ondas gravitacionais existam desde os primeiros segundos de vida do universo, e sua detecção poderia ser muito útil para entender este período. Mas não devemos confundir as ondas gravitacionais que foram detectadas com aquelas do início do Universo. Como são fontes diferentes, as ondas geradas também são diferentes, o que nenhum pouco diminui a importância da detecção verificada pela equipe do LIGO. Com a detecção de ondas gravitacionais, uma ampla janela se abre no que diz respeito a pesquisas observacionais do espaço.

3    3 -     A detecção de ondas gravitacionais pelo LIGO

O objetivo da equipe do LIGO era detectar ondas gravitacionais através de um interferômetro. Este equipamento, utilizado em muitas outras áreas da Física, permite que um feixe de luz possa ser separado e, ao se recombinar, efeitos possam ser verificados. Por exemplo: suponha que emitimos um feixe de luz e através de um espelho semitransparente, metade da luz continua seu percurso e a outra metade seja refletida em 90 graus, como ilustra a figura abaixo.

Se, por algum motivo, o espelho 1 ficar a uma distância maior do espelho transparente do que o espelho 2, poderá haver uma defasagem entre as duas componentes do feixe original. Ao se recombinarem e serem detectadas no anteparo, esta defasagem será observada através do que se chama franja de interferência.

A suposição de que ondas gravitacionais distorcem o espaço-tempo (onde todas as coisas do universo estão), levou os pesquisadores a terem a ideia de que, se em algum ponto do universo ocorresse um evento que gerasse uma onda gravitacional, esta distorção iria acarretar em uma leve diferença entre os caminhos percorridos pela luz laser ao atingirem o espelho semitransparente e seria observada como uma defasagem quando a luz se recombinasse. Obviamente que a distorção seria extremamente pequena, e para isso os instrumentos deveriam ser altamente sensíveis. Visando isso, os cientistas construíram um gigantesco interferômetro, mostrado na figura abaixo.

O interferômetro para observar ondas gravitacionais, localizado nos Estados Unidos, é composto por dois detectores distantes 3000 quilômetros um do outro, que são capazes de detectar uma variação (distorções no espaço-tempo) 10000 vezes menor do que o núcleo atômico. Além disso, cada braço do interferômetro mede 4 quilômetros.

O evento que deu origem à onda gravitacional detectada pelo LIGO foi a colisão entre dois buracos negros. A teoria da relatividade geral prevê que um par de buracos negros orbitando um ao outro perde energia emitindo ondas gravitacionais. Embora previsto pela teoria, tal evento nunca havia sido observado. A importância da detecção pode ser representada nas palavras de Kip Thorne, um físico teórico especialista da área:

“Com esta descoberta, nós humanos estamos embarcamos em uma maravilhosa nova busca: a busca por explorar o lado deformado do Universo – objetos e fenômenos que são produzidos devido à deformação do espaço. Buracos negros colidindo entre si e ondas gravitacionais são os primeiros belos exemplos” 

(Tradução do autor)

4    4-     O que o gráviton tem a ver com isso?

 O gráviton é um elemento chave em qualquer teoria física que tenha como objetivo unificar a gravidade com outras interações da natureza, a saber, o eletromagnetismo, a interação forte e fraca. Novamente, vamos fazer uma analogia. Como já dito, as ondas eletromagnéticas são detectadas e usadas há muito tempo. Com o advento da mecânica quântica, no começo do século passado, verificou-se que a energia não era transferida de forma continua, mas sim de forma discreta, ou seja, em forma de pequenos pacotes, conhecido como fótons. Fótons são, portanto, pequenas quantidades de energia. A conclusão que se chegou é que as ondas eletromagnéticas, que transportam energia, são então constituídas por fótons. Dizemos então que os fótons são a quantização das ondas eletromagnéticas. Isto faz com que a teoria eletromagnética e a mecânica quântica se conciliem.

Entretanto, a interação gravitacional ainda não passou por este estágio, ou seja, a teoria da relatividade geral, que explica interação gravitacional, é uma teoria clássica, não quântica. Uma teoria que quantize a gravidade deve necessariamente quantizar as ondas gravitacionais. Deste modo, os “pacotinhos” da interação gravitacional deveriam existir. Embora ele não tenha sido detectado, seu nome é gráviton.

