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Teoria da Relatividade

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DE ALBERT EINSTEIN
TEORIA DA RELATIVIDADE
Colégio Estadual Dom Helder Câmara
Física - 1º Ano – Prof.(a) Cristiane Barbosa Pinheiro de Oliveira
2013
Relatividade
Relatividade na Física Clássica
Determinados aspectos da relatividade não são novos. A noção de que os fenômenos físicos são relativos aos sistemas de referência foi proposta por Galileu e Newton em suas épocas.
Sec. XVII
O cientista italiano Galileu Galilei notou que um mesmo movimento podia ser descrito de diferentes maneiras dependendo do ponto de vista do observador.
Imagem:
Relatividade na Física Clássica
4
A mecânica de Isaac Newton estava bem estabelecida nas suas três leis e, juntamente com a eletrodinâmica e a termodinâmica, a física parecia completa.
Imagem: (a) Sir Godfrey Kneller / Retrato de Sir Isaac Newton / Public Domain
Relatividade na Física Clássica
5
1905
Entretanto, existiam problemas que tal mecânica não conseguia explicar surge então a necessidade de ver a mecânica de uma nova forma, e Albert Einstein cria a Teoria da Relatividade Especial (ou restrita) em 1905, propondo assim novos conceitos sobre espaço e tempo, sendo este último tratado agora como uma nova dimensão.
Imagem: Fotografia de Albet Eintein / Doris Ulmann / Library of Congress, Prints & Photographs Division, [reproduction number LC-USZC4-4940] / Public Domain.
Relatividade na Física Clássica
6
A Relatividade de Einstein
A teoria da Relatividade Especial, proposta por Albert Einstein (1879-1955) em 1905, está de acordo com inúmeras experiências, e fez previsões que foram comprovadas experimentalmente depois. Nessa teoria, os fenômenos são analisados em relação a sistemas de referência inerciais, ou seja, a sistemas de referência em relação aos quais vale o Princípio da Inércia. São referenciais inerciais todos os sistemas que estão em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme, ou seja, em equilíbrio, portanto sem aceleração. 
Albert Einstein
 (1879-1955)
7
A Relatividade de Einstein
No estudo da Mecânica, a velocidade, por exemplo, é uma grandeza relativa, ou seja, sua medida depende do referencial do qual está sendo medido. 
Em consequência disso, outras grandezas que dependem da velocidade também são relativas. 
Comprimento, massa e tempo são tidos como grandezas absolutas no estudo da Mecânica, mas também se tratam de grandezas relativas. 
No entanto, a relatividade dessas grandezas só evidencia-se quando no estudo de situações em que se têm velocidades muito elevadas, ou seja, não desprezíveis se comparadas com a velocidade da luz no vácuo, que é aproximadamente 3,0 x108 m/s. 
Imagem: http://www.educacaopublica.rj.gov.br/biblioteca/fisica/img/0014.jpg
8
A Relatividade de Einstein
A teoria da relatividade é composta de duas outras teorias: Teoria da Relatividade Restrita, que estuda os fenômenos em relação a referenciais inerciais, e a Teoria da Relatividade Geral, que aborda fenômenos do ponto de vista não inercial. Apesar de formar uma só teoria, elas foram propostas em tempos diferentes, no entanto ambas trouxeram o conhecimento de que os movimentos do Universo não são absolutos, mas sim relativos.
9
A Relatividade Restrita
A teoria da relatividade restrita foi construída por Einstein a partir de dois importantes postulados:
“ As leis da física são as mesmas em qualquer referencial inercial.’’
“ A velocidade da luz tem o mesmo valor em qualquer referencial inercial.”
Imagem: Fotografia de Albet Eintein / Doris Ulmann / Library of Congress, Prints & Photographs Division, [reproduction number LC-USZC4-4940] / Public Domain.
O primeiro postulado
“As leis da Física são iguais em qualquer referencial inercial, ou seja, não existe referencial inercial preferencial”. 
Um passageiro que olha para fora de um trem e vê pela janela outro trem, nos trilhos ao lado se movendo. Ele está consciente apenas do movimento relativo entre o seu trem e o outro, e não pode dizer qual deles está em movimento. Ele pode estar em repouso em relação ao solo e o outro trem se movendo, ou ele pode estar se movendo em relação ao solo e o outro trem em repouso, ou ambos podem estar em movimento em relação ao solo. O fato importante é que se você estivesse em um trem sem janelas, não haveria maneira de determinar se o trem estava se movendo com velocidade uniforme ou se estava em repouso. 
De acordo com Einstein a insensibilidade ao movimento se estende para outros ramos da Física. Nenhum experimento, seja ele mecânico, eletromagnético ou óptico jamais pôde revelar o movimento absoluto e o repouso absoluto. É isso que significa o primeiro postulado da relatividade especial. 
O segundo postulado
“A luz sempre se propaga com a mesma velocidade, independente do referencial inercial adotado”.
Einstein, ainda jovem fez a seguinte pergunta ao seu professor: “como pareceria um feixe luminoso se você estivesse se deslocando lado a lado com ele?” De acordo com a física clássica, o feixe estaria em repouso com respeito a este observador, mas de acordo com o modelo eletromagnético de sua época, as equações de Maxwell, a luz sempre está em movimento. Einstein desconfiou que algo de estranho acontecia com a luz. 
Imagine uma nave espacial viajando pelo espaço interestelar, no meio do éter (meio elástico, extremamente ténue que permeava o espaço), com uma velocidade de 30 km/s. Imagine também que um segundo observador, na Terra estivesse com um potente telescópio e um equipamento de precisão que pudesse medir a velocidade de um pulso de luz, oriundo do farol dianteiro e traseiro da nave. 
