A Eletrônica e o uso de computadores em Física

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A Eletrônica e o uso de computadores em Física
Nos primórdios da humanidade a evolução humana sofreu processos de mudanças que originou os seres humanos e os diferenciou como uma espécie. Essas primeiras espécies foram se moldando ao ambiente, criando novas técnicas e descobrindo novos elementos para a sobrevivência, e desenvolvendo até o ponto em que chegamos hoje, a era da informação, onde fatores como a internet, tecnologia e equipamentos digitais são utilizados diariamente na valorização do conhecimento. A evolução foi imensa e um dos pontos importantes para isso ter acontecido, é o desejo do ser humano sobre o conhecimento, com a evolução da comunicação, matemática, eletrônica e todas áreas das ciências, foi possível uma maior adaptação ao mundo e sempre com o intuito de saber mais. Um importante avanço para a era em que vivemos, se deu por conta do desenvolvimento da eletrônica, que teoricamente estuda as propriedades e aplicações de dispositivos que dependem do movimento de elétrons em semicondutores, gases ou no vácuo. As primeiras experiências com a eletrônica aconteceram com Thomas Edson ao inventar a lâmpada incandescente, considerado um dos primeiros circuitos elétricos, pois a corrente elétrica circula pelo fio condutor, passa por um filamento de tungstênio que se aquece gerando luz. Mas como na eletrônica o objetivo é ser capaz de controlar a intensidade da corrente elétrica, na lâmpada incandescente isso não ocorre, pois a fonte que alimentava o circuito e a resistência do filamento interferiam na intensidade. Foi a partir da descoberta de um efeito que ao se aquecer um filamento no vácuo parcial , é possível provocar a circulação de corrente entre esse filamento e uma placa metálica dentro do mesmo vácuo chamado de Efeito Edson, que foi a base para a criação dos primeiros componentes eletrônicos que são as válvulas termiônicas inventadas por John Ambrose Fleming, que, utilizou a descoberta para criar o diodo detector para sinais de radiofrequência em 1904, esse diodo foi aperfeiçoado pelo americano Lee de Forest conseguindo a primeira transmissão da voz via rádio, e o invento se tornou muito popular com a primeira Guerra Mundial para auxiliar a comunicação das tropas na batalha, favorecendo as estratégias, nessa época também foram criados o tubo de Braun e consequentemente o osciloscópio, que é um instrumento capaz de diagnosticar um defeito em um equipamento eletrônico. Os estudos da Física com esses fenômenos foram de tamanha importância para o desenvolvimento da humanidade, sem os estudos de Michael Faraday e James Clerk Maxwell no Eletromagnetismo e Heinrich Hertz com o Efeito Fotoelétrico talvez não teríamos o avanço que tivemos tão cedo, assim como também o estudo de diversos outros físicos. Várias técnicas de radiodifusão foram inventadas e Edwin Howard Armstrong foi um engenheiro eletricista estadunidense que inventou o processo de transmissão de sinais de rádio por frequência modulada rádio FM. Outras invenções que também revolucionaram como a imagem por corrente elétrica dando origem ao iconoscópio criado por Vladimir Kozmich Zworykin, que foi base para a tecnologia da televisão e o radar inventado por Robert Alexander Watson-Watt. Todas essas criações foram baseadas nas válvulas termiónicas que ocasionavam alguns problemas nos aparelhos eletrônicos da época, pois eram pesados, ocupavam muito espaço e tinha um consumo de energia bem elevado. E foram nessa época que se ocorreram os esforços para a produção dos primeiros computadores eletrônicos chamados de Mark 1 e ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Computer), utilizados secretamente pelo governo para o uso na segunda Guerra Mundial. O primeiro era eletromecânico tinha cerca de 17 metros de comprimento por 2,5 metros de altura e uma massa de cerca de 5 toneladas, já o ENIAC possuía estrutura eletrônica e pesava 27 toneladas, media 2,6 metros de altura e 26 metros de comprimento e ocupava uma área de 63 m², dimensões necessárias para os seus 70 mil resistores e 17.468 válvulas. Bastava uma única válvula queimar para paralisar a máquina por completo e isso que acontecia diversas vezes por dia, dificultando seriamente a manutenção e os trabalhos das equipes. A computação foi um dos mais importantes avanços que aconteceram na época e ela se baseia no desejo de se compreender a capacidade que tem o homem em resolver problemas de forma sistemática, foi a junção de várias áreas do conhecimento como a matemática, eletrônica digital, lógica de programação entre outras que favoreceram no desenvolvimento das ferramentas computacionais e na criação dos mais diversos dispositivos eletrônicos usados na atualidade. A matemática está ligada intrinsecamente na criação da computação, os