Se formos pensar na ordem cronológica do eletromagnetismo, devemos estar no caminho certo. Primeiro detectamos as ondas eletromagnéticas e depois verificamos a existência dos fótons.  Assim, a detecção das ondas gravitacionais pode ser um passo essencial na busca por uma teoria que unifique todas as interações conhecidas da natureza.

Fonte:

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211

5 Fatos Sobre a Mecânica Quântica que você deve e pode saber

Veja o vídeo do texto abaixo:

A Mecânica Quântica (ou Física Quântica) é uma das teorias físicas que desperta maior interesse pelas pessoas, sejam elas especialistas ou leigas. Para os leigos ela pode ser apresentada sob diferentes formas, seja como uma teoria física para explicar fenômenos atômicos, seja como uma proposta para curar doenças (Cura Quântica), ou outra forma não científica qualquer. Este texto tem a intenção de apresentar 5 fatos que você deve e pode saber sobre a Mecânica Quântica, uma dentre várias teorias físicas para descrever fenômenos da natureza.

1) A Mecânica Quântica não é uma extensão da Mecânica Newtoniana (Clássica) para fenômenos atômicos

Algumas pessoas pensam na mecânica quântica como sendo uma "mecânica Newtoniana" para fenômenos atômicos. Entretanto, os conceitos presentes na teoria clássica e na teoria quântica são completamente diferentes. Os conceitos de trajetória de uma partícula, partícula como um ponto com dimensões fixas, determinismo e muitos outros são abandonados na teoria quântica. Em resumo, a teoria quântica possui a probabilidade como algo intrínseco na teoria, enquanto a teoria Newtoniana é por definição uma teoria determinística. Isto mostra que a mecânica quântica não é de forma alguma uma extensão Newtoniana para fenômenos atômicos, e sim uma teoria completamente nova por construção.

2) A Mecânica Quântica não é apenas uma Teoria

Por ela ser uma teoria que se diferencia muito do nosso cotidiano, muitas pessoas acham que a teoria quântica não tem nenhuma aplicação na sociedade e que sua atuação reside apenas no campo das ideias. Isso não é nem de longe verdade, pois nossa sociedade é amplamente suportada por avanços tecnológicos possíveis graças ao desenvolvimento da mecânica quântica. Como exemplo, podemos citar a luz LASER, o LED (em especial o led azul), vários componentes eletrônicos como o transistor, e o computador quântico.

3) A Mecânica Quântica não é Religião nem Misticismo

Ao contrário do que algumas pessoas que dizem entender mecânica quântica afirmam, a teoria não tem nada de místico e muito menos de religioso. A religião e outras formas místicas de pensamento se baseiam em uma fé sem a necessidade de uma prova. A mecânica quântica, tal como qualquer outra teoria científica, foi construída visando descrever fenômenos da natureza. Portanto, ela possui argumentos sólidos e passíveis de serem testados em laboratório, diferentemente de qualquer tipo de religião e misticismo.

4) A Física Quântica não cura você

Não, a física quântica e seus poderes mágicos não irão curar você, nem fisicamente e muito menos espiritualmente. Da mesma forma que outras teorias da Física, a mecânica quântica pode e é muito útil para desenvolver aparelhos que ajudem no tratamento de inúmeras doenças. Mas isso para a medicina séria. A mecânica quântica não irá curar sua depressão, seus problemas emocionais, independentemente de quantas pedras quânticas ou quantos pseudo-médicos que afirmem usar a "cura quântica" você consultar. Portanto, se não quiser perder seu dinheiro com pessoas que não sabem nada de ciência e sim como enganar outras pessoas, não caia nessa.

