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4 4 21 UNIVERSIDADE PAULISTA INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA ISAAC NEWTON Eric Augusto Yamacuti RA: C5121f-7 Antônio Rodrigo Moura RA:C6040i6 ARAÇATUBA-SP Novembro, 2015 “Um bom chefe faz com que homens comuns façam coisas incomuns”. Peter Drucker SUMÁRIO Sumário BIBLIOGRAFIA Isaac Newton - Físico, matemático e astrônomo inglês Isaac Newton nasceu na casa de solar de Woolsthorpe, perto de Grantham em Lincolnshire. Newton veio de uma família de fazendeiros. Não conheceu seu pai pois este faleceu antes dele nascer. Sua mãe casou-se novamente, mudou-se para uma aldeia próxima e deixou-o aos cuidados da avó. Com a morte do padrasto, em 1656, sua mãe o transferiu da escola de gramática em Grantham, onde havia mostrado um bom trabalho acadêmico. Um tio decidiu que ele deveria ser preparado para a Universidade. Assim, ele ingressou em Trinity College, em Cambridge, em junho de 1661. Quando criança, Newton não foi um aluno brilhante, mas gostava de inventar e construir objetos. Graças a um tio, estudou em Cambridge, onde desenvolveu um recurso matemático, o binômio de Newton. Na época de sua formatura, foi obrigado a se refugiar na fazenda da mãe, devido à peste que assolava a Inglaterra. Permaneceu lá por cerca de dois anos (1665-1667). As reflexões dessa época o levaram a formular importantes teorias. Ao observar uma maçã caindo de uma árvore, Newton começou a pensar que a força que havia puxado a fruta para a terra seria a mesma que impedia a Lua de escapar de sua órbita. Descobriu a lei da gravitação universal. Foi a primeira vez que uma lei física foi aplicada tanto a objetos terrestres quanto a corpos celestes. Ao firmar esse princípio, Newton eliminou a dependência da ação divina e influenciou profundamente o pensamento filosófico do século 18, dando início à ciência moderna. Quando retornou a Cambridge, redigiu o princípio que trata da atração dos corpos, mas só o retomou em 1682. Nos anos iniciais de sua carreira, desenvolveu o cálculo infinitesimal e descobriu a aceleração circular uniforme (embora não tenha conseguido a comprovação dessa teoria, que exigia conhecer a medida do raio terrestre). Em 1669 o cientista formulou sua teoria das cores, sobre a refração da luz. Quando um raio de sol atravessa um prisma de vidro, sai do outro lado como um feixe de luzes de diferentes cores, como um arco-íris. Newton fez o feixe colorido passar por um segundo prisma, onde as cores voltaram a se juntar em outro feixe, de luz branca, igual ao inicial. Com essa descoberta, percebeu que o fenômeno da refração luminosa limitava a eficiência dos telescópios da época. Inventou, então, um telescópio refletor, em que a concentração da luz era feita por um espelho parabólico e não por uma lente. Em 1671, o cientista assumiu o cargo de professor catedrático de Matemática da Universidade de Cambridge e, no ano seguinte foi eleito para a Royal Society. Nos anos posteriores, tratou das propriedades da luz, explicou a produção das cores por lâminas delgadas e formulou a teoria corpuscular da luz. Newton recebeu, em 1684, a visita do astrônomo Edmond Halley, que queria interrogá-lo sobre o movimento dos planetas, observado pelos astrônomos. Newton retomou, então, suas reflexões sobre a mecânica celeste. O resultado foi sua obra "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural", que propõe três princípios básicos: o da inércia, o da dinâmica e o da ação e reação. Este trabalho obteve grande repercussão internacional. Newton foi eleito para o Parlamento em 1687, e nomeado para a Superintendência da Casa da Moeda em 1696, quando se mudou para Londres. Tornou-se presidente da Royal Society em 1703 e, dois anos depois, sagrado cavaleiro, passou a ser chamado de Sir Isaac Newton. Difração da luz Para explicar algumas de suas observações ele teve de usar teoria de ondas em conjunção com sua teoria corpuscular. Outra discussão, desta vez com os jesuítas ingleses em Liège sobre sua teoria de cores, levou a uma agressiva troca de cartas, até que em 1678 Newton sofre um colapso nervoso. Sua mãe morre no ano