números são um tipo de palavra com regras próprias e inicialmente eram representados nos dedos, as operações numéricas também eram feitas dessa forma. A escrita nasceu através dos Sumérios, que passaram a usar desenhos para representar a linguagem e difundiu-se entre diversas culturas, cada uma se desenvolvendo de maneira diferente. No Mediterrâneo surgiu o ábaco, instrumento muito utilizado para a realização dos cálculos nas áreas do comércio de mercadorias e em construções civis, ele consistia em bolinhas de mármore que deslizavam numa placa de bronze cheia de sulcos. O ábaco foi utilizado por diversas culturas e cada uma delas tinha uma versão diferente, mas preservando sua essência original. A necessidade da representação matemática fez com que os sistemas de contagem utilizados no cotidiano fossem implementados de forma mais prática. Os hindus inventaram o zero escrito, permitindo a efetuação da aritmética decimal no papel, começando a era do lápis e papel. A matemática hindu foi difundida pelos árabes no oriente e que se espalharam para o ocidente. Em 830, um estudioso persa, conhecido por Al-Khwarismi, escreveu um livro que se tratava especificamente de álgebra. Após ser usado repetidamente, o nome do matemático acabou se transformando em "algarismo", palavra que hoje denota os símbolos usados para representar os números. Do mesmo radical vem a palavra "algoritmo", usada em computação. Com o tempo, um grande número de cientistas começou a pensar em fazer cálculos utilizando de máquinas. John Napier (1550-1617) inventou a Tábua de Napier que era similar a uma tabela de multiplicações, ela reduzia multiplicações e divisões a adições e subtrações. Em 1638, um padre inglês chamado William Oughtred, criou uma tabela para realização de grandes multiplicações e a base de sua invenção foram as pesquisas sobre logaritmos realizadas por Napier. Até o momento, a multiplicação de números muito grande era algo bastante trabalhoso de ser realizado, porém Napier estudou e descobriu várias propriedades matemáticas e deu a elas o nome de logaritmos. Após isso, multiplicar números e expressões extensas se tornou uma tarefa mais simples. O padre criou um mecanismo que era uma régua que já possuía uma quantidade de valores pré-calculados, devidamente organizados de forma que os resultados fossem acessados com automação e uma espécie de ponteiro indicava o resultado dos valores desejados. Apesar do mecanismo de Oughtred ser útil, ela não calculava valores que não estavam descritos na régua, se limitava aos valores que continham nela. Wilhelm Schickard pouco depois, criou a primeira máquina capaz de fazer as quatro operações, mas ela foi perdida na Guerra dos Trinta Anos sem que seu inventor pudesse defender sua primazia. Em 1642, o matemático francês Bleise Pascal desenvolveu a primeira calculadora mecânica da história, a Máquina de Pascal. Seu funcionamento se baseava no uso de rodas interligadas que giravam de maneira similar a um odômetro na realização dos cálculos. A ideia inicial era o desenvolvimento de uma máquina capaz de fazer as quatro operações matemáticas, mas na prática ela só era capaz de somar e subtrair, e isso fez com que essa tecnologia não fosse muito bem acolhida na época. Em 1672, Gottfried Leibnitz conseguiu aperfeiçoar a máquina de Pascale criar uma calculadora que efetuava as quatro operações e além disso a da raiz quadrada, ele sonhava que todo o raciocínio poderia ser substituído pelo girar de uma alavanca. Em todos esses mecanismos e máquinas inventadas, as operações já estavam previamente programadas, não sendo capaz de inserir novas funções, mas em 1801, na França, durante a revolução industrial, Joseph Marie Jacquard que trabalhava com o tear, viu a dificuldade e a demora do trabalho manual e inventou um tear mecânico controlado por grandes cartões perfurados, era só perfurar o cartão com o desenho desejado e a máquina fazia a reprodução deste. Sua máquina era capaz de produzir tecidos com desenhos bonitos e intrincados. Foi tamanho o sucesso que Jacquard foi quase morto quando levou o tear para Lyons, as pessoas tinham medo que o tear lhes fizesse perder o emprego. Em 7 anos, já haviam 11 mil teares desse tipo operando na França. O matemático inglês Charles Babbage conhecido como o Pai do Computador, projetou o chamado Calculador Analítico, muito próximo da concepção de um computador atual. O projeto, totalmente mecânico, era composto de uma memória, um engenho central, engrenagens e alavancas usadas para a transferência de dados da memória para o engenho central e dispositivos para entrada e saída de dados. O calculador utilizaria cartões perfurados e seria automático. O governo britânico por um tempo financiou Babbage para concluir seu projeto, mas a tecnologia na época não era muito avançada, impedindo a construção de componentes mecânicos