5) A Mecânica Quântica não faz com que você possa estar em dois lugares ao mesmo tempo nem possa estar emaranhado com outra pessoa

Talvez este seja um dos erros de interpretação que mais acontece entre pessoas leigas e pessoas que desejam passar o conteúdo da mecânica quântica sem se ater ao real conteúdo da teoria. Alguns filmes, como Quem Somos Nós, vídeos do youtube ou textos de pessoas que dizem entender a mecânica quântica mas que nunca fizeram uma graduação em Física, afirmam que a teoria quântica e suas propriedades, como emaranhamento e superposição de estados são válidas também no nosso cotidiano e afetaria nós, humanos. Isto não é verdade! A própria teoria quântica nos diz que a medida que aumentamos o número de átomos em um sistema físico, ele perde suas características quânticas e passa a se comportar como um sistema clássico, regido pelas leis da física clássica. Portanto, no nosso dia-a-dia, com objetos macroscópicos a nossa volta, a teoria quântica não se aplica. Você não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo e muito menos emaranhado a outra pessoa, a não ser que seja através de um casamento :)

Por que o elétron não cai no núcleo atômico?

Você já pensou sobre o movimento do elétron em torno do núcleo atômico? Lembre que a carga do elétron é negativa e do núcleo (prótons e neutrons) positiva e, portanto, eles devem ser atraídos mutualmente de acordo com a força elétrica. Se o elétron então "cai" no núcleo então o átomo deixa de ser estável e a matéria da qual somos constituídos não deveria existir. No entanto, nós existimos e isso mostra que os átomos que formam a matéria são estáveis, o que confirma que o elétron não "cai" no núcleo atômico. Neste texto, vamos discutir um pouco disso e mostrar que a Física Clássica falha ao tentar explicar este fato, enquanto a Física Quântica é bem sucedida.

Antes da elaboração da mecânica quântica como teoria fundamental para se explicar fenômenos de natureza atômica e sub-atômica, o entendimento dos átomos era visto por conceitos clássicos. O movimento de um elétron em torno do núcleo atômico era compreendido de forma análoga ao movimento dos planetas em torno do Sol. O conceito de elétron era o de um corpo rígido com posição e velocidade bem definidas. Ao mesmo tempo, a teoria eletromagnética afirmava:

Qualquer corpo carregado que esteja acelerado irá emitir radiação e perder energia

Uma vez que o movimento do elétron em torno do núcleo é caracterizado por alteração na direção da velocidade, ele será um corpo carregado acelerado consequentemente perderá energia e irá tender para a posição de menor energia, ou seja, o núcleo. Isso implica que os átomos seriam altamente instáveis e que a matéria como a conhecemos não poderia existir, contradizendo os fatos observados na natureza. 

Se a partícula (ponto azul na figura) perde energia, classicamente ela tenderá ao ponto de equilíbro (menor energia) que é o ponto mais baixo da curva. Além disso, ela faz o trajeto de forma contínua.

A explicação acima é devido a Fìsica Clássica e não condiz com os fatos. É necessário algo diferente para explicá-los.

Por volta de 1922, com algumas ideias e conceitos novos de uma nova proposta de explicar fenômenos atômicos, como a quantização da energia por Planck em 1901, Bohr introduziu dois postulados para explicar a estabilidade atômica. Basicamente, eles diziam que as órbitas permitidas dos elétrons em torno do núcleo são discretas (quantizadas), ou seja, apenas algumas são permitidas. Além disso, durante a permanência de um elétron em uma dada órbita, ele não emitia radiação; apenas emitia ou absorvia energia ao realizar a transição de uma órbita para outra. 

Este modelo serviu bem para explicar a estabilidade dos átomos. No entanto ainda tinha o conceito de elétron como uma partícula como um corpo rígido (um conceito clássico) e a teoria ficou conhecida como Teoria Semi-Clássica, por mesclar conceitos clássicos com a quantização das órbitas do elétron.

Entretanto, outros experimentos mostraram que era preciso abrir mão dos conceitos clássicos para se entender fenômenos atômicos. Tais conceitos como, posição e velocidade bem definidas, trajetória, corpo rígido, deveriam ser abandonados. Construída através de seis postulados, a mecânica quântica é uma teoria em que a Probabilidade é inerente à teoria, ou seja, para fenômenos atômicos, devemos abandonar o caráter determinístico da mecânica clássica. Passamos a ter:

Probabilidades associadas à posição e velocidade de um elétron. E não temos mais o conceito de corpo rígido nem de uma trajetória clássica.

