TÓPICOS DE FISICA GERAL CONTEÚDO

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MÓDULO 1
A linha do tempo da Física
Séc. V a.C. - O filósofo grego Leucipo desenvolve a teoria de que a matéria de todos os corpos é formada por partículas infinitamente pequenas chamadas de átomos.
Séc. III a.C. – Aristóteles elaborou um sistema filosófico para a explicação do movimento dos corpos e do mundo físico que o cercava. Para Aristóteles, toda e qualquer matéria era composta de quatro elementos: Terra, Água, Ar e Fogo, e esses elementos tinham posições determinadas no Universo. O lugar natural do fogo e do ar era sempre acima do lugar natural da água e da terra. Desse modo explicava porque uma pedra e a chuva caem: seus lugares naturais eram terra e água. Analogamente, a fumaça e o vapor sobem em busca de seus lugares naturais acima da terra. Aristóteles também elaborou várias outras teorias sobre ciências naturais que foram aceitas até a renascença. Outra classe de movimento considerada por Aristóteles era a de movimento violento. Esse tipo de movimento resultaria de forças que puxavam ou empurravam objetos. Portanto, esse seria um movimento imposto ao corpo em movimento.
Séc. III a.C - o pensador grego Arquimedes deduziu muitas descrições corretas da hidrostática quando, como a história conta, ele notou que seu próprio corpo deslocava um volume de água enquanto ele estava tomando um banho um dia.
 
1510 – Pela primeira vez de que se têm registros, a teoria Heliocêntrica de Nicolau Copérnico é apresentada em sua obra Commentariolus.
 
1543 – Nicolau Copérnico publica uma obra que trata sobre as revoluções dos corpos celestes em torno do Sol.
 
1589 – Galileu Galilei inicia o estudo do movimento do pêndulo tendo determinado que o seu período não depende da massa, mas apenas do comprimento do fio. Foi o primeiro a pensar que este fenômeno permitiria fazer relógios muito mais precisos, e chegou já no final da sua vida a trabalhar no mecanismo de escapo que mais tarde originaria o relógio de pêndulo. Também em Pisa realizou as suas famosas experiências de queda de corpos em planos inclinados. Nestas demonstra que a velocidade de queda não depende do peso.
 
1647 – Blaise Pascal enuncia os primeiros trabalhos sobre o vácuo e demonstrou as variações da pressão atmosférica.
 
1648 – O italiano Evangelista Torricelli, inventa um barômetro de mercúrio, que mais tarde levaria seu nome.
 
1657 - Robert Hooke comprova a teoria de Galileu de que todos os corpos caem com a mesma velocidade no vácuo.
 
1662 - Robert Boyle demonstra que o ar pode ser comprimido, formulando a lei que relaciona volume e pressão de um gás, que passaria a se chamar Lei de Boyle.
 
1665 - Isaac Newton faz as primeiras hipóteses sobre gravitação.
 
1666 - Isaac Newton descobre o espectro da luz branca, chegando à conclusão de que a luz branca é na verdade a composição de todas as cores do espectro que são as cores do arco-íris.
 
1676 - Olaus Römer propõe que a luz tem uma velocidade finita.
 
1678 - Christiaan Huygens defende a idéia de que a luz se propaga como onda. Mas não consegue demonstrar, na prática, o que afirma. Também descobre a polarização da luz.
 
1687 - Isaac Newton publica o livro Principia, no qual apresenta as três leis que regem a física clássica e a lei da gravitação universal. 
 
1690 - Christiaan Huygens formula a teoria ondulatória da luz.
 
1738 - Daniel Bernoulli levanta a hipótese de que os gases são compostos de uma infinidade de partículas minúsculas, sempre em movimento. E que a temperatura de um gás reflete a velocidade dessas partículas. Também publica estudos sobre a pressão e a velocidade dos fluidos.
 
1752 - Benjamim Franklin publica o resultado de suas observações sobre raios, propondo que existem dois tipos de carga elétrica, a positiva e a negativa. Propõe também a lei da atração e repulsa das cargas de acordo com seu sinal.
 
1785 - Charles Augustin Coulomb enuncia a lei das forças eletrostáticas.
 
1801 - Thomas Young demonstra que a luz é, ou pode se comportar como uma onda.
 