seguinte, resultando em um isolamento ainda maior de sua parte. A maior conquista de Newton foi seu trabalho em Física e Mecânica Celestial, que culminou na teoria da Gravitação Universal. Em 1666 Newton já tinha as primeiras versões de suas três leis do movimento. Ele também descobriu a lei que dá a força centrífuga de um corpo em movimento circular uniforme. Contudo, ele não tinha ainda um bom entendimento do movimento circular. A novidade da ideia de Newton era imaginar que a gravidade da Terra influenciava a Lua, contrabalançando sua força centrífuga. Desta lei e da terceira lei de Kepler do movimento planetário, Newton deduziu a lei dos inversos dos quadrados. Halley persuadiu Newton a escrever um tratado de sua nova Física e suas aplicações a Astronomia. Um ano depois (1687) Newton publicou Philosophiae naturalis principia mathematica ou Principia como é conhecido. Principia é tido como um dos maiores livros científicos já escritos. Newton analisou o movimento de corpos em meios com e sem resistência soba a ação de forças centrípetas. Os resultados foram aplicados a corpos em órbita, projéteis, pêndulos e quedas livres próximas à Terra. Ele também demonstrou que planetas são atraídos na direção do Sol por uma força que varia com o inverso dos quadrado da distância e generalizou que corpos pesados atraem uns aos outros mutuamente. Os últimos anos de vida Sepultura de Newton na abadia de Westminster. Newton foi respeitado como nenhum outro cientista e sua obra marcou efetivamente uma revolução científica. Seus estudos foram como chaves que abriram portas para diversas áreas do conhecimento cujo acesso era impossível antes de Newton. Newton, em seus últimos dias, passou por diversos problemas renais que culminaram com sua morte. No lado mais pessoal, existem biógrafos que afirmam que ele teria morrido virgem. 16 Na noite de 20 de março de 1727 (calendário Juliano) faleceu. Foi enterrado junto a outros célebres homens da Inglaterra na Abadia de Westminster. A causa provável de sua morte foram complicações relacionadas ao cálculo renal que o afligiu em seus últimos anos de vida. EXPOSIÇÃO DAS PRINCIPAIS IDEIAS. TEORIAS E LEIS A queda da maçã e a dúvida de Newton A história mais popular é a da maçã de Newton. Se por um lado essa história seja mito, o fato é que dela surgiu uma grande oportunidade para se investigar mais sobre a Gravitação Universal. Essa história envolve muito humor e reflexão. Muitas charges sugerem que a maçã bateu realmente na cabeça de Newton, quando este se encontrava num jardim, sentado por baixo de uma macieira, e que seu impacto fez com que, de algum modo, ele ficasse ciente da força da gravidade. A pergunta não era se a gravidade existia, mas se ela se estenderia tão longe da Terra que poderia também ser a força que prende a Lua à sua órbita. Newton mostrou que, se a força diminuísse com o quadrado inverso da distância, poderia então calcular corretamente o período orbital da Lua. Ele supôs ainda que a mesma força seria responsável pelo movimento orbital de outros corpos, criando assim o conceito de "gravitação universal". O escritor contemporâneo William Stukeley e o filósofo Voltaire foram duas personalidades que citaram a tal maçã de Newton em alguns de seus textos. As três Leis de Newton Isaac Newton publicou estas leis em 1687, no seu trabalho de três volumes intitulado Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. As leis explicavam vários comportamentos relativos ao movimento de objetos físicos e foi um extenso trabalho no qual ele dedicou-se. Lei I “Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniformeem uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças imprimidas sobre ele.” Newton, Isaac, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Conhecida como princípio da inércia, 3 a primeira lei de Newton afirma que: se a força resultante (o vetor soma de todas as forças que agem em um objeto) é nula, logo a velocidade do objeto é constante. Consequentemente: Um objeto que está em repouso ficará em repouso a não ser que uma força resultante aja sobre ele. Um objeto que está em movimento não mudará a sua