Em mecânica quântica, toda informação sobre o elétron está contida em uma função matemática chamada Função de Onda, que nos dá a probabilidade de encontrar o elétron em uma posição a cada vez que realizamos uma medida. Porém antes de realizarmos a medida o elétron pode estar em qualquer posição em torno do núcleo (na verdade, qualquer posição em qualquer parte do universo) e damos o nome a isso de uma densidade de probabilidade ( ou nuvem de probabilidade). Portanto, não sentido em mecânica quântica a expressão "cair no núcleo", já que não temos posições bem definidas neste caso.

A mecânica quântica, através de seus postulados e consequências destes, afirma que se um elétron está em um campo elétrico gerado pelo núcleo, o elétron pode apenas possuir certos níveis de energia. Quando ele está em um dado nível de energia, ele não emite radiação. Apenas ao mudar de um nível para outro ele emite ou absorve energia. As equações da teoria quântica mostram como calcular os níveis de energia permitidos para o elétron em torno do núcleo.

Note que nesta interpretação não se fala em posição bem definida ou trajetória. 

Ilustração dos níveis de energia possíveis para o elétron (linhas). A medida que vamos nos afastando do núcleo as linhas vão ficando cada vez mais próximas, até tenderem a um contínuo, como visto na mecânica clássica.

Portanto, devemos ter em mente que em escala atômica, conceitos clássicos devem ser abandonados e novos conceitos devem ser usados, onde, no caso do elétron em um átomo, apenas alguns níveis de energia são permitidos. Vale dizer que tal interpretação concorda extraordinariamente com os resultados experimentais!

Referências:

Resposta do FERMILAB sobre a questão.

Leis da Termodinâmica - II

Dando continuidade ao texto sobre as leis da termodinâmica, vamos discutir um pouco sobre a segunda lei, que diz respeito sobre uma palavra que muitos conhecem, Entropia. De muitos modos, entropia é muitas vezes entendida como o grau de desordem de um sistema físico qualquer, mas o que isso significa de um ponto de vista da teoria termodinâmica? Vamos ver a seguir.

O conceito de entropia está ligado ao número de estados possíveis de um dado sistema físico e geralmente associamos um valor de entropia tanto maior quanto o número de estados possíveis em que este sistema físico pode estar num determinado instante. Vamos dar primeiramente um exemplo: 

Suponha que temos uma caixa de lápis de cor com 12 unidades, que todos os espaços para os lápis estão preenchidos, ou seja, temos 12 lápis e quantidade de possibilidades de arranjar estes lápis de forma diferente é 12! ( 12x11x10x...x1), 12 fatorial. Este é nosso sistema físico, ou melhor, nosso sistema físico em seu estado 1. A esta quantidade de possibilidades damos o nome de estados possíveis do sistema. Suponhamos agora que aumentamos a nossa caixa de lápis de 12 para 24 cores, mas mantendo os mesmos 12 lápis. Então, nesta nova configuração do sistema, temos 24 posições para organizar 12 lápis, o que nos da um número muito maior de possibilidades de organizarmos os lápis, ou seja, um número muito maior de estados possíveis. Resumindo, se nosso sistema na configuração 1 é formado por 12 lápis e 12 posições e na configuração 2 por 12 lápis e 24 posições, dizemos que o estado 2 possui uma quantidade de possibilidades possíveis maior que o estado 1.

Este simples exemplo é importante porque pode ser estendido para um gás em uma caixa com uma parede no meio. As moléculas do gás irão poder ocupar um determinado número de posições nesta configuração, mas se eliminarmos o vínculo, ou seja, a parede que divide a caixa, o número de posições possíveis de serem ocupadas pelas moléculas aumenta. O mesmo vale para o caso de um pistão, e outros exemplos.

Nesta figura, a configuração do sistema da direita ou esquerda possui maior  entropia?

Em termos conceituais, a entropia de um sistema físico será tanto maior quanto maior o número de estados possíveis que este sistema pode estar em uma certa configuração. Está é uma visão conceitual da entropia. Interessante também é conceito de entropia pode ser visto em termos da informação que temos sobre o sistema. Tome como exemplo as partículas de um gás restritas a se moverem na metade da caixa. De certo modo, é mais fácil localizar as partículas do gás se elas estiverem restritas em uma metade da caixa do que se puderem se movimentar pela caixa inteira. 