1820 - Hans Oersted aproxima uma bússola de um fio eletrificado, mostrando que a corrente elétrica podia mover o ponteiro da bússola dando uma demonstração prática de que as forças elétricas e magnéticas têm propriedades comuns.
 
1820 - André-Marie Ampère formula leis da eletrodinâmica.
 
1824 - Nicolas-Leonard-Sadi Carnot dá início à termodinâmica em uma tentativa de avaliar e aumentar a eficiência das máquinas a vapor.
 
1827 - Georg Simon Ohm formula a lei que relaciona o potencial, a resistência e a corrente elétrica.
 
1831 – Michael  Faraday propõe a indução eletromagnética.
 
1831 - James Maxwell descreve a luz como uma onda eletromagnética.
 
1839 - Antoine Becquerel descobre um dispositivo capaz de captar energia da luz, a célula fotovoltaica.
 
1842 - Christian Doppler formula as bases do efeito Doppler.
 
1843 - James Prescott Joule constrói uma máquina capaz de medir a equivalência mecânica do calor, determinando assim a quantidade de trabalho mecânico necessária para produzir uma unidade de calor.
 
1847 – A experiência de Joule torna possível a afirmação da chamada Lei de Conservação da Energia, ou Primeira Lei da Termodinâmica. Definida por Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz.
 
1848 - William Thomson, o Lorde Kelvin, verifica que a temperatura dos corpos não pode diminuir indefinidamente. Chegando a um limite a partir do qual ela não cai mais, denominado zero absoluto.
 
1849 - Armand Fizeau mede a velocidade da luz. 
 
1850 – Rudolf Julius Emanuel Clausius cria a Segunda Lei da Termodinêmica.
 
1859 – Gustav Robert Kirchhoff descobre as linhas espectrais, diferentes para cada elemento químico.
 
1865 – James Clerk Maxwell unifica as leis das forças elétricas e magnéticas. Descobre também que a luz é apenas energia eletromagnética em movimento. Ou seja, Maxwell unifica três ciências: a eletricidade, o magnetismo e a ótica. 
 
1884 - A mecânica estatística, desenvolvida pelo alemão Ludwig Eduard Boltzmann, aprofunda a Teoria Cinética dos Gases, de Maxwell.
 
1887 - Heirich Rudolf Hertz descobre o efeito fotoelétrico.
 
1895 - Wilheim Konrad Röntgen revela a existência dos raios X.
 
1896 - Henri Becquerel descobre a radiatividade.
 
1896 - Rutherford descobre os raios alfa e beta produzidos nos átomos radiativos.
 
1900 - Max Planck propõe a existência de minúsculos "pacotes" de luz e chama esses pacotes de quanta.
 
1905 - Albert Einstein declara que os quanta são uma nova espécie de partículas: os átomos de luz.
 
1905 – Albert Einstein desenvolve a Teoria da Relatividade.
 
1907 - Hermann Minkowski desenvolve uma formulação matemática mais elegante e mais prática para a Teoria da Relatividade, adicionando uma quarta dimensão ao espaço, a dimensão do tempo.
 
1908 - Jean-Baptiste Perrin observa pela primeira vez o tamanho dos átomos.
 
1911 - Ernest Rutherford verifica que o átomo tem um núcleo central, duríssimo, no qual fica concentrada quase toda sua massa.
 
1913 - Niels Bohr dá a primeira descrição de um átomo. No centro ficaria o núcleo, cerca de 100 mil vezes menor que o átomo todo. A sua volta girariam os elétrons da mesma forma como os planetas orbitam o Sol.
 
1916 - Albert Einstein propõe a Teoria da Relatividade Geral que amplia sua Teoria da Relatividade, que então passa a ser conhecida como Teoria da Relatividade Restrita, para englobar os efeitos da força da gravidade.
 
1923 - Louis-Victor-Pierre-Raymond de Broglie demonstra que as partículas podem agir como ondas. Ele descobre que o elétron aparece como uma partícula, ou seja, um concentrado de matéria, e, também, como onda, como se sua massa estivesse espalhada pelo espaço, oscilando.
 