velocidade a não ser que uma força resultante aja sobre ele. Newton apresentou a primeira lei a fim de estabelecer um referencial para as leis seguintes. A primeira lei postula a existência de pelo menos um referencial, chamado referencial newtoniano ou inercial, relativo ao qual o movimento de uma partícula não submetida a forças é descrito por uma velocidade (vetorial) constante. “Em todo universo material, o movimento de uma partícula em um sistema de referência preferencial Φ é determinado pela ação de forças as quais foram varridas de todos os tempos quando e somente quando a velocidade da partícula é constante em Φ. O que significa uma partícula inicialmente em repouso ou em movimento uniforme no sistema de referência preferencial Φ continua nesse estado a não ser que compelido por forças a mudálo.” - Beatty, Millard F.. Principles of engineering mechanics Volume 2 of Principles of Engineering Mechanics: Dynamics-The Analysis of Motion,. [S.l.]: Springer, 2006. p. 24 As leis de Newton são válidas somente em um referencial inercial. Qualquer sistema de referência que está em movimento uniforme respeitando um sistema inercial também é um sistema referencial, i.e. Invariância de Galileu ou o princípio da relatividade Newtoniana. 7 A lei da inércia aparentemente foi percebida por diferentes cientistas e filósofos naturais independentemente. '' Lei II “A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção da linha reta na qual aquela força é imprimida.” Newton, Isaac, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. A segunda lei de Newton, também chamada de princípio fundamental da dinâmica,3 afirma que a força resultante em uma partícula é igual a razão do tempo de mudança do seu momento linear em um sistema de referência inercial: Esta lei conforme acima apresentada tem validade geral, contudo, para sistemas onde a massa é uma constante, esta grandeza pode ser retirada da derivada, o que resulta na conhecida expressão muito difundida no ensino médio. é a força resultante aplicada, m é a massa (constante) do corpo e Onde é a aceleração do corpo. A força resultante aplicada a um corpo produz uma aceleração a ela diretamente proporcional. Em casos de sistemas à velocidades constantes e massa variável, a exemplo um fluxo constante de calcário caindo sobre uma esteira transportadora em indústrias de cimento, a velocidade pode ser retirada da derivada e a força horizontal sobre a esteira pode ser determinada como: Onde é a velocidade constante da esteira e é a taxa temporal de depósito de massa sobre esta. Em casos mistos onde há variação tanto da massa como da velocidade - a exemplo do lançamento do ônibus espacial, ambos os termos fazem-se necessários. A segunda lei de Newton em sua forma primeira, ainda é válida mesmo se os efeitos da relatividade especial forem considerados, contudo no âmbito da relatividade a definição de momento de uma partícula requer alteração, sendo a definição de momento como o produto da massa de repouso pela velocidade válida apenas no âmbito da física clássica. Impulso Um impulso ocorre quando uma força age em um intervalo de tempo Δt, e é dado por: Já que força corresponde à derivada do momento no tempo, não é difícil mostrar que: Trata-se do teorema do impulso variação da quantidade de movimento, muito útil na análise de colisões e impactos. Lei III ' A toda ação há sempre oposta uma reação igual, ou, as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas a partes opostas.' Newton, Isaac, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Lei da gravitação universal A lei da gravitação universal diz que dois objetos quaisquer se atraem gravitacionalmente por meio de uma força que depende das massas desses objetos e da distância que há entre eles. Com uma lei formulada de maneira simples, Newton procurou explicar os fenômenos físicos mais importantes do universo. A lei da gravitação universal, proposta por Isaac Newton, tem a seguinte expressão matemática: : é a força, sentida pelo corpo 1 devido ao corpo 2, medida em newtons; Onde: quilogramas; e : é constante gravitacional universal, que determina a intensidade da força, ; : são