Portanto: Quanto maior o nível de informação necessário para localizar um sistema físico, maior será a entropia deste sistema. E isto se aplica ao conceito de estados possíveis, como já vimos.

Dependendo da relação que a entropia tem com alguma propriedade do sistema, como quantidade de informação que temos dele ou seu grau de desordem, ela recebe diferentes nomes, mas o conceito é essencialmente o mesmo.

Discussões são sempre bem vindas.

Referência:

Fundamentals os Statistical and Thermal Physics, Reif, (Mac-Graw Hill, 1965).

Água corrente em Marte e duas leituras recomendadas

Neste texto, vamos falar um pouco sobre um tema que está em alta este ano, Marte!

O livro “Perdido em Marte” (Andy Weir) deu origem ao filme de mesmo nome lançado este ano nos cinemas. A história conta basicamente como um astronauta tem que usar todo seu conhecimento científico para sobreviver em Marte após ser dado como morto e ser deixado para trás numa evacuação de emergência feita por uma equipe de astronautas naquele planeta. É um livro de ficção, mas não deixa de ser realista quanto aos conceitos físicos e químicos usados ao longo da luta pela sobrevivência.

Ao mesmo tempo, a NASA divulgou imagens e dados a respeito de fortes evidências de que existe água corrente na superfície de Marte. É uma notícia muito importante! Água naquele planeta é essencial para que uma missão tripulada possa ser “simplificada” e mais barata, pois com ela os astronautas poderiam produzir o combustível da viagem de volta, retirar oxigênio para respirar e muitas outras coisas. Como sabemos, a temperatura de Marte é extremamente baixa, o que levou os cientistas a concluírem que toda água de Marte estaria congelada em seus polos. Entretanto, os dados divulgados recentemente mostram várias manchas (sulcos) na superfície do planeta vermelho (como visto na imagem abaixo). Estas manchas surgem na primavera, aumentam no verão e somem no outono, o que indica uma variação de intensidade. Além disso, as manchas contêm depósitos de sal, o que, como sabemos, diminui o ponto de congelamento da água. Este seria o motivo pelo qual poderia existir água corrente na superfície do planeta. Dados futuros fornecerão mais informações a respeito disso, mas a notícia é muito positiva!

Fonte: NASA

Muitos livros têm como objetivo divulgar informações sobre Marte. Neste contexto, gostaria de mencionar o livro "Próximo Destino - Marte", que é um livro da jornalista Marina Vidigal, onde ela traz várias informações a respeito de como seria uma viagem tripulada ao planeta vermelho, curiosidades sobre missões anteriores e muito mais. Para quem viu o filme "Perdido em Marte" ou leu o livro e achou interessante, ou para quem ficou curioso com os recentes dados divulgados pela NASA sobre água líquida em Marte, é uma ótima sugestão para entender mais como seria uma viagem tripulada ao nosso destino mais imediato na exploração espacial.

Referências e links úteis:

Evidência de água líquida em Marte

http://www.bbc.com/portuguese/noticias/2015/09/150928_marte_descobertas_cc

http://www.sci-news.com/space/science-meltwater-flows-ancient-glacier-mars-03294.html

Mapa interativo de Marte

http://marstrek.jpl.nasa.gov/

Primiera missão a Marte

http://www.jpl.nasa.gov/missions/mariner-4/

Leis da Termodinâmica - I

Que tal falarmos um pouco sobre termodinâmica? Embora este tema possa não despertar muito interesse do ponto de vista de ficção científica, é uma área da física muito importante, pois toda a Termodinâmica Clássica foi fundamentada em experimentos e tentativas de se conseguir o máximo de energia de uma máquina térmica com o menor gasto de energia possível. Em outras palavras, sempre se esteve interessado no maior rendimento de uma máquina térmica. 

