Física e Biofísica - Livro-Texto - Unidade II

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FÍSICA E BIOFÍSICA
Unidade II
5 PROCESSOS VISUAIS
5.1 A natureza da luz
É indiscutível que a luz é fundamental para a vida dos seres humanos. Nós precisamos de oxigênio 
para respirar e precisamos iluminar nossas casas para que a vida não fique restrita apenas ao período 
diurno, como no tempo das cavernas.
Alguns organismos fazem fotossíntese: plantas, algas e algumas bactérias que possuem clorofila. 
Nesse processo, os organismos utilizam a energia da luz para converter gás carbônico e água em 
biomoléculas e todos os seres vivos do planeta necessitam dessas moléculas. Durante esse processo, os 
seres fotossintetizantes, liberam oxigênio para o ar que respiramos.
A luz possui energia e a maior fonte dessa energia é o Sol, que é uma estrela que está localizada a 
cerca de 150 milhões de quilômetros da Terra. A luz segue durante cerca de 8 minutos e meio no vácuo 
para sair do Sol e trazer sua energia para a Terra. A luz é uma onda eletromagnética.
As ondas eletromagnéticas afetam os sistemas biológicos, em especial as ondas que se encontram 
na faixa de frequências de 4,3.1014 Hz a 7,5.1014 Hz (DURÁN, 2003). Essas frequências são o espectro da 
luz visível que, pela conveniência, são expressos em termos do comprimento de onda, ou seja, de 750 
nm a 350 nm.
 Lembrete
Período, frequência e comprimento de onda são expressões numéricas 
da mesma característica de uma onda e usamos um ou outro fator 
de acordo com a conveniência matemática. No caso da luz, que é uma 
onda eletromagnética com uma frequência muito alta, é muito mais fácil 
trabalhar com valores em comprimento de onda.
Esse intervalo de frequências corresponde às cores, que vão desde o vermelho (menor frequência e 
maior comprimento de onda) até o violeta (maior frequência e menor comprimento de onda). Ondas 
eletromagnéticas cujas frequências estejam próximas a este intervalo também são tratadas como luz: 
frequências um pouco abaixo da frequência do vermelho são chamadas infravermelhas e as frequências 
um pouco acima do violeta são chamadas ultravioletas.
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5.1.1 Teoria corpuscular da luz
O estudo da luz remonta à Grécia Antiga. As primeiras explicações sobre a luz eram baseadas nos 
conceitos do atomismo, que foi uma corrente do pensamento grego que tentava justificar a existência 
do movimento, ou seja, não tem relação com o conceito do átomo que se estuda em química.
Quem consolidou a teoria corpuscular da luz foi o físico inglês Isaac Newton (1643‑1727). Ele 
desenvolveu uma série de conceitos que explicavam os mais variados fenômenos óticos.
A teoria corpuscular foi desenvolvida no século XVIII, pelos seguidores de Newton (GARCIA, 1998). 
Segundo Newton, a luz é composta por pequenos corpúsculos lançados a partir das fontes luminosas 
com grande velocidade. Essa teoria explica alguns comportamentos da luz, como o fato de os ângulos 
de incidência e de reflexão da luz em uma superfície serem iguais e o fato de a propagação do raio de 
luz num meio homogêneo ser retilínea.
Contudo, a teoria corpuscular não explica outros fenômenos como a difração, que é a mudança de 
ângulo de propagação quando a luz muda de meio, e a interferência entre dois feixes de luz cruzados, 
que se afetam no ponto de cruzamento; contudo, o efeito não se propaga após o cruzamento, o que fez 
com que se propusesse que a luz é de natureza eletromagnética.
5.1.2 Teoria ondulatória da luz
No início do século XIX, com o aperfeiçoamento da teoria ondulatória de Thomas Young e Augustin 
Fresnel, a teoria corpuscular foi, aos poucos, sendo rejeitada (GARCIA, 1998).
No século XVII, Christiaan Huygens (1629‑1695) propôs a ideia de que a luz fosse um fenômeno 
ondulatório, mas as experiências de Thomas Young e Augustin Fresnel sobre interferência e difração 
demonstraram que esses fenômenos só seriam possíveis se à luz correspondesse um movimento 
ondulatório.
Young conseguiu, por meio de um aparato simples, provocar a interferência entre dois feixes 
luminosos vindos da mesma fonte. Ele fez com que a luz de uma única fonte luminosa passasse por 
um orifício, provocando o espalhamento desse feixe. Logo após, o feixe de luz teve que passar por dois 
outros orifícios, sofrendo novo espalhamento, surgindo duas novas ondas luminosas, que se propagavam 
com a mesma fase, mas provocando interferências entre si. Isso é demonstrado pelo padrão de franjas 
projetado numa tela, que só é possível se a luz for uma onda. A figura 15 mostra o experimento de 
Young.
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Padrão de 
franjas
Anteparos Tela
Figura 15 – Padrão de franjas segundo a experiência de Young
5.1.3 Teoria da dualidade onda‑partícula
Um fenômeno que a teoria ondulatória da luz não explica é o fato de alguns materiais emitirem 
elétrons quando recebem luz. Esse fenômeno é conhecido como efeito fotoelétrico e está presente em 
materiais como o arseneto de gálio, que é utilizado em conversores de energia solar.
Para explicar o efeito fotoelétrico, imagine uma mesa de bilhar no início do jogo, com as bolas 
coloridas agrupadas em triângulo e a bola branca preparada para a primeira tacada. Se o jogador der 
uma tacada fraca, as bolas coloridas serão movimentadas com pouca energia; por outro lado, se a 
tacada for forte, as bolas serão espalhadas com maior velocidade.
Quando a luz incide sobre uma placa fotoelétrica, provoca a emissão de uma quantidade de elétrons, 
com certa velocidade. Porém, ao aumentar‑se a intensidade dessa luz, ao contrário do que seria esperado, 
os elétrons não são emitidos com maior velocidade, mas é emitida uma maior quantidade de elétrons. E 
ainda mais, emitir ou não elétrons depende da frequência (cor) da luz.
Esse efeito não pode ser explicado pela teoria ondulatória pura. O motivo é que a luz não se comporta 
apenas como ondas, mas como um feixe de pequenos pacotes de energia chamados de fótons. O fóton 
é absorvido pelo elétron, que ganha essa energia.
Um fóton de uma luz azul (maior frequência) possui mais energia que um fóton de uma luz vermelha 
(menor frequência) e age como no exemplo da bola de bilhar na tacada forte, transmitindo maior 
energia aos elétrons.
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Aumentando‑se a intensidade da luz, mais fótons com a mesma quantidade de energia atingem os 
elétrons e promovem uma maior remoção de elétrons e não uma remoção mais rápida, como seria de 
se esperar na teoria ondulatória.
Foi Albert Einstein quem conseguiu demonstrar que um feixe de luz é composto por pequenos 
pacotes de energia, chamados fótons, explicando o fenômeno da emissão fotoelétrica. Esta interpretação 
corpuscular da luz também explica por que a maior intensidade aumenta o número de elétrons ejetados 
– com mais fótons colidindo no metal, mais elétrons têm probabilidade de serem atingidos.
Foi esta explicação que deu a Einstein o Prêmio Nobel de Física de 1921. Esse conhecimento deu 
origem à tecnologia dos sensores fotoelétricos presentes em sistemas de segurança, portas automáticas 
e câmeras fotográficas digitais.5.2 Formação das cores nos objetos
Uma das descobertas de Isaac Newton em relação à ótica é sobre a composição das cores. Já se sabia 
que a luz, ao passar por um prisma, que é uma peça de vidro transparente cujas faces opostas não são 
paralelas, gera diversos feixes coloridos. Isso era atribuído a impurezas na composição do vidro.
Newton não acreditava nessa hipótese e fez um experimento isolando um dos feixes coloridos e 
fazendo‑o passar por um novo prisma. Esse feixe de luz não sofreu nenhuma distorção, o que comprovou 
que essa cor não é resultado de impurezas do vidro, mas um componente da luz.
Posteriormente, Newton reproduziu essas cores num disco e demonstrou que, ao girá‑lo em alta 
velocidade, não se percebem as cores separadamente, mas, sim, enxerga‑se o somatório dessas cores, 
ou seja, a cor branca.
A partir dessa conclusão, Newton explicou as cores nos corpos que não possuem luz própria como 
sendo o resultado da absorção de algumas cores e reflexão de outras cores do espectro da luz branca.
Note que, além do processo estritamente físico da geração das cores dos objetos, existe o efeito 
fisiológico na percepção dessas cores.
Um ser humano comum consegue perceber as cores entre os comprimentos de onda de 750 a 400 
nm, mas outros animais conseguem perceber outras frequências localizadas no infravermelho e no 
ultravioleta. Isso vai depender das células que fazem parte de sua fisiologia.
5.3 As câmaras fotográficas
Sistemas óticos biológicos podem ser bastante complexos. Vamos começar essa explicação por um 
sistema mais simples: uma câmera fotográfica simples.