as massas dos corpos que se atraem entre si, medidas em : é a distância entre os dois corpos, medida em metros; : o versor do vetor que liga o corpo 1 ao corpo 2. A constante gravitacional universal foi medida anos mais tarde por Henry Cavendish. A descoberta da lei da gravitação universal se deu em 1685 como resultado de uma série de estudos e trabalhos iniciados muito antes. Em 1679, Robert Hooke comunicou-se, por meio de cartas com Newton e os assuntos eram sempre científicos. Em verdade, foi exatamente em 1684 que Newton informou a seu amigo Edmond Halley de que havia resolvido o problema da força inversamente proporcional ao quadrado da distância. Newton relatou esses cálculos no tratado De Motu e os desenvolveu de forma ampliada no livro Philosophiae naturalis principia mathematica. A gravitação universal é muito mais do que uma força relacionada ao Sol. É também um efeito dos planetas sobre o Sol e sobre todos os objetos do universo. Newton explicou facilmente a partir de sua Terceira Lei da Dinâmica que, se um objeto atrai um segundo objeto, este segundo também pode atrair o primeiro com a mesma força. Concluiu-se que o movimento dos corpos celestes não podiam ser regulares. Para o célebre cientista, que era bastante religioso, a estabilidade das órbitas dos planetas implicava reajustes contínuos sobre suas trajetórias impostas pelo poder divino. FUNÇÃO MATEMÁTICA Função sobre a 2 lei de Newton Um corpo de massa igual a 3,0 kg está sob a ação de uma força horizontal constante. Ele se desloca num plano horizontal, sem atrito e sua velocidade aumenta de 2,0 m/s em 4,0 s. Qual é a intensidade da força? Resolução da função De acordo com a Segunda Lei de Newton, F= m.a. Onde: F é a resultante de todas as forças que agem sobre o corpo (em N); m é a massa do corpo a qual as forças atuam (em kg); a é a aceleração adquirida (em m/s²). Para encontrar a intensidade da força, primeiro temos que calcular a aceleração do corpo. Então utilizaremos a formula: A= ∆v/∆t. Onde: A é a aceleração; ∆v é a variação de velocidade; ∆t é a variação de tempo. aceleração delta V 2 delta T 4 0,5 Agora com o valor da aceleração podemos calcular a força. Força Massa 3 Aceleração 0 , 5 1,5 A intensidade da força no exercício é 1,5 N. IMPACTOS PRODUZIDOS A mecânica do cosmos O trabalho elaborado para explicar um fenômeno aparentemente banal, terminou na descoberta de leis universais que descreviam através de algumas equações simples a mecânica de todo o cosmos. Verdadeira ou lendária, a cena singela de um fruto caindo se tornar o ponto de partida de uma revolução científica retrata a grandeza da ciência em sua simplicidade e elegância. E foi através da obra de sir Isaac Newton que a simplicidade, elegância e grandeza científica se mostraram em sua plenitude. Como vimos, desde Aristóteles, os cientistas procuravam explicar o mundo através do raciocínio lógico, da observação e descrição metódica dos seres e dos fenômenos.Galileu incluiu o requisito da comprovação experimental entre os fundamentos da pesquisa científica. Newton foi além. Ao pesquisar a queda e o movimento dos corpos, mais do que descrever as observações e experimentações, codificou-as matematicamente em um sistema de equações capazes de representar os fenômenos em um quadro analítico de onde conclusões exatas podiam ser tiradas. Ferramentas matemáticas Como a matemática de sua época não lhe fornecia as ferramentas suficientes, Newton tratou de criá-las, tornando-se o inventor do cálculo diferencial integral, mérito que divide com Leibniz. Por tudo isto, o ano de 1687 se tornaria decisivo para a história da ciência: foi quando Newton publicou sua grande obra, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, "Princípios Matemáticos de Filosofia Natural". Os Principia apresentavam as leis da gravitação universal, demonstrando que os corpos materiais se atraem na razão direta de suas massas e na razão inversa do quadrado das distâncias. Este princípio, em particular, pode ser matematicamente 4 4 15 expresso em uma formula de poucas letras, mas explica tanto o porquê de as maçãs caírem, como mostra a razão de os