1926 - Partindo da idéia de que as partículas, como o elétron, às vezes agem como ondas, Erwin Schrödinger reformula imagem dos átomos. Os elétrons, agora, não seriam mais partículas girando em torno do núcleo e sim como se cada elétron fosse uma onda vibrando ao redor do núcleo.
MÓDULO 2
Arquimedes
I – Introdução
A alavanca é uma dasmáquinas simples estudadas na Antiguidade grega. Uma máquina simples é um dispositivo mecânico que muda a direção ou a intensidade de uma força. Em geral, estes dispositivos podem ser definidos como os mecanismos mais simples que utilizam a vantagem mecânica para multiplicar a força. O termo refere-se a seis máquinas simples clássicas que foram definidas pelos cientistas da Renascença:
a)    Alavanca;
b)    Cunha;
c)    Parafuso sem fim;
d)    Plano Inclinado;
e)    Polia; e
f)    Roda e eixo.
A ideia de máquina simples surgiu com o filósofo grego Arquimedes (287 A.C – 212 A.C.): alavanca, parafuso e polia. Ele descobriu o princípio da vantagem mecânica e expressou: “Dê-me um ponto de apoio e eu moverei a Terra”. Essa afirmação expressa sua percepção de que não há limite para a quantidade de amplificação de uma força que poderia ser obtido por meio da vantagem mecânica.
 
II - Lei das Alavancas
A alavanca é uma barra móvel que rotaciona em torno de um fulcro (Ponto de apoio de uma alavanca). A alavanca opera através da aplicação de forças em diferentes distâncias do fulcro.
A figura 1 ilustra a lei das alavancas. Segundo Arquimedes, o trabalho realizado por um operador ao empurrar para baixo o braço mais longo da barra é igual ao trabalho realizado pelo braço mais curto ao levantar o corpo. 
Figura 1: Alavanca com pesos PA e PB distantes XA e XB do fulcro, respectivamente.
A vantagem mecânica da alavanca pode ser determinada considerando a igualdade dos momentos polares, em relação ao fulcro.  
  
Sendo PA a força peso do bloco A e PB a força peso do bloco B. As distâncias XA e XB são distâncias perpendiculares entre as forças e o fulcro.Assim, pela igualdade dos momentos:
A vantagem mecânica da alavanca é dada pela razão entre as forças: 
 
Esta equação demonstra que a vantagem mecânica pode ser calculada a partir da razão entre as distâncias do ponto de aplicação das forças até o fulcro.
III – Leis dos Corpos Flutuantes
Um corpo, ao ser mergulhado em um líquido, aparentemente tem seu peso diminuído, chegando às vezes ser totalmente anulada quando o corpo flutua. Esse fenômeno ocorre devido a uma força que atua de baixo para cima, aplicada pelo líquido sobre o corpo, sempre que o mesmo é mergulhado. A essa força chamamos de empuxo (E).Considere um recipiente contento água, figura 2a, mergulha-se nele uma esfera, figura 2b. Observa-se que a presença da água deslocou um certo volume (V) de líquido.
Figura 2: a) recipiente preenchido contendo água e b) deslocamento de água em virtude do mergulho de uma esfera. 
Com base nesse experimento, Arquimedes estabeleceu o seguinte princípio: Um corpo mergulhado em um fluido em equilíbrio, recebe um empuxo vertical, de baixo para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo. Tomando um fluido de densidade constante, o empuxo vale:
sendo Pfluido o peso do fluido deslocado.
 
Para um determinado volume (V) deslocado em um fluido com densidade igual a d, tem-se:
 como 
onde mf é a massa do fluido deslocado e g a aceleração da gravidade. Assim:
IV  - Exercícios Resolvidos
Exemplo 1)  Uma pessoa levanta uma pedra de 280 kg (P = 2800 N)por meio de uma alavanca. Esta alavanca possui comprimento total de 2 m e a pedra está a 50 cm do fulcro. Sabendo que a pessoa aplicou uma força máxima de intensidade F, determine a intensidade da força aplicada e a vantagem mecânica obtida nesta situação.Dados:P = 2800 N dP = 0,50 m F = ? dF = 1,50 m
Segundo apresentado na teoria, em uma alavanca a situação é satisfeita:
Assim,
 
A vantagem mecânica é obtida por meio da razão entre as distâncias ou entre as forças:
Portanto, para o problema apresentado a vantagem mecânica obtida foi de 3 (a força aplicada pelo usuário foi amplificada 3 vezes).
Exemplo 2) Uma esfera de ouro com massa de 1 kg e densidade douro = 19,3 g/cm3, é totalmente mergulhado em água. Qual é o empuxo sobre esta esfera e seu peso aparente considerando a densidade da água como dágua = 1 g/cm3 ? Considere a aceleração gravitacional g = 10 m/s2.
 