Não existe um inventor para a câmera fotográfica. Ela é um equipamento que foi sendo aperfeiçoado 
ao longo dos séculos. Há registros históricos de processos semelhantes na China e na Índia que remontam 
ao século V a.C.
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Na história ocidental, os primeiros registros fazem referência a Aristóteles, no século IV a.C., que 
conseguiu observar um eclipse solar por meio de uma projeção do fenômeno no chão, provocada por 
pequeno espaço entre folhas entrelaçadas de uma árvore. Uma descoberta feita ao acaso.
A evolução seguinte foi a criação da câmara escura feita por Giovanni Baptista Della Porta, no 
século XVI, já no período do Renascimento. (KODAK, 2013). A câmara escura era usada por pintores para 
reproduzir paisagens com maior facilidade.
A câmara escura dessa época é um recinto fechado, no qual não se permite a entrada de luz, exceto 
por um orifício numa das paredes, que é direcionado para a paisagem que se deseja retratar. Observe a 
sequência da figura 16.
 (a) (b) (c)
Figura 16 – Formação de uma imagem dentro de uma câmara escura
Um raio de luz sai do Sol, atinge o alto da árvore e é refletido em todas as direções (a) sendo uma 
delas, em direção ao orifício da câmara escura. O mesmo acontece com todos os raios de luz até o ponto 
mais baixo da árvore (b). A junção de todos os raios de luz, ao passar pelo orifício da câmara escura, 
resulta em uma imagem invertida em relação à imagem original.
Alguns pintores utilizavam o recurso da câmara escura para reproduzir paisagens. Quanto menor 
o orifício, mais nítida é a imagem, porém a imagem fica tênue e mais difícil de ser enxergada. Esse 
problema foi resolvido por Girolamo Cardano, em 1550, que passou a utilizar uma lente biconvexa para 
concentrar os raios de luz, conseguindo aumentar a quantidade de luz na formação da imagem dentro 
da câmara escura sem que haja perda de nitidez. Observe a figura 17.
 (a) (b)
Figura 17 – Comparação entre uma câmara escura com um orifício grande sem lente (a) e com lente (b)
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Um orifício grande coleta vários raios de luz resultantes da reflexão no objeto (a), o que resulta em 
diversas imagens sobrepostas no fundo da câmara escura. A lente biconvexa converge os raios de luz 
para um ponto focal (b). Esse ponto funciona de uma maneira semelhante a um orifício pequeno na 
câmara escura, tornando a imagem mais nítida e ao mesmo tempo permitindo a maior entrada de luz 
na câmara escura.
A câmara fotográfica atual é uma câmara escura onde a imagem fica registrada ou por meios 
químicos, no caso da câmera analógica, ou por sensores fotoelétricos, como nas câmaras digitais, 
localizados no fundo da câmara escura.
O olho simples tem um funcionamento semelhante ao funcionamento de uma câmara digital, como 
veremos a seguir.
5.4 Anatomia do olho simples
O olho é o órgão sensorial mais complexo dos humanos. Um médico e cientista alemão chamado 
Helmholtz, certa vez escreveu: “nós não somos simplesmente passivos às impressões que nos estimulam, 
mas nós as observamos” (apud GARCIA, 1998).
A figura 18 mostra um olho humano em corte, indicando seus principais componentes.
Esclerótica
Nervo 
óptico
Disco óptico
Fóvea
Retina
Corpo vítreo
Córnea
Músculos 
ciliares
Humor aquoso
Pupila
Lente
Íris
Corioide
Figura 18 – Principais componentes do olho simples
Vamos analisar alguns desses componentes e compará‑los ao funcionamento de uma câmera 
fotográfica.
O olho humano é revestido por três camadas: túnica fibrosa, túnica vascular e túnica interna ou 
retina.
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A túnica fibrosa é a camada mais externa do olho. Ela é formada pela córnea e pela camada 
esclerótica. A córnea é uma cobertura transparente e curva que recobre a íris. Pelo fato de ser curva, a 
córnea funciona como uma lente e ajuda a convergir os raios de luz para dentro do olho.
A esclerótica, que é o branco do olho, é uma cobertura de tecido mais denso que recobre todo 
o bulbo do olho, exceto a córnea. Ela dá a forma do olho e o torna mais rígido, protegendo suas 
partes internas.
A túnica vascular é uma camada intermediária composta pela coroide, pelo corpo ciliar e pela íris. 
A coroide é uma membrana que reveste a maior parte interna da esclerótica e contém muitos vasos 
sanguíneos. A melanina presente na coroide absorve os raios de luz difusos, impedindo a reflexão da luz 
dentro do olho.
Ligados à coroide estão os músculos ciliares e a íris. Os músculos ciliares têm por função alterar a 
forma da lente para facilitar a formação de foco para objetos próximos ou à distância. A íris é a parte 
colorida do olho e é formada por fibras musculares lisas. O orifício da íris, por onde entra a luz no olho, 
é chamada pupila.
A lente, também chamada de cristalino, é formada por muitas camadas de fibras de proteínas 
elásticas e sua função é focalizar os raios luminosos na retina, que é a camada mais interna do olho 
(TORTORA; DERRICKSON, 2012).
A retina é formada por duas camadas: o estrato nervoso e o estrato pigmentoso. O estrato nervoso 
é uma projeção do próprio encéfalo e possui neurônios e fotorreceptores. O estrato pigmentoso é uma 
camada com células epiteliais contendo melanina que, como na coroide, também ajuda a absorver os 
raios de luz difusos.
O interior do olho é preenchido por dois líquidos. O humor aquoso, que preenche o espaço entre 
a córnea e o cristalino, é formado por água e sais minerais. O humor vítreo é um líquido viscoso que 
preenche todo o espaço interno do olho, entre o cristalino e a retina e é compostopor fibras e células.
Os fotorreceptores são as células que convertem o sinal luminoso em impulsos nervosos. Existem 
dois tipos de fotorreceptores: os bastonetes e os cones. Os bastonetes são células que percebem a 
presença ou ausência de luz, ou seja, o preto, o branco e os tons intermediários de cinza. Os cones são 
as células que percebem as cores.
Os cones são especializados por cor. Nos humanos são de três tipos: os cones sensíveis ao 
azul, os cones sensíveis ao verde e os cones sensíveis ao vermelho. A visão a cores é resultado da 
combinação desses três tipos de cones, de uma maneira semelhante a uma impressora de jato 
de tinta, que combina as cores amarelo, cyan e magenta para fazer todas as cores que serão 
impressas. Os cones estão concentrados na fóvea, exatamente no centro da retina. Os bastonetes 
estão ausentes da fóvea e aumentam em número em direção à periferia da retina. A figura 19 
mostra os cones e os bastonetes.
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Bastonete Conjunto de membranas 
pigmentadas
Cone
Figura 19 – Microfotografia da retina e uma representação artística dos cones e bastonetes
5.5 O funcionamento do olho simples
O olho funciona de uma maneira semelhante a uma câmara fotográfica, onde o conjunto formado 
pela córnea, humor aquoso e cristalino forma uma lente biconvexa, tal qual a máquina.
Vamos imaginar um olho observando um objeto distante. Devido à distância podemos considerar a 
chegada dos raios de luz, refletidos pelo objeto como sendo paralelos.
Quando os raios de luz atingem a córnea, são convergidos e projetados para o fundo do olho, 
incidindo sobre a retina de modo a formar uma imagem invertida em relação ao objeto real. Essa luz, ao 
atingir a retina, ativa o pigmento presente nos cones e bastonetes.
Esse pigmento é uma substância que, quando absorve luz, sofre uma mudança em sua estrutura 
química. Esse pigmento, chamado de rodopsina, é composto por uma proteína chamada opsina e um 
derivado da vitamina A, chamado de retinal.
Quando um fóton atinge uma molécula de rodopsina, ela se quebra em opsina e retinal e ativa 
uma proteína G na célula fotorreceptora, que regula o canal iônico de sódio e potássio, gerando uma 
alteração de potencial que, por sua vez, é propagada para os neurônios ao nervo ótico, que levam a 
informação ao cérebro. Em seguida, a opsina e o retinal se recombinam em rodopsina novamente.
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Existem diferenças entre as opsinas dos bastonetes, cones azuis, verdes e vermelhos, mas os 
fotopigmentos dos cones recombinam‑se muito mais rapidamente do que os fotopigmentos dos 
bastonetes (TORTORA; DERRICKSON, 2012).
A sequência da bioquímica da transdução de sinal luminoso em sinal elétrico é semelhante em todos 
os cones e bastonetes da retina do homem e dos demais vertebrados.
Quando há um excesso de luz, a íris entra em ação, reduzindo o tamanho da pupila. A pupila funciona 
como o orifício da câmara escura e regula a entrada de luz no olho e, portanto, melhora a nitidez da 
imagem.
Se o objeto observado se aproxima do observador, o olho precisa corrigir o formato da lente para que 
a imagem continue incidindo sobre a retina e formando a imagem corretamente.
5.6 Dispositivos dióptricos
Conforme foi estudado, o olho simples funciona como uma câmera fotográfica, mas seu bom 
funcionamento depende de que o olho tenha um formato quase perfeito e, infelizmente, não existe 
perfeição em tudo.