planetas descreverem órbitas elípticas em torno do Sol. As leis do universo Também constava da grande obra as leis do movimento e inércia, a lei fundamental da dinâmica e a lei da ação e reação, assim como os fundamentos do cálculo diferencial integral e várias outras dissertações. O impacto da publicação dos Principia foi tão grande que a história da ciência pode ser dívida em antes e depois dele. Se os complexos movimentos cósmicos dos astros podiam ser descritos em algumas poucas equações simples e se estas equações se mostravam corretas e confirmadas toda vez que comparadas com as observações dos fenômenos, então existíamos em um universo regido por leis matemáticas. O conhecimento destas leis matemáticas universalmente válidas nos habilitava a fazer previsões sobre o resultado final dos fenômenos, apenas conhecendo suas variáveis causais. Determinismo científico Estavam lançadas as bases do que seria chamada depois de determinismo científico, a ideia de que a ciência pode determinar com certeza o comportamento de qualquer fenômeno físico. Esta visão determinista da ciência só mudaria no século 20, com a descoberta dos fenômenos quânticos que resultaram na elaboração do Princípio da Incerteza, de Heisenberg. Sir Isaac Newton foi, sem dúvida, um dos maiores gênios da história. Além de seus estudos sobre a gravitação e o movimento dos corpos, fez descobertas importantes sobre a composição da luz e estudos em química, geometria, teologia, alquimia e filosofia. Nosso mundo tecnológico, construído sobre uma engenharia matemática não seria possível sem suas inovadoras descrições dos fenômenos físicos. Newton elevou a ciência a uma condição de nobreza e por isto conquistou o direito de ser chamado Sir. Um título merecido para a mais nobre mente científica de seu tempo. As descobertas da fissão e, posteriormente, da fusão nuclear são exemplos característicos de desenvolvimento científico com profunda repercussão social e impacto sobre o meio ambiente. Além de sua utilização para fins militares, da qual já falei, elas proporcionam uma nova fonte de produção de energia para fins pacíficos e humanitários, que, principalmente com referência à fusão nuclear, é potencialmente de imensa valia. Entretanto, a implementação da tecnologia nuclear envolve sérios riscos e problemas que não estão ainda satisfatoriamente resolvidos. No planejamento e funcionamento de usinas nucleares, o fator segurança deve merecer absoluta prioridade. Isto porque, de um acidente num reator nuclear, pode resultar extensa contaminação de águas fluviais ou liberação e propagação na atmosfera de isótopos radioativos de vida longa, que podem causar grandes danos à população das áreas atingidas. Os acidentes no reator nuclear de Chernobyl, na União Soviética, e com o reator de Three Mile Island, nos Estados Unidos, são evidencias desse perigo. Outra consideração importante no aproveitamento da energia nuclear é a questão da disposição do chamado lixo nuclear, isto é, dos isótopos radioativos de vida muito longa produzidos no processo de fissão do combustível nuclear. Estas questões, é claro, têm sido objeto de intensos estudos e debates. O objetivo é o de chamar atenção para a existência desses problemas e da responsabilidade dos cientistas, sobretudo aqui no Brasil, de alertar e informar objetivamente a população e os poderes públicos, para que sejam devidamente e criteriosamente considerados quando se inicia a implantação de tecnologia nuclear no País. O problema da alteração e contaminação do meio ambiente é, porém, muito mais geral e está se tornando um efeito cada vez mais nocivo e perigoso do desenvolvimento industrial e tecnológico. A poluição química dos rios, sobretudo nos centros industriais e urbanos, é motivo de grande preocupação por representar ameaça para a qualidade de vida e para o equilíbrio ecológico. No Brasil, parece haver, ainda, pouca regulamentação e controle por parte do setor público a respeito da destruição e poluição do meio ambiente, causada pelo desenvolvimento industrial ou mesmo agrícola. Acho muito importante que sejam feitos maiores investimentos na pesquisa de avaliação