A termodinâmica clássica foi basicamente desenvolvida a partir de 1650 com a invenção, nas décadas seguintes, das mais variadas máquinas térmicas, dentre elas, a locomotiva. Como todas as teorias físicas que tem um forte embasamento experimental, a termodinâmica clássica possue algumas leis que formam a base da teoria. São três leis, primeira, segunda e terceira, e mais uma lei conhecida como lei zero da termodinâmica. Neste texto, falaremos sobre as duas primeiras leis: Lei Zero e Primeira Lei.

A lei zero da termodinâmica é muito importante para entendermos o conceito de temperatura. Sua formulação é a seguinte:

Se dois sistemas, A e B, estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, C, então os sistemas A e B devem estar em equilíbrio térmico entre si.

Aqui, dizer que dois sistemas estão em equilíbrio térmico equivale a dizer que eles apresentam a mesma temperatura. Portanto, se temos um sistema de referência C, podemos saber se os sistemas A e B estarão em equilíbrio térmico quando colocados em contato, simplesmente colocando eles inicialmente em contato com o sistema C. Poderíamos chamar então C de nosso termômetro.

Embora pareça simples, esta lei permite que evitemos de colocar os dois sistemas A e B em contato sem saber se estarão em equilíbrio térmico entre si. Isso pode ser importante, pois se não quisermos que o sistema A, por exemplo, perca energia para o sistema B, podemos ter certeza do equilíbrio térmico entre eles sem colocá-los em contato. O sistema C pode ser um sistema em que o sistema A perderia muito menos energia para entrar em equilíbrio térmico do que em contato com B. Isso é vantajoso, pois sempre queremos evitar perder energia com processos que não são úteis.

Podemos discutir um pouco também a primeira lei da termodinâmica, que diz basicamente sobre o princípio de conservação de energia. Suponhamos que temos um sistema físico. Este sistema possui alguma quantidade de energia que pode estar, por exemplo, na forma de energia térmica. Se o sistema está isolado de suas vizinhanças, a energia total será conservada, ou seja, nenhum tipo de energia entra ou sai do sistema. Porém podemos permitir que o sistema tenha interações com suas vizinhanças (que pode ser outro sistema) e deste modo uma certa quantidade de energia irá fluir de um sistema para outro de alguma forma.

Em termodinâmica, sempre se esteve interessado na quantidade de energia que um sistema físico poderia fornecer. A esta quantidade, damos o nome de trabalho (W). Por outro lado, se uma certa quantidade de energia entra no sistema através de um processo térmico (contato térmico, etc), damos o nome a esta quantidade de calor (Q). Assim, podemos enunciar a primeira lei como:

Um sistema pode ser caracterizado pela quantidade E (energia interna), a qual para um sistema isolado, E = constante.

Se o sistema passa a interagir com seu meio externo, então tem-se: delta E = - W + Q ,

onde W é o trabalho realizado pelo sistema e Q é o calor absorvido pelo mesmo.

Fica claro que quando o sistema realiza trabalho, ele fornece energia ao meio e consequentemente perde energia interna.

Assim, estas duas leis exibem conceitos muito importantes na física e em especial na termodinâmica. O conceito de temperatura, que nos permite comparar a energia térmica de dois sistemas físicos, e o conceito de conservação de energia. Este último é válido para sistemas isolados ou para sistemas que interagem entre si, desde que consideremos o conjunto como um todo como um sistema isolado. Extrapolando este pensamento para todo o universo, é por isso que dizemos que a energia do universo como um todo é conservada.

Dúvidas ou comentários, por favor, escreva!!

Referência:

- F. Reif, Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraw-Hill, 1965.

Forças Centrípeta e Centrífuga e Estações Espaciais

A física é permeada por entidades que chamamos de Forças. O papel principal da força é realizar a interação entre dois objetos, sistemas, etc. Por exemplo, a força de atrito é responsável pela interação entre um objeto que se arrasta sobre uma superfície e a própria superfície. A força da gravidade é responsável pela interação entre quaisquer dois corpos que possuam massa ou, num formalismo mais rebuscado, que também possuam energia. Neste texto falaremos um pouco sobre as forças centrípeta e centrífuga e mostraremos sua aplicação em naves espaciais como, por exemplo, as que aparecem no filme Interestelar e no épico 2001 - Uma Odisseia no Espaço. Vale lembrar, sempre tentemos fazer uma discussão o mais conceitual possível.