Quando a geometria do olho não é adequada ao seu bom funcionamento, somos obrigados a usar 
dispositivos que façam a correção da trajetória da luz para que a imagem formada no fundo da retina 
seja a mais correta possível. Esses dispositivos, óculos ou lentes de contato, combinam a geometria e 
a refração da luz para corrigir a trajetória dos raios luminosos e essa capacidade de mudar trajetórias 
óticas é chamada dioptria.
A luz, viajando no vácuo, atinge sua velocidade máxima. Em qualquer outro meio, a velocidade da 
luz é menor que no vácuo. Quando o raio de luz atinge perpendicularmente uma superfície de contato 
entre dois meios diferentes, não há alteração de trajetória, mas quando há um ângulo de incidência, a 
luz muda seu ângulo de trajetória devido à mudança de velocidade. A figura 20 mostra a alteração na 
direção de trajetória de um raio de luz ao cruzar a superfície de contato entre dois meios diferentes.
incidência normal incidência oblíqua
refração sem desvio refração com desvio
meio 1 meio 1
meio 2 meio 2
V2
V2
V1 V1
Figura 20 – Refração de um raio de luz ao passar de um meio para outro
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A figura 21 mostra como a geometria de uma lente transparente, associada à capacidade de refração do 
material da lente é capaz de convergir (a) ou divergir (b) raios de luz paralelos.
 (a) (b)
Figura 21 – Trajetória da luz por uma lente convergente (a) e por uma lente divergente (b)
No caso da convergência, os raios de luz chegam paralelos à lente biconvexa (a) e são convergidos a 
um ponto, chamado foco. No caso da divergência, na lente bicôncava (b), provoca o redirecionamento 
dos raios de luz de modo que, se for traçada uma trajetória no sentido oposto aos dos raios divergidos, 
será encontrado um foco virtual à esquerda da lente.
5.7 Defeitos de visão
A maioria dos defeitos de visão é devido aos problemas de focalização da imagem, e o olho não 
produz imagens nítidas dos objetos. Por isso que uma pessoa com problemas de focalização aproxima ou 
afasta os objetos dos olhos. Um olho normal pode focalizar objetos localizados em distâncias que variam 
desde o infinito até aproximadamente 15 cm a sua frente (DURÁN, 2003). Isto é resultado do ajuste da 
lente feito pelo músculo ciliar (figura 18). A idade de uma pessoa tem influência direta na acomodação 
do olho devido à redução da força nesse músculo. Esse problema é chamado presbitismo ou presbiopia 
e o sujeito portador desse problema não enxerga bem a pequenas distâncias.
Outros problemas de visão devem‑se à desarmonia entre a geometria do conjunto formado pela 
córnea e pelo cristalino e o comprimento axial do olho. O olho normal é chamado olho emétrope e 
quando não há um ajuste perfeito na geometria do olho é chamado olho amétrope.
Existem dois tipos de ametropia: a miopia e a hipermetropia.
A miopia, também chamada braquiometropia, é a dificuldade em enxergar objetos distantes. Neste 
caso, a imagem que seria perfeita está localizada na parte anterior à retina, como é mostrado na figura 
22. Nela, o olho emétrope está representado em tracejado. Note‑se que o que seria a imagem perfeita 
está localizado à frente da retina e a imagem sobre a retina está fora de foco.
Figura 22 – Esquema da formação de imagem num olho míope
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Outra maneira de descrever a miopia, é que o conjunto córnea e cristalino promove uma convergência 
excessiva dos raios de luz. Para a correção desse defeito, é necessário o uso de lentes que compensem 
essa convergência, ou seja, lentes divergentes. A figura 23 mostraa correção feita pela lente divergente.
Figura 23 – Correção da miopia com lente divergente
A hipermetropia é a dificuldade de enxergar objetos próximos ao olho. Neste caso, a imagem perfeita 
estaria focalizada atrás da retina. É óbvio que a luz não atravessa a retina e não dá para formar uma 
imagem atrás do olho, mas se prolongarmos a trajetória dos raios de luz teremos um esquema como o 
mostrado na figura 24. O olho emétrope está mostrado em tracejado:
Figura 24 – Esquema da formação de imagem de um olho hipermetrope
Outra maneira de descrever a hipermetropia é por meio da pouca convergência dos raios de luz 
dentro do olho e, para corrigi‑la, é necessário o uso de uma lente convergente. A figura 25 mostra um 
esquema da correção da hipermetropia.
Figura 25 – Correção da hipermetropia com lentes convergentes
O astigmatismo também é um problema de focalização de imagens. Neste caso, o defeito é um 
formato irregular do conjunto formado pela córnea e pelo cristalino, que deixa de ter um formato 
arredondado (uma calota esférica, como um corte de uma bola de basquete) e passam a ter um formato 
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oval (uma calota elíptica, como um corte de uma bola de futebol americano). Essa deficiência visual 
forma uma imagem com vários focos, o que faz com que a imagem passe a ficar distorcida e embaçada, 
pois alguns raios ficam focalizados de maneira correta e outros não.
A lente, para esse caso, tem um formato mais complexo, com espessura variando entre o centro e 
as bordas, chamada lente tórica. Essa lente concentra os raios de luz num mesmo plano sobre a retina.
5.8 Acuidade visual
Acuidade é a capacidade de diferenciar objetos à distância. Por exemplo, ao observarmos uma 
pequena rachadura na pintura de uma parede, identificamos apenas um traço. Só conseguiremos 
identificar as bordas dessa rachadura se aproximarmos os olhos da parede. A acuidade visual 
é uma função complexa, que envolve fatores dióptricos, fisiológicos da retina e da própria 
percepção cerebral.
A retina é um aglomerado de células e, portanto, é descontínua. A retina poderia ser comparada 
ao sensor de uma câmera fotográfica digital, que registra a imagem em pixels. Para se ter uma 
comparação, a fóvea central, que é a área mais sensível da retina, possui 130.000 cones/mm2 (CBO, 
Minha Biblioteca). Considerando que a fóvea central tem cerca de 6 mm2, isso dá o equivalente a uma 
câmera de 780 megapixels.
O diâmetro dos cones é de 1 a 1,5 mm (milionésima parte do metro), e a distância entre dois cones 
vizinhos é de cerca de 3 mm. Considerando que a distância entre o foco da lente formada pelo conjunto 
córnea e cristalino, numa pessoa emétrope, e a retina é de 16,8 mm, o ângulo subentendido entre 
os centros de dois cones vizinhos é de 38,6’. Calcula‑se, então, que a este ângulo corresponde um 
afastamento de 2 mm à distância de 10 metros (CBO).
 Lembrete
Uma circunferência é dividida em 360° (graus), 1° é dividido em 60’ 
(minutos) e cada 1’ é dividido em 60” (segundos).
5.9 Olho composto
Como o olho simples, o sistema visual de insetos e crustáceos funciona por meio da incidência de 
luz visível sobre os olhos, fornecendo a energia necessária a diversas reações bioquímicas, em células 
especializadas, localizadas dentro do olho.
Porém, o olho dos insetos e crustáceos é formado por um grande globo de pequenas facetas 
receptoras da luz. Cada faceta é denominada omatídio e o olho formado por omatídios é chamado 
olho composto. A libélula, por exemplo, possui cerca de 28.000 omatídios; a mutuca possui cerca de 
3.000 e a mosca doméstica possui cerca de 4.000 omatídios (DURÁN, 2003).
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Um omatídio possui vários componentes, mas o principal é o rabdoma, em que se encontram as 
microvilosidades das células retinulares, que possuem os pigmentos fotossensíveis (MOYSES; SCHULTE, 
2010). A luz, ao atravessar o conjunto córnea e cristalino, é focalizada sobre a extremidade do rabdoma. 
Note que, como o omatídio não possui os músculos ciliares, presentes no olho simples, o conjunto 
formado pela córnea e pelo cristalino possui geometria fixa e, portanto, ponto focal fixo. A figura 26 
mostra um corte de um omatídeo.
(a) Fotografia de um olho composto (b) Estrutura de um olho composto (c) Estrutura de um omatídio (d) Secção transversal de um omatídio
Córnea
Córnea
Cone cristalino
Cone cristalino
Célula retinular
Célula retinular
Microvilosidades 
Célula retinular
Rabdômero 
(microvilosidades 
das células 
retinulares
Omatídio
Fibras nervosas 
aferentes
Figura 26 – Olho composto e um omatídeo em cortes
Logo abaixo dessa lente está um grupo de células fotorreceptoras, denominadas células retinulares, 
distribuídas em um arranjo tubular. Essas células são as células fotorreceptoras rabdoméricas típicas dos 
invertebrados. As microvilosidades desses fotorreceptores se projetam em direção a uma área central 
chamada de rabdômero.