Como esse foguete está a alta velocidade, ele seria capaz de afetar a velocidade da luz. Seria esperado que a luz se movesse com velocidade (c + 30) km/s, se estivesse a favor do éter, e se estivesse contra o éter, o pulso teria velocidade de (c – 30) km/h.
Diferentemente do que se esperava, a lei das velocidade de Galileu não funciona com a luz. Em ambos os casos, a luz admite o mesmo valor, isto é, o valor de c. Einstein não admitiu a existência do éter, principalmente por causa das “pretensas” propriedades especiais (densidade zero e transparência perfeita) que se pensava que ele possuía. Ele manteve o princípio da relatividade aceitando que todas as leis físicas são iguais em referenciais inerciais, incluindo as leis do eletromagnetismo. Para isto ele apresenta o segundo postulado da Teoria da Relatividade, também conhecido como Princípio da Invariância da Velocidade da Luz.
A luz se propaga no vácuo com uma velocidade definida c (c ≅300.000 km/s = 300.000.000 m/s) que é independente do movimento do corpo que a emitiu.
c
V
Ela não depende da velocidade da fonte emissora de luz nem do movimento do observador. A velocidade da luz no vácuo é absoluta, pois não depende do sistema de referência inercial adotado. 
A Relatividade Restrita
Imagem: http://www.if.ufrj.br/~carlos/palestras/relatividade/relatividade.ppt
13
A Relatividade Restrita
Como consequência, os conceitos de espaço e tempo são relativos, isto é, se a velocidade c é constante para todos os observadores, então espaço e tempo, cujo quociente fornece o valor c, podem assumir valores diferentes, dependendo do observador. 
Consequências dos postulados da relatividade Restrita
A relatividade da simultaneidade;
2. A dilatação do tempo;
3. Contração do Espaço;
4. Energia Relativística.
Imagem: http://www.cbpf.br/~eduhq/html/aprenda_mais/jurema/imagens_relatividademov/189.html
1. Simultaneidade 
 Suponha dois observadores em referenciais inerciais com velocidade relativa V (velocidade próxima à da luz). 
Um observador S’ que se encontra exatamente no meio do trem, e outro observador S que se encontra no solo, e que estão se cruzando exatamente quando dois raios ocorrem e atinjam as posições frontal e traseira do trem. 
Comocada observador perceberá os dois fenômenos? 
 - Observador S os eventos serão simultâneos, pois as duas frentes de onda de luz irão atingi-lo ao mesmo tempo e elas percorrem a mesma distância. 
- Observador S’ os eventos não serão simultâneos. Como a velocidade da luz é a mesma para qualquer observador, ele verá primeiro a frente de onda da frente, pois é neste sentido que se desloca o trem, logo, S’ concluiu que o raio produzido na frente do trem foi emitido primeiro do que o outro.
16
1. Simultaneidade 
 
http://www.youtube.com/watch?v=MSp_aaCqKQY
17
Questões Propostas
Cite os postulados de Einstein, comentando as suas consequências.
Nosso senso comum é de que se dois acontecimentos são simultâneos em um referencial inercial, em qualquer outro referencial inercial estes mesmos acontecimentos também serão simultâneos. Mas isto está em desacordo com a Relatividade Especial. Por que acontecimentos simultâneos em um referencial inercial não serão necessariamente simultâneos em outro referencial inercial? Isto é consequência de qual postulado?
Se um evento A ocorre antes de um evento B em um referencial inercial, é possível que em outro referencial inercial o evento B ocorra antes do evento A?
Referências
Silva, H. H. B. da S. Relatividade. In: Material didático de apoio, 2011. Disponível em: http://www7.educacao.pe.gov.br/oje/concurso-professor/download-materiais?submissaoId=674. Acesso em: Agosto de 2013
Pompeu. Teoria da Relatividade Especial ou Restrita - Aula 11, 2011. Disponível em: http://www.estudefisica.com.br/etrb/3_ano/pompeu/apostilas/aula_11_relatividade_restrita.pdf Acesso em: Agosto de 2013
SILVA, M. A. Teoria da Relatividade. Disponível em: http://www.brasilescola.com/fisica/teorias-da-relatividade.htmAcesso em: Agosto de 2013
Wolski, B. Teoria Especial da Relatividade, 2006. Disponível em: http://www.educacaopublica.rj.gov.br/biblioteca/fisica/0014.html Acesso em: Agosto de 2013
Wolff, J. F. de S. Relatividade : a passagem do enfoque galileano para a visão de Einstein. In: Textos de apoio ao professor de física/Programa de Pós Graduação em Ensino de Física; editores Marco Antonio Moreira, Eliane Angela Veit - Vol. 16, n. 5 (2005). Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/tapf/v16n5_Wolff_Mors.pdf Acesso em: Agosto de 2013
Oliveira, J. G. A teoria da relatividade In: Eduhq aprenda +, 2004. Disponível em: http://www.cbpf.br/~eduhq/html/aprenda_mais/jurema/ficha_teoriarelatividade.htm#1 Acesso em: Agosto de 2013
Ormonde, L.; Bulhões, M. Teoria da Relatividade (especial e geral) – Einstein. Trabalho de Física, 2008. Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=MSp_aaCqKQY . Acesso em: Agosto de 2013.
Aguiar, C. E. Espaço, Tempo e Relatividade. Palestra de 2005. Disponível em: http://www.if.ufrj.br/~carlos/palestras/relatividade/relatividade.ppt Acesso em: Agosto de 2013. 
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