Para começar devemos considerar um movimento circular que neste caso será uniforme. Um exemplo é o movimento da Lua em torno da Terra, onde o movimento apresenta uma periodicidade e, em geral, a velocidade do movimento pode ser considerada constante. A força gravitacional então atua como uma força centrípeta. Deste modo, podemos generalizar e dizer que uma força centrípeta sempre será direcionada para o centro. Se o movimento for uniforme, o módulo da força será constante, porém sua direção e sentido são alterados, de modo que ela sempre aponte para o centro. Veja a figura abaixo.

Acontece que, se nós estamos em um movimento uniforme como, por exemplo, quando estamos dentro de um ônibus e este faz uma curva, sentiremos inevitavelmente a ação de uma outra força que normalmente nos impulsiona para "fora" (lembre o exemplo do ônibus). Esta força é denominada Força Centrífuga, e surge devido ao fato de estarmos em um referencial não inercial. Lembre-se, um referencial não inercial é aquele onde existe uma certa aceleração, ou, variação da velocidade. No movimento circular uniforme, mesmo que o módulo da velocidade de rotação seja constante, sua direção e sentido se alteram ao longo do tempo e, portanto, surge uma aceleração centrípeta. A força que nos impulsiona para fora do ônibus quando este faz uma curva é um exemplo típico de força centrífuga.

Temos algo importante aqui: Se o movimento é simplesmente circular e uniforme, o raio do movimento é constante ao longo do tempo. Isso significa que as forças radiais devem possuir o mesmo módulo. Portanto, a força centrípeta e a força centrífuga possuem o mesmo módulo, ou intensidade. Como vimos, a centrípeta é sempre direcionada para o centro, ao passo que a centrífuga nos impulsiona para fora. Assim, tais forças tem direções opostas. O módulo das forças é crucial aqui, pois sabemos que força centrípeta é proporcional à velocidade de rotação. Deste modo, aumentando a velocidade de rotação aumentamos a intensidade da força centrípeta e consequentemente aumentamos a intensidade da força centrífuga. 

Note que a força centrífuga não é uma reação à força centrípeta e nem o contrário!! Elas não se cancelam. A força centrífuga aparentemente "surge" quando passamos a analisar o movimento a partir de um referencial não inercial!! Por exemplo, nenhuma força atua sobre nós quando o ônibus faz uma curva. O princípio da inércia simplesmente faz com que tendamos a manter nosso estado de movimento, ou seja, seguir em linha reta e a isso atribuímos a existência de uma força sobre nós.

Finalmente, vamos discutir as estações\naves espaciais citadas acima. Como pode ser visto nos filmes, as estações\naves giram com certa velocidade de rotação. Uma vez que a velocidade de rotação seja ajustada de modo a garantir uma força centrífuga de intensidade 9.8 m/s^2, teremos uma força que nos "impulsiona" para fora de mesmo valor que a gravidade terrestre. Imagine então que a nave seja construída de modo que o seu piso fique localizado na camada do raio externo da nave. Deste modo, a força centrífuga fará o papel de pressionar o astronauta contra o piso, exatamente análogo ao feito pela força da gravidade sobre nós aqui na Terra. Ou seja, através do movimento de rotação da estação\nave, pode-se simular um efeito similar ao da gravidade terrestre e os astronautas passam a ter a mesma liberdade de movimento (ou restrição, na verdade) que temos na Terra. Mas lembre-se: esta é uma força fictícia. O que realmente acontece é que o astronauta tende a manter seu estado de movimento, ou seja, sair pela tangente, mas ao fazer isso, ele encontra o piso da estação\nave.

O vídeo abaixo mostra a nave do filme 2001 - Uma Odisseia no Espaço.

É claro que a complexidade de uma estação\nave deste tipo vai muito além da rotação. Aqui focamos apenas na física por trás da rotação deste tipo de nave marcante nos dois filmes.

Abraços e discussões são sempre bem vindas.

Referências e Sites Úteis:

Sobre movimento circular e grandezas angulares.

Sobre força centrípeta e força centrífuga.

Vídeo rápido e interessante sobre uma aplicação destas forças.