O rabdoma se localiza logo abaixo do cristalino e guia a onda luminosa, por meio de inúmeras 
reflexões da luz ao longo do seu comprimento. O rabdoma mede entre 0,1 e 0,6 mm (OKUNO; CALDAS; 
CHOW, 1986). Como não há duas facetas orientadas para a mesma posição, cada omatídio capta um 
feixe de luz diferente, que deve incidir no limite sobre a córnea com um ângulo suficiente para que 
o raio de luz seja convergido para o rabdoma; então, as múltiplas facetas de um olho composto não 
captam uma imagem contínua.
A imagem percebida pelo olho composto é segmentada. Quanto maior for o omatídio, maior é cada 
fração da imagem e, portanto, menor é a definição da imagem.
 Observação
Para um inseto ter a mesma definição de imagem que um ser humano, 
seria necessário que tivesse um olho com mais de 1 metro de diâmetro.
Embora os olhos dos insetos tenham um poder de distinção limitado, eles são bons na captura de 
imagens de diferentes direções, porém a maioria desses animais enxerga somente poucos milímetros de 
distância do seu corpo (MOYSES; SCHULTE, 2010).
Existem dois tipos de olhos compostos, adaptados ao meio ambiente que o inseto vive.
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Os olhos compostos com aposição, típicos de insetos diurnos, apresentam omatídios circundados 
por uma célula pigmentada, atuando de forma independente, e detecta somente uma pequena fração 
do mundo à sua frente. Os neurônios dos olhos destes insetos fazem muitas conexões, o que os tornam 
capazes de gerar uma imagem integrada.
Nos olhos compostos com sobreposição, os omatídios atuam juntos para produzir uma imagem 
nítida e sobreposta na retina. Este tipo de olho é encontrado em insetos e crustáceos de hábito noturno 
e mostram um bom funcionamento em condições de pouca luminosidade.
Exemplo de aplicação
Monte uma máscara que cubra totalmente seu rosto usando caixas de ovos com os fundos dos 
encaixes dos ovos furados. Você vai entender melhor como se processa a imagem de um olho composto.
5.10 Microscópios óticos e eletrônicos
Não se sabe exatamente quem inventou o microscópio. Atribui‑se a invenção do microscópio aos 
fabricantes de óculos holandeses, Hans Janssen e seu filho Zacharias, em 1590; porém, o primeiro a 
fazer observações microscópicas de materiais biológicos foi Antonievan Leeuwenhoek.
O microscópio ótico consiste basicamente em duas lentes convergentes. A lente que fica mais 
próxima do material em estudo é chamada de objetiva e a lente que fica mais próxima do olho é 
chamada ocular (OKUNO; CALDAS; CHOW, 1986).
A luz que chega aos nossos olhos para formar a imagem, atravessa o objeto em estudo. Por isso, o 
material a ser observado não pode ser opaco. Para garantir que a amostra seja translúcida, são feitos 
cortes muitos finos, de preferência com uma máquina chamada micrótomo. O material a ser cortado 
recebe um tratamento de desidratação e inclusão em parafina que facilita o manuseio e permite que 
sejam cortadas fatias muito finas.
O objeto a ser estudado é colocado perante à objetiva a uma distância um pouco maior que a 
distância focal, o que amplia e inverte a imagem. Essa imagem serve de objeto para a ocular, que 
também amplia e inverte a imagem, formando uma imagem direta e ampliada do objeto.
Para saber a capacidade de ampliação do microscópio ótico, é necessário multiplicar a capacidade da 
lente objetiva pela capacidade da lente ocular. Por exemplo, se a ocular tem uma capacidade de ampliação de 
5 vezes e a objetiva tem a capacidade de ampliação de 100 vezes, a capacidade do conjunto é de 500 vezes.
O principal parâmetro que limita a capacidade de resolução do microscópio ótico é o comprimento 
de onda da luz que dá o limite de resolução dos microscópios ópticos. Isso é de cerca de 0,2 µm. A luz 
é uma onda eletromagnética, cujo comprimento de onda visível se encontra entre 0,4 e 0,75 µm. Se o 
objeto tem um tamanho muito menor que esse valor, corre‑se o risco da onda luminosa não atingi‑lo e, 
então, não será possível vê‑lo. A figura 27 mostra essa possibilidade.
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 (a) (b)
Figura 27 – Reflexão (a) num objeto maior e (b) num objeto menor que o comprimento de onda de luz
Quando o objeto a ser observado é maior que o comprimento de onda do raio de luz (figura 27a), a luz 
consegue atingir o objeto e ser refletida para o observador. Quando o objeto é menor que o comprimento 
de onda (figura 27b), o raio de luz passa direto, sem refletir e, portanto, sem que o observador consiga 
visualizar o objeto.
Nesta escala de grandezas, é possível observar bactérias, mas não é possível observar vírus, por 
exemplo.
O engenheiro alemão Ernst Ruska inventou o microscópio eletrônico em 1933. O microscópio 
eletrônico não utiliza luz, mas um feixe de elétrons, que tem comprimento de onda menor que o da luz 
visível. Quem faz o papel das lentes de vidro do microscópio ótico são bobinas magnéticas, chamadas 
de lentes eletromagnéticas.
A capacidade de resolução de um microscópio eletrônico varia entre 1 µm e 1 nm, o que possibilita 
visualizar vírus e organelas celulares.
A invenção, em 1981, do microscópio de tunelamento eletrônico de aos alemães Gerd Binnig e Ernst 
Ruska e ao suíço Heinrich Rohrer o Prêmio Nobel de física de 1986. Este tipo de microscópio mede a 
corrente elétrica criada entre a superfície do objeto e uma ponteira‑sonda de tungstênio, construída 
utilizando nanotecnologia. É possível produzir uma imagem controlada por computador na qual são 
vistos até os átomos.
6 ENERGIA
6.1 Introdução
O conceito de energia, assim como o de matéria, é um dos fundamentos da física mais difícil de 
definir. Ainda mais quando essa palavra é empregada de forma tão errada no cotidiano. Toda matéria e 
toda a energia do universo foram criadas no momento do surgimento do universo, o Big Bang. Toda e 
qualquer transformação na natureza demanda, e resulta em, uma movimentação de massa e energia. 
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Unidade II
De uma maneira simplificada, definimos matéria e energia segundo suas propriedades: matéria é 
tudo o que tem massa e ocupa um lugar no espaço, enquanto a energia é a capacidade de executar 
trabalho.
Se toda a massa e toda a energia do universo surgiram no momento do Big Bang, então não faz 
sentido a ideia de geração e consumo de energia, pois se fosse possível consumir energia, isso significaria 
que o universo poderia parar, o que é um absurdo.
Esse conceito de geração e consumo de energia só é válido mediante a análise de dois sistemas 
físicos em interação.
Um sistema é uma porção do universo separada para facilitar o entendimento de um fenômeno. Por 
exemplo, se um pesquisador quer estudar a potência do motor de um carro, não precisa considerar os 
fósseis marinhos que deram origem ao petróleo e o efeito estufa no mundo. Ele simplesmente considera 
a qualidade da gasolina que está entrando no motor e o calor dos gases na saída do escapamento, 
isolando (teoricamente) o motor do resto do universo.
Damos nomes diferentes para a energia, dependendo da forma como ela é encontrada; por exemplo, 
energia elétrica se for encontrada na forma de elétrons em movimento ou energia térmica se for 
encontrada na forma de temperatura. Mas tudo isso é energia e pode ser transformada de uma maneira 
para outra sem deixar de ser energia.
A energia, independentemente do estado em que ela se encontra, é medida em J (Joule), segundo o 
Sistema Internacional de Medidas. Para dar uma noção prática, 1 J é, aproximadamente, a quantidade 
de energia que você gasta para tirar um copo com água pela metade e levantar do chão até em cima 
de uma mesa. Em outros sistemas de unidade, podemos encontrar a caloria (4,184 J), usada para medir 
a energia dos alimentos; o BTU (1.055,05585 J), usado para medir a capacidade de equipamentos de 
ar condicionado; o kWh (3,6.106 J), usado para a medição do consumo de eletricidade; e muitas outras 
unidades, mas todas elas referentes à energia.
6.2 Primeira Lei da Termodinâmica
Quando dois sistemas físicos interagem entre si, ocorrem mudanças nos dois sistemas, então 
podemos entender que a energia pode ser transferida ou convertida de uma forma para outra, mas 
nunca é criada ou destruída. Por exemplo, ao colocarmos gelo num copo com água, a água fica gelada, 
mas o gelo derrete, ou ainda, enquanto o congelador da geladeira esfria, a grade na parte de traz da 
geladeira esquenta.
Analisando a interação entre dois sistemas físicos de uma forma mais restrita e sem levar 
em consideração a relação desses sistemas com o resto da natureza, podemos considerar que, 
enquanto um fornece energia, o outro consome energia. Dessa forma, é possível enunciar a ideia 
mostrada na figura 28.
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Energia que entra — Energia que sai = energia que acumula
Sistema físico
Energia que acumula
Energia que entra Energia que sai
Figura 28 – Primeira Lei da Termodinâmica
Essa ideia é conhecida como Primeira Lei da Termodinâmica.
Imagine dois gatos sendo alimentados com exatamente a mesma quantidade de ração. Quem 
engordará mais rápido: o gato que fica parado dormindo em casa ou o que vai para a rua se exercitar? 