e de meios de saneamento de processos e métodos industriais e tecnológicos prejudiciais ao meio ambiente. Além da questão da poluição do meio ambiente, também creio que se deve chamar a atenção para o uso desmedido e predatório de riquezas naturais e suas eventuais consequências. Aqui no Brasil, o problema do desmatamento imoderado e desordenado da floresta amazônica, merece uma atenção especial. CONSIDERAÇÕES FINAIS. Antes do inicio do trabalho houve uma reunião onde escolhemos o físico que pesquisaríamos, foi um pouco complicado porque tem vários físicos excelentes com várias teorias interessantes, mas no fim optamos por escrever sobre Newton. Isaac Newton foi um dos melhores físicos da história, suas descobertas proporcionaram grandes avanços nos campos da física e matemática. Newton tinha um vasto conhecimento matemático e um grande poder de raciocínio que impressionava toda a comunidade cientifica da época. Os trabalhos de Newton, na álgebra, beneficiaram a teoria das equações, com a criação de procedimentos para calculo de raízes e formulação de regras para determinação do numero de raízes de certa espécie. Apesar de suas muitas realizações e de seu renome internacional, Newton era modesto. Pouco antes de sua morte, afirmou: "Não sei o que posso parecer ao mundo, mas para mim eu pareço ter sido apenas um menino brincando à beira do mar, e divertindo-me em achar de vez em quando uma pedrinha mais lisa ou uma 15 15 19 concha mais linda do que de costume, enquanto o grande oceano da verdade jaz por ser descoberto diante de mim". Aqui está um gigante da ciência que não se envergonhava de sua fé e que devotou tempo para compreender a Palavra de Deus tanto no que toca sua predição do movimento da história como em prover diretriz para nossa vida. Newton ficou muito conhecido por todos os trabalhos, pesquisas e investigações experimentais que realizou. As investigações experimentais eram cheias de rigor matemático, e se tornaram um verdadeiro modelo de investigação para as ciências dos séculos posteriores. Este cientista inglês, que foi um dos principais precursores do Iluminismo. Dentre muitas de suas realizações escreveu e publicou obras que contribuíram significativamente com a matemática e com a física. Além disso, escreveu também sobre química, alquimia, cronologia e teologia, podemos citar alguns exemplos como: O desenvolvimento da série de potência de um binômio, que hoje é conhecido pelo nome de binômio de Newton; A criação e desenvolvimento do cálculo diferencial e cálculo integral, o que é uma ferramenta muito importante parao estudo dos fenômenos físicos. Além de ser ele o criador dessa ferramenta, foi também ele quem a utilizou pela primeira vez; O estudo sobre os fenômenos óticos que possibilitaram a elaboração da teoria sobre a cor dos corpos; O estudo das leis dos movimentos, lançando as bases da Mecânica; O desenvolvimento das primeiras ideias sobre a Gravitação Universal. Newton era muito cauteloso em suas crenças religiosas. Isso em parte explica por que não publicou suas obras teológicas em vida. Talvez Newton, cônscio do ambiente religioso inglês, não quisesse ser acusado de heresia, mas seguiu a verdade como a via na Bíblia. Felizmente, suas obras teológicas foram publicadas postumamente. Esse trabalho mostrou ao grupo grande parte da vida, trabalho e as mudanças que Newton mostrou ao mundo, ainda mais se levarmos em conta que na época que Isaac viveu, não havia tecnologia, ou ferramentas adequadas para se trabalhar, porem nunca foi um empecilho para Newton trabalhar em seus projetos. O grupo teve uma boa interação, apesar de se conhecer a pouco tempo, temos um bom entrosamento, as ideias fluem facilmente, todos os membros do grupo se emprenharam para elaborar um bom trabalho. Os prazos foram cumpridos corretamente, não houve brigas ou assuntos que desviassem o foco principal do trabalho. Referencias <http://pt.wikipedia.org/wiki/Leis_de_Newton>. Acesso em: 09 mar.2015. <http://educacao.uol.com.br/biografias/isaac-newton.jhtm> Acesso em: 09 mar.2015. <https://pt.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton> Acesso em: 09 mar.2015.