tão precisos, e com a suspensão do financiamento pelo governo o projeto não teve conclusão e o Calculador Analítico nunca fora construído. Ada Augusta, filha do poeta Lord Byron, era matemática amadora entusiasta. Ada tornou-se a primeira programadora, escrevendo séries de instruções para o engenho analítico. Ada inventou o conceito de sub-rotina, uma sequência de instruções que pode ser usada várias vezes em diferentes contextos. Ela descobriu o valor das repetições, os laços (loops), deveria haver uma instrução que retornasse a leitora de cartões a um cartão específico, de modo que a sequência pudesse ter sua execução repetida. Ela sonhava com o desvio condicional, a leitora de cartões desviaria para outro cartão se alguma condição fosse satisfeita. Ela utilizava já os princípios da linguagem de programação mesmo antes da computação se tornar realidade. O matemático inglês George Boole publicou em 1854 os princípios da lógica booleana, onde reduzia a representação de valores através de dois algarismos 0 e 1 (verdadeiro e falso), A dificuldade de implementar um dígito decimal (um número inteiro entre 0 e 9) em componentes elétricos determinaram o uso da base 2 em computadores. A lógica booleana foi usada na implementação dos circuitos elétricos internos a partir do século XX e está presente nos sistemas lógicos dos computadores atuais. Um nome que se destacou na maneira de processar os dados dos censos da época foi o Dr. Herman Hollerith, eles sistematizou o processo de leitura de cartões que manualmente durariam 7 anos para serem compilados e utilizou de máquinas de perfurar cartões e de tabular e ordenar avançando o processo para 2 anos e meio. As informações sobre os indivíduos eram armazenadas por meio de perfurações em locais específicos do cartão. Nas máquinas de tabular, um pino passava pelo furo e chegava a uma jarra de mercúrio, fechando um circuito elétrico e causando um incremento de 1 em um contador mecânico. Com suas criações ele ficou muito famoso e fundou sua companhia de máquinas de tabulação que um tempo depois passou a se chamar de Internacional Business Machine, a mundialmente famosa IBM. O primeiro computador eletromecânico se chamava Z-1 e foi construído pelo alemão Konrad Zuse em 1936, ele tentou vender a máquina para uso militar, mas foi subestimado pelos nazistas que não se interessaram. É no eclodir da Segunda Guerra Mundial que os trabalhos e pesquisas na área da computação se intensificaram, pois as máquinas poderiam ser usadas para serviços de desencriptação e na produção de novas armas mais inteligentes. Nos Estados Unidos, a Marinha, em conjunto com a Universidade de Harvard e a IBM, construiu em 1944 o Mark I, um gigante eletromagnético que utilizava apenas válvulas e tinha o objetivo de calcular a trajetória de mísseis com maior precisão, uma das importantes pessoas envolvidas no desenvolvimento da computação foi Alan Turing, sua pesquisa tinha o foco na resolução de problemas formais e práticos através dos computadores e projetou a Máquina Turing que foi criada por ele e sua equipe para a criptoanálise da Máquina Enigma utilizada pelos nazistas na segunda guerra. Outra criação foi o ENIAC que foi um marco para história, ela era muito superior a todos os computadores analógicos produzidos na época e utilizava da tecnologia digital, não era necessária a movimentação de peças manualmente, cada operação poderia ser acessada através de configurações padrão de chaves e switches, esse computador foi utilizado por recomendação de John Von Neumann no projeto da bomba H em 1945, para avaliar a viabilidade de tal arma, os cálculos do ENIAC para a demonstração da explosão de uma bomba H foram enormes e duraram meses para serem concluídos e as respostas dadas pela máquina indicaram várias falhas no projeto proposto pela bomba H. John Von Neumann teve também um papel importantíssimo para a computação, ele formalizou o projeto lógico de um computador, ele propôs que as instruções dadas ao computador fossem armazenadas na memória, elas eram lidas de cartões perfurados e executadas, uma a uma. Ao armazená-las na memória, para então executá-las, tornaria o computador mais rápido, já que no momento da execução as instruções seriam obtidas a partir da rapidez eletrônica. Grande parte dos computadores atuais ainda seguem esse modelo proposto por Neumann. A partir desse ponto a revolução eletrônica teve um grande avanço com o desenvolvimento de um novo componente eletrônico chamado inicialmente de transfer resistor e posteriormente de transistor, foi inventado por Bardeen e Brattain em 1947 e tinha a mesma função das válvulas termiônicas, que era controlar a intensidade da corrente elétrica. Porém ela executava esta mesma função de forma muito mais eficiente, com grande economia de energia, peso e volume. Não demorou muito para ela se popularizar e progressivamente substituir as antiquadas válvulas eletrônicas. Mas o transistor ainda possuía algumas desvantagens, pois em isoladas aplicações exigiam milhares de transistores conectados manualmente em circuito, além de produzir equipamentos pesados e grandes ainda consumia muito tempo para montagem e manutenção como em aeronaves militares. Mas Jack Kilby inovou e chegou na solução de fabricar todo o circuito eletrônico em um único bloco, com menor custo a fabricação foi padronizada e o desempenho dos computadores melhoraram, pois como estão próximos a velocidade de comunicação é maior e o custo de energia fica menor. Robert Noyce que ajudou a fundar a Intel, apresentou uma outra ideia de circuito integrado que resolvia alguns problemas da versão de Kilby, foi substituído o gêrmanio, pelo silício que pode ser utilizado como isolante ou um semicondutor, que se tornou material padrão na indústria dos eletrônicos. O Brasil possui uma das maiores reservas de silício do mundo e é um importante fornecedor desta matéria prima para o mundo, mas não possui nenhuma indústria para fabricação dos circuitos integrados. Todo esse desenvolvimento ocasionou na criação de dezenas de computadores, cada vez mais atualizado e potente que o anterior, e não se limitou somente aos computadores, foram desenvolvendo calculadoras portáteis, smartphones, tablets, smart tvs, progressivamente na melhora da qualidade dos processamentos e melhor desempenho para atender as demandas da sociedade e além de incrementar aos estudos científicos uma poderosa ferramenta de trabalho, na Física Computacional simulações começaram a ser usadas logo após a Segunda GuerraMundial e vem se tornando crescente em diversas áreas desde então. A Física vem para explicar e entender o funcionamento do universo e utiliza da matemática como linguagem para se comunicar com a natureza, usando de equações para explicar e descrever o comportamento dela, mas nem sempre se consegue isso, periodicamente são encontrados algumas dificuldades em descrever com exatidão processos analíticos e geralmente se utilizada da Física Computacional para resolver esses problemas. Na meteorologia se investiga os fenômenos atmosféricos do ponto de vista da física, descrevendo-os e explicando-os a partir de teorias e da análise de resultados experimentais utilizando simulações de computador para as previsões. Para o ensino de Física em escolas ou universidades, a computação vem como uma importante ferramenta metodológica na checagem de experimentos pensados comumente e usados na Física para induzir a aprendizagem de conceitos e ideias fundamentais e ilustrar as suas devidas consequências. Mas podemos entender que simuladores experimentais não são considerados atividades experimentais. Por não ser real, pois não existe interação direta entre o aluno e o material experimental, restringindo as condições em que a atividade experimental se realiza, pois não existe interferência da natureza. A máquina obedece às leis da Física propriamente programadas. O objetivo da Física Computacional não é substituir a teoria ou o experimento, mas sim aumentar a compreensão e o entendimento que se tem acerca dos processos físicos. Existem diversas plataformas que projetam simulações Físicas e Matemáticas tanto para o ensino quanto para a pesquisa. O Wolfram Alpha é um mecanismo de conhecimento computacional desenvolvido pela Wolfram Research. É um serviço on-line que responde às perguntas diretamente, mediante o processamento da resposta extraída de base de dados estruturados, em lugar de proporcionar uma lista dos documentos ou páginas web que poderiam conter a resposta, tal como faziam os mecanismos de busca. Anunciado em março de 2009 pelo físico britânico Stephen Wolfram, o Wolfram Alpha se baseia no outro carro-chefe da empresa, o Mathematica, uma plataforma computacional ou toolkit que abrange álgebra computacional, computação simbólica e numérica, visualização e recursos de estatística. Dados adicionais são coletados de um número seleto de sites acadêmicos e comerciais. Assim como a plataforma PHET que oferece simulações de fenômenos físicos gratuitamente, incentivando a investigação científica ao fornecer interatividade e mostrar modelos mentais visuais, nessa plataforma é incluída várias representações como objetos em movimento, gráficos e números, criando uma simulação que possa ser flexivelmente usada em muitas situações educacionais. A dificuldade ao se ensinar Física é real, muitos alunos sentem dificuldades para aprender sobre os fenômenos físicos, uma das razões para isso acontecer são as metodologias utilizadas no ensino desajustado das teorias para a aprendizagem mais recentes, assim como a falta de novas metodologias, e o uso dos computadores vem como uma das possibilidades de resolver os problemas enfrentados no ensino das ciências exatas.