É claro que o que fica parado engorda mais, mas por quê?
Comida é energia para o corpo. Se os gatos comem a mesma quantidade de comida, têm a mesma 
quantidade de energia entrando. Atividade física é gasto de energia, então o gato que se exercita gasta 
mais que o que fica parado, portanto, o acúmulo será maior no que fica parado.
Muitos inventores tentaram, ao longo dos séculos, inventarmáquinas que não consumam energia, 
ou ainda pior, que gerem mais energia do que consomem. Existe um termo em latim para isso, perpetuum 
mobile ou em português, motocontínuo. Mesmo que fosse possível eliminar todas as forças que dissipam 
energia, como o atrito, uma máquina desse tipo seria completamente inútil, pois, ao retirarmos energia 
da máquina, ela para.
Esse é o sentido da Primeira Lei da Termodinâmica: a energia se conserva. Ela não surge do nada e 
não vai para o nada. Ela é convertida nos vários sistemas da natureza ou das máquinas.
De onde veio a energia que um jogador gasta para correr atrás de uma bola? Da alimentação, 
talvez sob a forma de um belo bife de carne. E essa carne veio de um boi, que comeu bastante capim 
para poder crescer. O capim, por sua vez, absorveu a energia fornecida pela luz do Sol para poder 
crescer, e o Sol libera luz por causa da reação de fusão em seu núcleo e o hidrogênio consumido nessa 
reação veio do Big Bang.
Além disso, se toda a energia fornecida pelo Sol ficasse na Terra, a temperatura do planeta subiria 
indefinidamente e morreríamos queimados. A Terra rejeita calor para o espaço e o efeito estufa é 
provocado pela geração de gases que atrapalham esse processo. A energia fornecida pelo Sol (energia 
que entra) é constante, mas, se reduzirmos a energia rejeitada para o espaço (menos energia que sai), o 
resultado é um aumento da temperatura do planeta (igual à energia que acumula). Isso é uma aplicação 
da Primeira Lei da Termodinâmica.
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6.2.1 Trabalho
Definimos energia como sendo a capacidade de realizar trabalho. Mas o que isso significa?
A energia existe no universo em diversas formas: energia térmica, energia elétrica, energia 
química, energia nuclear etc. Mas somente percebemos essa energia quando colocamos dois 
sistemas em contato e essa energia migra de um sistema para outro. Então, o que percebemos não 
é a energia, mas a energia em movimento. Por exemplo: olhe para uma tomada elétrica. Como é 
possível saber se ela está funcionando ou não? Somente conectando algum aparelho na tomada 
para ver se ele funciona ou olhando algum aparelho funcionando conectado ao mesmo circuito. O 
que se vê é a energia em movimento.
Toda vez que se fornece energia para um sistema e ele altera o estado que estava, está se 
fazendo trabalho. Observe o exemplo da figura 29. O operário está movimentando uma carga de 
um ponto para outro, e para colocar essa carga em movimento é necessária a aplicação de uma 
força. Essa aplicação de força é um fornecimento de energia e, como houve um deslocamento, essa 
força realizou trabalho.
A
F
B
d
Figura 29 – Uma força realizando trabalho
A carga estava inicialmente em repouso, mas com a aplicação da força, a carga foi posta em 
movimento, então o estado da carga foi alterado. A força F executou trabalho. Se a força tivesse sido 
aplicada de cima para baixo e a caixa não afundasse no chão, então não ocorreria o deslocamento e nem 
a transferência de energia, então a força não executaria trabalho.
 Observação
Não confunda o conceito físico de trabalho com o conceito de serviço. 
Na física, trabalho é transferência de energia.
Agora vamos analisar a elevação de uma carga. Observe a figura 30. A mulher está elevando uma 
caixa a partir do chão. Neste caso, a força que está executando trabalho é a força vertical.
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Figura 30 – Trabalho executado na vertical
Obviamente uma pessoa normal não consegue elevar uma carga numa linha reta perfeita e acaba 
executando diversos movimentos de vai e volta na horizontal, resultando numa trajetória estranha até 
a caixa atingir sua posição final.
Neste caso, foi somente o componente da força na vertical quem executou o trabalho e a energia 
fornecida à caixa resultou num acúmulo de energia potencial, por causa da mudança de altura 
independentemente da trajetória executada.
6.2.2 Potência
Vamos analisar o caso de dois carregadores de caixas executando o mesmo serviço: um homem fraco 
e um homem muito forte. Qual dos dois vai conseguir levantar a caixa a 1 m de altura, primeiro?
É claro que o carregador forte vai levantar primeiro, mas por que, se o trabalho a ser executado é 
exatamente o mesmo? A resposta para isso está na potência aplicada.
A figura 31 traz outro exemplo de comparação. O serviço de arado pode ser executado por meio de 
tração animal ou pelo uso de um trator. Qual dos dois processos é mais rápido e por quê?
Figura 31 – Comparação entre a tração animal e a potência do trator
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Unidade II
A energia necessária para revolver a terra é exatamente a mesma em ambos os casos, mas o trator 
vai puxar mais rápido porque faz mais força, então precisa de menos tempo.
Potência é a medida da rapidez com a qual a energia é transferida.
Se um sistema é muito potente, isso significa que possui uma grande capacidade de transferência 
de energia, mas isso não diz absolutamente nada sobre velocidade ou sobre a força que esse sistema é 
capaz de desenvolver. Isso vai depender do trabalho a ser executado.
Se compararmos os diversos sistemas mecânicos mostrados na figura 31, é possível perceber que 
conhecer a potência de um sistema não implica conhecer a quantidade de trabalho a ser realizado e 
muito menos a rapidez com que isso será executado.
100 cv
200 000 cv 40 000 cv
200 cv
Figura 32 – Comparação entre as potências de diversos sistemas mecânicos
Uma motocicleta de rali, junto com o piloto, pesa cerca de 150 kg, mas consegue andar a uma 
velocidade semelhante à de um carro, que pesa pouco mais de 1000 kg. O navio e o avião deslocam‑se 
por distâncias semelhantes, mas seus pesos e velocidades são muito diferentes.
No sistema internacional, a potência é medida em W (Watt), que é a capacidade de transferir 1 J 
em 1 segundo. O nome dessa unidade foi dado em homenagem ao inglês James Watt, o inventor das 
máquinas a vapor.
Curiosamente, a máquina inventada por Watt visava substituir o uso de cavalos em indústrias, então 
ele criou uma maneira de comparar a capacidade de sua máquina com o número de cavalos que ela 
substituía. Surgiu aí a unidade HP, do inglês Horse Power, que equivale a 745,7 W, e na prática foi 
definido por Watt como sendo a potência necessária para erguer 330 libras (149,7 kg) a uma altura de 
100 pés (30,48 m) em um minuto.
A unidade cavalo‑vapor, ou CV, surgiu mais tarde, com a necessidade de definir as unidades segundo 
parâmetros do Sistema Internacional. Um cavalo‑vapor foi definido como sendo a potência necessária 
para erguer uma massa de 75 kg a uma altura de 1 metro em 1 segundo. Um CV equivale a 735,5 W.
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6.3 Formas de energia
A energia se manifesta sobre diversos aspectos: energia térmica, cinética, potencial, elétrica etc., mas 
independentemente da forma como essa energia se manifesta, é sempre energia. Uma manifestação 
dessa energia pode ser convertida em outro tipo de manifestação.
Precisamos de energia para movimentar a indústriae os meios de transporte; viabilizar as atividades 
comerciais e de serviços e alimentar uma parafernália de equipamentos domésticos e pessoais.
A energia encontrada na natureza não consegue ser utilizada de uma forma prática. Além de estar 
num estado bruto e, muitas vezes, descontrolado, a energia na natureza se encontra longe dos pontos 
consumidores. Essa energia precisa ser transformada e transportada.
Ao se estudar as fontes de energia, deve se ter em mente que o objetivo final é obter‑se eletricidade 
ou combustível, que são formas baratas e viáveis para serem transportadas.
 Saiba mais
Para saber um pouco mais sobre a energia elétrica, assista o documentário 
da Discovery Channel sobre a chamada “Guerra das Correntes”, que são os 
embates entre Thomas Edison, o inventor da lâmpada, e Nikola Tesla, o 
inventor do sistema elétrico de corrente alternada.
A GUERRA elétrica: a disputa entre Edison, Westinghouse e Tesla. Dir. 
Axel Engstfeld (Título original: War of Currents). Discovery Channel, 2004.
Analisaremos separadamente alguns tipos mais comuns de energia.
6.3.1 Mecânica
A energia mecânica pode ser encontrada em três formas:
•	 Energia cinética: é a energia associada ao movimento. Quanto maior a velocidade de um corpo, 
maior a sua energia cinética.
•	 Energia potencial gravitacional: é a energia associada à altura em que se encontra o objeto.
•	 Energia potencial de mola: é a energia mecânica acumulada na compressão ou distensão de 
uma mola, ou ainda, associada à sua flexibilidade.
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Quando um atleta vai fazer um salto com vara, ele procura correr o mais rápido possível para tomar 
impulso. Esse impulso é a transformação da energia cinética, associada à corrida, em energia potencial 
de mola, acumulada pela deformação da vara. No instante seguinte, essa energia potencial de mola é 
redirecionada de volta ao atleta, que passa a ganhar altura (energia potencial gravitacional), conforme 
mostrado na figura 33. Quanto maior a energia cinética na corrida, maior a altura atingida pelo atleta.
Figura 33 – Transformações da energia mecânica num salto com vara
6.3.2 Energia térmica
A energia térmica está relacionada ao grau de agitação das moléculas que formam o material e é 
proporcional à temperatura. Quanto maior a temperatura, maior a energia térmica e vice‑versa, mas isso 
não significa que sejam sinônimos.
Toda matéria é composta por moléculas. Se dividirmos uma porção de matéria seguidas vezes, a 
menor porção que ainda conserva as propriedades físicas daquela matéria é a molécula, e as moléculas 
são formadas de átomos que, por sua vez, possuem um núcleo e vários elétrons girando numa eletrosfera.
A energia térmica está associada ao movimento das moléculas e de todas as partículas que 
compõem a matéria, por isso é semelhante à energia cinética. Podemos dividir a energia interna em três 
componentes (ATKINS, 2001):
•	 energia cinética translacional: relacionada à velocidade com que as moléculas de um gás 
transladam num espaço;
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•	 energia cinética rotacional: relacionada à rotação das moléculas, átomos e partículas 
subatômicas;
•	 energia cinética vibracional: relacionada ao movimento de vibração da molécula.
O que chamamos de transferência de calor é a variação da energia térmica de um sistema.
Num gás as moléculas estão numa agitação constante, colidindo umas com as outras, como se 
fossem bolas numa mesa de bilhar. Além disso, dentro das moléculas, todas as partículas que formam os 
átomos estão vibrando intensamente. Quando resfriamos esse gás, essa agitação vai se reduzindo e as 
moléculas param de se colidir umas com as outras.
Sob o efeito da gravidade e de forças de atração entre as moléculas, o gás se transforma em líquido 
e, posteriormente, em sólido, estado no qual ainda resta o movimento das partículas que compõem os 
átomos. Se continuarmos a resfriar essa substância, chegará um momento no qual essas partículas que 
compõem os átomos não se movem mais. Essa temperatura é chamada de zero absoluto.
Numa escala absoluta de temperatura, isto é, quando a temperatura está associada à agitação 
molecular, não faz sentido falar em temperatura negativa, já que não faz sentido falar em agitação 
negativa. Esta é a ideia da temperatura em Kelvin. Nota‑se que não é “graus Kelvin”. É somente Kelvin e 
a notação é K, sem o círculo característico das escalas Celsius (°C) e Fahrenheit (°F).
No desenvolvimento das escalas Celsius (°C) e Fahrenheit (°F) foram atribuídos valores arbitrários, de 
acordo com alguma conveniência. No caso da escala Celsius, foi atribuído o valor 0° para a fusão do gelo e 
100° para a ebulição da água. No caso da escala Fahrenheit, o valor 0° foi atribuído à menor temperatura 
medida na cidade de Copenhagen, de modo a não gerar valores negativos em medições meteorológicas.
6.3.3 Energia química e biológica
O que chamamos de energia química é o somatório de diversas grandezas físicas, sendo a principal 
chamada de entalpia de ligação.
A entalpia de ligação é a energia associada à formação de ligações químicas entre os átomos na 
formação das moléculas. Para cada ligação química formada, existe a absorção de uma quantidade 
de energia e para cada ligação química quebrada, a energia que havia sido absorvida na formação da 
ligação é liberada (ATKINS, 2001).
A forma que os organismos têm de armazenar energia é por meio da construção de biomoléculas. 
Essas moléculas são complexas e são formadas, às vezes, por milhares de ligações químicas.
Os organismos fotossintetizantes absorvem moléculas mais simples do meio em que vivem e, pelo 
processo de fotossíntese, constroem moléculas mais complexas, absorvendo a energia fornecida pela 
luz do Sol e armazenando‑a na forma de ligações químicas. A figura 34 mostra a produção de glicose 
numa planta.
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H2O
C6H12O6
CO2
O2
Clo
rofi
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Figura 34 – Produção de glicose por fotossíntese
Os animais que se alimentam desses organismos quebram essas ligações químicas em seus 
processos digestivos e liberam essa energia para ser usada em diversas vias metabólicas que mantém 
o corpo funcionando. A energia excedente é armazenada na construção de outras biomoléculas, 
como a gordura.
6.3.4 O Corpo humano e a energia
Em todas as atividades do corpo há trocas de energia. Mesmo dormindo, um adulto gasta cerca de 
100 W na manutenção de todas as funções fisiológicas do corpo. Esse consumo é chamado taxa de 
metabolismo basal.
A única fonte de energia do corpo é a alimentação, mas os alimentos ingeridos não fornecem 
energia de uma maneira direta. São necessárias diversas reações químicas e físicas para que o alimento 
seja transformado em moléculas que possam ser quebradas e aproveitadas na produção de ATP, que é a 
fonte de energia do nosso corpo (OKUNO; CALDAS; CHOW, 1986).
A produção de energia pelo corpo humano é baseada em reações de oxidação, então é possível avaliar 
a quantidade de energia produzida pela medição do oxigênio consumido na respiração, para aumentar 
a capacidade de produção de energia de um ser humano, é necessário aumentar sua capacidade de 
absorver oxigênio, isto é, a sua capacidade aeróbica.
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O corpo humano não perde energia somente em atividades físicas ou pelo metabolismo basal. 
Existe também a necessidade da manutenção da temperatura do corpo, que está sujeito às condições 
ambientais e perde calor na forma de:
•	 Convecção: é a perda de calor para o ar e depende da temperatura, da velocidade e da umidade 
do ar, além da área do corpo exposta.
•	 Evaporação: pelo suor e pela perda de água pela respiração.
•	 Radiação: o corpo humano perde calor por meio da emissão de radiação infravermelha.
Além disso, existe perda de energia no aquecimento do ar na respiração e na ingestão de alimentos.
6.4 Classificação das fontes de energia
Com a industrialização, a partir do século XVIII, iniciou‑se uma busca da humanidade por fontes de 
energia, porém, nas últimas décadas, o consumo de energia cresceu muito, sendo que dobrou entre 1987 
e 2012, segundo os dados da British Petroleum Company (BP, 2013). A figura 35 mostra a progressão do 
consumo mundial de energia desde 1965.
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
ano
En
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gi
a 
[x
10
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j ]
Consumo mundial de energia
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
Figura 35 – Consumo mundial de energia desde 1965
O consumo desenfreado de energia e recursos ambientais resultou em impactos ambientais enormes, 
o que preocupou a comunidade científica. Em 1972, a ONU deu início a uma série de conferências 
mundiais para discutir questões relacionadas ao meio ambiente e desenvolvimento. Essas foram as 
Conferências de Estocolmo (1972) e as do Rio de Janeiro Eco‑92 (1992) e Rio+20 (2012).
Essa grande discussão sobre questões relacionadas ao meio ambiente e sobre o consumo consciente 
de energia levou à popularização das expressões que serão discutidas a seguir, muitas vezes empregadas 
de forma errada.
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6.4.1 Fontes convencionais e não convencionais
O conceito de convencional, aplicado às fontes de energia, diz respeito ao fato de ser comum e 
existir diversos fatores que influenciarão o uso de uma fonte de energia para que ela se torne comum: 
o domínio da tecnologia, a disponibilidade da fonte e fatores econômicos.
Fontes convencionais são aquelas cuja técnica de obtenção de energia esteja dominada e que 
seja economicamente viável para seu uso comercial em larga escala. Por outro lado, as fontes não 
convencionais são aquelas cujas tecnologias de obtenção ainda não estão desenvolvidas, de modo que 
sua aplicação ainda não é economicamente viável (OKUNO; CALDAS; CHOW, 1986).
Vejamos, a seguir, alguns exemplos de fontes convencionais de energia.
Conversão hidromecânica: muito empregada em regiões remotas, onde não há acesso à eletricidade. 
São sistemas mecânicos que aproveitam a energia cinética da água de rios ou nascentes para fazer a 
movimentação de máquinas. São exemplos a roda d’água e o monjolo. A figura 36 mostra uma roda 
d’água em operação.
Figura 36 – Roda d´água
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Hidrelétricas: é a fonte de energia mais utilizada no Brasil, devido aos vastos recursos hídricos 
do país. Uma usina hidrelétrica utiliza a energia potencial da água e, por meio de diversos processos 
de transformação, converte essa energia em eletricidade. A energia potencial é uma forma de energia 
associada à diferença de altura entre o nível da água e o ponto onde se encontra a turbina.
Essa diferença de altura pode ser obtida ou por meio das variações no relevo, como cachoeiras, ou 
por meio da construção de represas que bloqueiam o curso dos rios e provocam a inundação de grandes 
áreas. A figura 37 mostra uma usina hidrelétrica em corte.
Usina hidrelétrica
Casa de Força
Rio
Linhas de transmissão
Gerador
Re
pr
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(re
se
rv
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ua
)
Turbina
Barragem
Vertedouro
Duto
Figura 37 – Uma usina hidrelétrica em corte
A represa (1) provoca a elevação do nível da água, acumulando energia potencial. Quando as 
comportas são abertas, a água passa por dutos num processo semelhante à queda livre, transformando 
a energia potencial acumulada em energia cinética. Quando a água atinge a turbina (2), a energia 
cinética é transmitida à turbina que, por sua vez, movimenta o gerador (3). É no gerador que a energia 
cinética é transformada na energia elétrica, que é transmitida (4) para os pontos consumidores.
Note que a água utilizada na obtenção de energia elétrica passa por dentro da usina. A água que 
passa por fora da barragem, que muitas vezes aparece em fotos e imagens publicitárias, passa pelo 
vertedouro; este é um canal aberto quando a represa está com um nível de água muito alto, a ponto de 
por a barragem em risco.
Energia eólica: os ventos são provocados pelo aquecimento de massas de ar pela luz do Sol. Essa 
fonte de energia já é aproveitada há muito tempo, em propriedades rurais, com o uso de cataventos para 
movimentar bombas d’água e moinhos e como força motriz de barcos a vela. Mais recentemente, foram 
desenvolvidas turbinas de grande porte para a captação da força do vento na obtenção de energia 
elétrica. A figura 38 mostra um exemplo de parque eólico para obtenção de energia elétrica.
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Figura 38 – Exemplo de parque eólico para obtenção de energia elétrica
Energia nuclear: é a energia gerada por usinas de fissão nuclear. Essa tecnologia surgiu no 
início dos anos 1940, como um dos resultados do Projeto Manhattan, que desenvolveu a primeira 
bomba atômica.
O elemento mais usado nas usinas nucleares é o urânio, mas são usados também o tório e o plutônio. 
Devido ao seu tamanho, todos os isótopos do urânio são radioativos, mas o de maior interesse para as 
usinas é o urânio‑235, pois pode sofrer fissão naturalmente (OKUNO; CALDAS; CHOW, 1986). O U‑235 
não é o isótopo mais comum e é encontrado diluído no U‑238, por isso deve passar por um processo de 
separação chamado de enriquecimento.
Quando um átomo de U‑235 é bombardeado com um nêutron, ele o absorve e depois se fragmenta 
em bário e criptônio, lançando outros 3 nêutrons que, por sua vez, vão colidir com outros átomos que 
serão quebrados e assim por diante, numa reação em cadeia.
A cada ruptura de um núcleo de urânio, uma quantidade grande de energia é liberada e essa energia 
aquece um circuito de água que movimenta uma turbina. Essa turbina converte o calor em movimento 
e um gerador converte o movimento em eletricidade.
As usinas nucleares representam 4% do consumo mundial de energia, mas representam cerca de 
40% do consumo na França (BP, 2013). A figura 39 mostra uma usina nuclear em operação. Note na 
imagem as colunas de vapor de água, formadas no resfriamento dos circuitos da usina.
Algumas fontes não convencionais de energia já possuem usinas experimentais e sua tecnologia 
ainda não está totalmente desenvolvida. São exemplos de fontes de energia não convencional:
Energia marémotriz: existem diversos projetos que tentam aproveitar o movimentodas marés por 
meio de boias ou turbinas, mas, para aproveitar essa energia, é necessária uma grande diferença entre o 
nível da maré alta e o nível da maré baixa. Na França, a usina de La Rance é um exemplo deste tipo de 
usina. Quando a maré sobe, a água invade a foz do rio Rance, movimentando diversas turbinas. Quando 
a maré desce, a água retorna, movimentando as turbinas novamente.
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Energia das ondas: as ondas do mar são geradas pela junção de diversos fatores como as marés, 
correntes marítimas e o vento. A usina experimental de Pecém, no Ceará, usa flutuadores acoplados a 
braços mecânicos, e o movimento de sobe e desce provocado pelas ondas movimenta pistões hidráulicos 
que, por sua vez, acionam os geradores. Em Portugal, na região de Aguçadoura, existe uma usina formada 
por grandes boias cilíndricas acopladas a geradores, chamada máquina Pelamis. O movimento de sobe 
e desce das boias provoca a rotação do gerador e a conversão desse movimento em energia elétrica.
Energia geotérmica: é a energia encontrada no interior do planeta. Essa energia é acessível em 
algumas regiões onde a crosta terrestre não é espessa, como regiões que possuem atividade vulcânica 
ou geyseres. Os Estados Unidos, França, Portugal e Rússia são países que possuem usinas geotérmicas 
em operação.
Fusão nuclear: essa fonte de energia também está associada à energia nuclear, porém, é liberada 
a partir da fusão dos núcleos de dois átomos de hidrogênio, formando um elemento diferente. É a 
mesma reação que acontece dentro do Sol. Para essa reação acontecer, é necessário que o hidrogênio 
esteja numa temperatura extremamente alta e não existem materiais capazes de suportar isso, então 
o hidrogênio fica suspenso por efeito eletromagnético gerado por potentes bobinas. Para aquecer e 
manter o hidrogênio suspenso magneticamente, o consumo de energia é muito alto. Mais alto que o 
obtido na fusão dos átomos.
6.4.2 Fontes renováveis e não renováveis
O que determina se uma fonte é renovável ou não renovável é a capacidade de reposição da energia 
transformada em comparação à escala de tempo humana. Por exemplo, o petróleo leva alguns milhares 
de anos para se formar, então, se esgotarmos as reservas mundiais, levaremos outros milhares de anos 
para termos petróleo novamente. Por outro lado, uma plantação de cana‑de‑açúcar leva apenas alguns 
meses para estar no ponto de ser transformada em álcool combustível. Então o petróleo é uma fonte 
não renovável, enquanto o álcool da cana‑de‑açúcar é uma fonte renovável.
Esse conceito de renovabilidade tem sido associado erroneamente a energias limpas e tecnologias 
novas, mas isso é uma análise superficial e deve ser feita com cuidado. A lenha, por exemplo, é uma 
fonte renovável de energia, pois uma plantação de eucaliptos para este fim leva cerca de 6 anos para ser 
colhida, porém a queima da madeira libera uma quantidade enorme de gás carbônico, que gera o efeito 
estufa, e a plantação contamina o solo.
A análise do impacto ambiental de uma fonte de energia envolve muito mais que a capacidade dessa 
fonte se renovar, mas uma coisa que o profissional precisa ter sempre em mente é que a energia não 
surge do nada e a transferência da energia, de um sistema para outro, sempre provocará impacto em 
ambos os sistemas.
São exemplos de fontes renováveis:
Biomassa: essa palavra refere‑se a uma gama enorme de fontes de energia de origem biológica. São 
exemplos:
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•	 o álcool obtido a partir da cana‑de‑açúcar usado como combustível de motores a explosão;
•	 o bagaço da cana‑de‑açúcar, usado como combustível de usinas termoelétricas;
•	 o gás metano, obtido a partir da biodigestão de dejetos orgânicos, usado como combustível de 
usinas termoelétricas;
•	 a lenha de eucalipto, usada como combustível de caldeiras industriais e no aquecimento doméstico.
Energia solar: o Sol é uma grande massa de hidrogênio que se formou há bilhões de anos e está 
consumindo esse hidrogênio gradativamente, mas sua energia ainda durará outros bilhões de anos antes 
de se extinguir, portanto, em termos de escala de tempo, podemos dizer que é uma fonte inesgotável 
de energia.
O Sol é a fonte primária de energia do planeta Terra. Não existiria vida no planeta sem essa energia, 
e toda a energia obtida de biomassa, de combustíveis fósseis, ou mesmo do vento é proveniente, de uma 
maneira indireta, do Sol. Chamamos de energia solar a parcela da energia do Sol que pode ser usada 
diretamente, seja na forma de aquecimento, seja na geração de eletricidade por materiais fotorreceptores.
A ideia de aproveitar a luz do Sol para gerar energia é antiga. É atribuída a Arquimedes, na Grécia 
Antiga, a ideia de usar espelhos convergentes para queimar navios romanos, durante o cerco de 
Siracusa. Mas a tecnologia de aproveitamento desse tipo de energia ainda não está desenvolvida para a 
construção de usinas que operem em larga escala.
Um exemplo de usina experimental que utiliza energia solar para a obtenção de energia elétrica é a 
Usina Gemasolar, na Espanha. Essa usina utiliza diversos espelhos para concentrar a luz solar num ponto e 
provocar um grande aquecimento de um reservatório de sal, que funciona como um reservatório de energia. 
Esse sal aquecido transmite a energia para geradores de vapor que movimentam uma turbina elétrica.
Vejamos exemplos de fontes não renováveis de energia.
Energia nuclear: os elementos radioativos utilizados como fornecedores de energia nuclear estão 
disponíveis na natureza na forma de jazidas, mas essas jazidas são limitadas e, em algum momento no 
futuro, se esgotarão.
Combustíveis fósseis: são materiais orgânicos de milhões de anos atrás, que foram recobertos 
de sedimentos (pedras e areia), permaneceram recobertos sob a ação dos efeitos geológicos (pressão 
e temperatura) e tiveram sua composição química alterada. Dependendo das condições de formação 
desses materiais, eles darão origem ao carvão mineral, petróleo e gás natural.
Carvão mineral: existem diversos tipos de carvão mineral, que variam o teor de carbono em sua 
composição. É originado a partir de locais pantanosos, com matéria orgânica morta recoberta pela água, 
que isola essa matéria orgânica do oxigênio do ar e não permite a ação de bactérias aeróbicas. Neste 
caso, entram em ação as bactérias anaeróbicas, que fazem a remoção do hidrogênio e do oxigênio da 
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matéria orgânica, concentrando gradualmente o carbono. O produto desse processo se chama turfa. A 
turfa, recoberta com sedimentos e sofrendo a ação das pressões geológicas, passa a concentrar mais 
ainda o carbono, formando a linhita, o carvão betuminoso e, depois, em antracito. A linhita e o 
carvão betuminoso incendeiam‑se com facilidade, mas geram muitos poluentes, enquanto o antracito 
é mais difícil de incendiar, mas é menos poluente (OKUNO; CALDAS; CHOW, 1986).
Petróleo: o processo de formação do petróleo é semelhante ao do carvão, mas, neste caso, o 
oxigênio, o nitrogênio e outros elementos são eliminados do material orgânico pela pressão e pela 
temperatura causadas pela ação geológica, restando somente carbono e hidrogênio. A ação geológica 
contínua transforma esse carbono e hidrogênio emhidrocarbonetos cada vez mais complexos, 
formando óleos e gás natural. O petróleo pode ser encontrado tanto em terra quanto em mar (OKUNO; 
CALDAS; CHOW, 1986).
Gás natural: o gás natural pode ser encontrado juntamente com o petróleo ou em poços 
específicos. É uma mistura de hidrocarbonetos leves, sendo o metano o mais presente. O GNV, 
gás natural veicular, é um derivado composto por metano e etano e é usado como combustível 
de automóveis; o GLP, gás liquefeito de petróleo, é usado no consumo doméstico e é um derivado 
composto por propano e butano.
 Resumo
Processos visuais
A luz é fundamental para a vida, pois os organismos que fazem 
fotossíntese utilizam a energia da luz para converter gás carbônico e água 
em biomoléculas e liberam oxigênio para o ar que respiramos. A luz é uma 
onda eletromagnética, na faixa de frequências de 4,3.1014 Hz a 7,5.1014 
Hz, conhecida como espectro da luz visível. Ondas eletromagnéticas cujas 
frequências estejam próximas ao espectro da luz visível também são 
tratadas como luz: infravermelho e ultravioletas.
A luz possui um comportamento dual, ou seja, tanto a teoria corpuscular 
explica alguns fenômenos quanto a ideia de onda explica outros fenômenos. 
A ideia de se juntar as duas teorias para explicar o comportamento da luz, 
permitiu a explicação do efeito fotoelétrico, proposta por Albert Einstein. 
Para ele, a luz não se comporta apenas como onda eletromagnética, mas 
como um feixe de pacotes de energia chamados de fótons.
Sistemas óticos biológicos são complexos, e uma boa maneira de 
entendê‑los é por meio de um sistema mais simples, como uma câmera 
fotográfica. A câmera fotográfica atual é uma evolução de um equipamento 
chamado câmara escura.
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A câmara escura é um recinto fechado e escuro, exceto por um orifício 
numa das paredes, que é direcionado para a paisagem que se deseja 
retratar. Quando a luz atinge a imagem e é refletida em direção ao orifício 
da câmara escura, resulta em uma imagem invertida em relação à imagem 
original, projetada na parede oposta ao orifício. Quanto menor o orifício, 
mais nítida é a imagem, porém a imagem fica menos visível devido à falta 
de luz. Uma lente resolve esse problema ao convergir os raios de luz para 
um ponto focal, permitindo uma maior entrada de luz.
O olho é o órgão sensorial mais complexo dos humanos. É revestido 
por três camadas: a túnica fibrosa, composta pela córnea e esclerótica; a 
túnica vascular, composta pela: coroide, músculos ciliares, íris, cristalino; 
e a retina, que é formada pelo estrato nervoso e pelo estrato pigmentoso.
Os fotorreceptores da retina são as células que convertem o sinal 
luminoso em impulsos nervosos, sendo dois tipos de fotorreceptores: são 
os bastonetes e os cones.
O conjunto formado pela córnea e cristalino são como a lente da câmara 
escura e converge os raios de luz para criar uma imagem sobre a retina, 
invertida em relação ao original, e ativam o pigmento presente nos cones 
e bastonetes. Esse pigmento sofre uma mudança em sua estrutura química 
quando absorve luz e ativa uma proteína G na célula fotorreceptora, 
abrindo o canal iônico de sódio e potássio, gerando um sinal elétrico que 
leva a informação ao cérebro.
Quando há problemas com a geometria do olho é necessário o uso 
de lentes que façam a correção da trajetória da luz para que a imagem 
incida corretamente no fundo da retina. Um olho normal é chamado olho 
emétrope.
Uma pessoa que possui problemas para focalizar objetos devido a 
falhas na acomodação do cristalino por causa da idade possui presbitismo. 
A miopia é a dificuldade em enxergar objetos distantes por cauda da 
convergência excessiva dos raios de luz. A hipermetropia é a dificuldade de 
enxerga objetos próxima ao olho, por causa da convergência dos raios de 
luz insuficiente.
Acuidade visual é a capacidade de diferenciar objetos à distância e 
envolve fatores dióptricos, fisiológicos da retina e da própria percepção 
cerebral, mas principalmente da retina, que é um aglomerado de células 
semelhante ao sensor de uma câmera fotográfica digital, que registra a 
imagem em pixels. Uma pessoa normal consegue diferenciar 2 mm a uma 
distância de 10 metros.
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O sistema visual de insetos e crustáceos também funciona devido à 
incidência de luz visível sobre os olhos, porém, o olho dos insetos e crustáceos 
é formado por omatídios e esse tipo de olho é chamado olho composto. Em 
cada omatídio, a luz atravessa um conjunto formado por uma córnea e um 
cristalino, que possuem geometria fixa, e é focalizada sobre a extremidade 
de um rabdoma, que concentra células fotorreceptoras. Um olho composto 
não capta uma imagem contínua.
Existem dois tipos de olhos compostos, adaptados ao meio ambiente 
que o inseto vive: olhos compostos com aposição (insetos diurnos) e olhos 
compostos com sobreposição (insetos noturnos).
O microscópio ótico mais simples é formado por duas lentes convergentes: a 
objetiva e a ocular. A luz precisa atravessar o objeto em estudo e chega à objetiva, 
que amplia e inverte a imagem. Ao passar pela ocular, essa imagem é ampliada e 
invertida novamente, formando uma imagem direta. Se uma imagem é ampliada 
100 vezes pela objetiva e 5 vezes pela ocular, resultando numa ampliação de 500 
vezes. O que limita a capacidade do microscópio ótico é o comprimento de onda 
da luz que se encontra entre 0,4 e 0,75 µm. Se o objeto tem um tamanho muito 
menor que esse valor, corre‑se o risco da onda luminosa não atingi‑lo.
Para resoluções menores, é possível utilizar o microscópio eletrônico, que 
utiliza um feixe de elétrons no lugar da luz. Quem faz o papel das lentes 
de vidro do microscópio ótico são bobinas magnéticas, chamadas de lentes 
eletromagnéticas. A capacidade de resolução de um microscópio eletrônico 
varia entre 1 µm e 1 nm, o que possibilita visualizar vírus e organelas celulares.
Energia
Toda matéria e toda a energia do universo foram criados no Big Bang, 
então não faz sentido a ideia de geração e consumo de energia. O conceito 
geração e consumo de energia só é válido mediante a análise de dois 
sistemas físicos em interação.
A energia recebe diferentes nomes, dependendo da forma como ela 
é encontrada e transmitida entre sistemas como, por exemplo, energia 
elétrica ou energia térmica. Além disso, a energia pode ser transformada de 
uma maneira para outra sem deixar de ser energia. A energia é medida em 
J (Joule), segundo o Sistema Internacional de Medidas.
Quando dois sistemas físicos interagem, a energia é transferida, 
acumulada ou convertida, mas nunca é criada ou destruída. Enquanto um 
fornece energia, o outro consome energia. Essa ideia é conhecida como 
Primeira Lei da Termodinâmica.
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Unidade II
Só percebemos a energia quando ela migra de um sistema para outro. 
Então o que percebemos não é energia, mas a energia em movimento. 
Toda vez que se fornece energia para um sistema e ele altera o estado 
que estava, está se fazendo trabalho. Para uma força realizar trabalho, ou 
seja, para transferir energia, ela precisa ser aplicada no mesmo sentido do 
deslocamento.
Vamos analisar: um carro de fórmula 1 tem um peso semelhante a 
um carro popular, mas