 
Dados:m = 1 kg douro = 19,3 g/cm3 dágua = 1 g/cm3 g = 10 m/s2
Como o bloco de ouro está totalmente submerso, pode-se afirmar que o volume de água deslocado é exatamente igual ao volume do bloco. Assim:
Substituindo os valores fornecidos pelo problema:
Para o cálculo do empuxo (E), tem-se:
O peso aparente (Pa) será:
MÓDULO 3
Equilíbrio Estático da Partícula ou Ponto Material
I – Introdução
O equilíbrio estático é uma condição de um sistema mecânico no qual a soma vetorial de todas as forças que agem sobre ele é nula. Um sistema mecânico pode ser constituído por partículas ou sólidos.
a) Partícula ou ponto material: Na física clássica, partícula é um corpo cujas dimensões espaciais são muito menores que as do sistema estudado e cuja estrutura interna é irrelevante para a análise e compreensão de um determinado fenômeno físico; e
b) Sólido: Sólido é todo corpo cujas deformações são desprezadas. A distância entre dois pontos de um sólido é invariante.
 
II – Força
Força é uma grandeza vetorial (tem direção, sentido e intensidade), por meio da qual se quantifica a interação entre dois corpos. Desta forma, pode-se afirmar que o conceito de força respeita os seguintes princípios:
a) Princípio da superposição de efeitos: O efeito criado por um conjunto de forças aplicado em um corpo é igual à soma ou superposição dos efeitos que cada força iria gerar quando aplicada separadamente sobre o mesmo corpo.
b) Soma através da regra do paralelogramo: A soma de duas forças por meio da regra do paralelogramo é obtido da seguinte forma:
i) Traça-se uma paralela a cada força passando pelo extremo da outra e, com isso, gera-se o paralelogramo;
ii) A diagonal do paralelogramo que passa pela intersecção das forças representa a soma das mesmas (vetor laranja). A outra diagonal representa a diferença (vetor pontilhado em azul).
c) Princípio da transmissibilidade: O efeito de uma força sobre um corpo indeformável não se altera quando seu ponto de aplicação é deslocado ao longo de sua própria linha de ação.
d) Ação e Reação: A cada força que o corpo A aplicar no corpo B, corresponderá instantaneamente uma força de reação, que o corpo B irá aplicar no corpo A. As forças de ação e reação possuem as mesmas direções e intensidades e sentidos opostos.
III – Unidade de força
A unidade de força no sistema técnico (MKS) é definida por:
"Um quilograma-força (1 kgf) é o peso de um quilograma de massa em gravidade normal (g = 9,78 m/s²)"
No sistema internacional de unidades (S.I), a unidade de força é definida por:
"Um newton (1 N) é a resultante das forças que, aplicada a um ponto material de massa 1 kg, produz no mesmo a aceleração de 1 m/s²"
Assim, a conversão das unidades de kgf para N:
1 kgf = 9,8 N
IV – Estática da partícula
Uma partícula apresenta-se em equilíbrio estático desde que a resultante de todas as forças a ela aplicadas seja nula.
V - Exercícios Resolvidos
Exemplo 1) Um bloco de peso 100 kgf encontra-se em equilíbrio suspenso por dois cabos considerados ideais, conforme ilustrado na figura. Determine as forças de tração em cada cabo.
Primeiramente deve-se encontrar todas as forças atuantes no sistema e definir o referencial.
Analisando as forças que atuam no nó (para determinar as trações nos cabos), tem-se:
Analisando primeiramente o bloco:
No bloco não há forças atuantes em x. Já em em y, tem-se:
Analisando as forças atuantes no nó:
a) em y:
b) em x:
Substituindo o valor de T2 na Equação (1), tem-se:
Substituino o valor de T1 na equação do T2: