Moysé fisica

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capitulo 1

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1.1 PARA QUE SERVE A FSICA?A cincia desempenha um papel muito importante no mundo contemporneo. No era assim h poucas geraes: o desenvolvimento cientfico tem-se acelerado enormemente. Tornou-se lugar comum dizer que vivemos numa sociedade tecnolgica e medir o pro-gresso pelo grau de desenvolvimento tecnolgico. A tecnologia depende crucialmente da cincia para renovar-se, e tambm contribui para ela, mas no devem ser confundidas.Sem dvida, nossas vidas so profundamente afetadas pela tecnologia, e de forma que, muitas vezes, est longe de ser benfica. Basta lembrar os problemas da poluio e do aquecimento global. Os cientistas so frequentemente responsabilizados pelos as-pectos negativos decorrentes de suas descobertas, embora o uso que delas se faz depen-da de fatores polticos e econmicos alheios a sua vontade. Por mais benfica que seja a inteno original, ela frequentemente deturpada. Por isso mesmo, os cientistas devem ter conscincia de sua responsabilidade.Vrios problemas cruciais de nossa poca dependem para sua soluo de avanos cientficos e tecnolgicos, inclusive aqueles que se originam direta ou indiretamente desses avanos. Os problemas da energia e do meio ambiente adquiriram uma impor-tncia vital.A reao anticientfica existiu desde os primrdios da histria da fsica. Basta lem-brar o exemplo de Galileu. Goethe atacou Newton por sua teoria das cores, dizendo que a essncia das cores se percebe num pr do sol, e no fazendo experimentos com um prisma. preciso reconhecer que a viso cientfica do mundo no exclui nem invalida outras variedades da experincia. Podemos aplicar a acstica, a neurofisiologia e a psicologia ao estudo das sensaes provocadas pela audio de uma sonata de Mozart, mas ainda es-taramos omitindo provavelmente o aspecto mais importante.A conscincia das limitaes do mtodo cientfico no nos deve impedir de apre-ciar sua imensa contribuio ao conhecimento da natureza. A motivao bsica da cincia sempre tem sido a de entender o mundo. a mesma curiosidade que leva um menino a desmontar um relgio para saber como funciona. De que so feitas as coisas?16Curso de fsica bsicaComo e por que se movem os corpos celestes? Qual a natureza da eletricidade e do magnetismo? O que a luz? Qual a origem do universo? Estas so algumas das grandes questes que tm sido abordadas pelos fsicos.A experincia tem demonstrado que o trabalho de pesquisa bsica, motivado exclu-sivamente pela curiosidade, leva com frequncia a aplicaes inesperadas de grande importncia prtica. Conta-se que o grande experimentador Michael Faraday, questio-nado pelo primeiro-ministro da Inglaterra sobre para que serviria sua recente desco-berta do fenmeno da induo eletromagntica, teria respondido: Quem sabe um dia ser taxado pelo governo. Quase todas as aplicaes que fazemos hoje em dia da ener-gia eltrica decorrem do efeito descoberto por Faraday. O transistor, o laser, os compu-tadores resultaram de pesquisas bsicas em fsica.O trabalho de muitas geraes demonstrou a existncia de ordem e regularidade nos fenmenos naturais, daquilo que chamamos de leis da natureza. O estudo que ora iniciamos pode ser empreendido pelos mais diversos motivos, mas uma de suas maiores recompensas uma melhor apreciao da simplicidade, beleza e harmonia dessas leis. uma espcie de milagre, como disse Einstein: O que a natureza tem de mais incom-preensvel o fato de ser compreensvel.1.2 RELAES ENTRE FSICA E OUTRAS CINCIASA fsica , em muitos sentidos, a mais fundamental das cincias naturais, e tambm aquela cuja formulao atingiu o maior grau de refinamento.Com a explicao da estrutura atmica fornecida pela mecnica quntica, a qumi-ca pode ser considerada at certo ponto como um ramo da fsica. A fsica forneceu a explicao da ligao qumica, e a estrutura e as propriedades das molculas podem ser calculadas em princpio resolvendo problemas de fsica. Isso no significa que o sejam na prtica, exceto em alguns casos extremamente simples. De fato, na imensa maioria dos casos, os sistemas qumicos so demasiado complexos para serem tratveis fisica-mente, mesmo com auxlio dos computadores mais poderosos disponveis, o que signifi-ca que os mtodos especficos extremamente engenhosos elaborados pelos qumicos para tratar esses problemas continuam sendo indispensveis. Entretanto, no temos razes para duvidar de que as interaes bsicas responsveis pelos processos qumicos sejam j conhecidas e reduzidas a termos fsicos.A situao com respeito biologia at certo ponto anloga, se bem que a compreen-so em termos de leis fsicas se encontre ainda num estgio menos desenvolvido. Muitas das peculiaridades dos sistemas biolgicos resultam de ser fruto de uma evoluo histri-ca a teoria de Darwin da evoluo fundamental na biologia. Esse fator no usualmen-te considerado para sistemas fsicos. certo que na cosmologia a evoluo do universo a partir de sua origem um tema central, mas no no sentido de evoluo darwiniana. Os avanos recentes da biologia molecular vm atuando no sentido de estabelecer uma apro-ximao cada vez maior entre a biologia e a fsica.A fsica deve grande parte de seu sucesso como modelo de cincia natural ao fato de que sua formulao utiliza uma linguagem que , ao mesmo tempo, uma ferramentaCaptulo 1 Introduo17muito poderosa: a matemtica. Na expresso de Galileu, A cincia est escrita neste grande livro colocado sempre diante de nossos olhos o universo mas no podemos l-lo sem apreender a linguagem e entender os smbolos em termos dos quais est escri-to. Este livro est escrito na linguagem matemtica. importante compreender bem as relaes entre fsica e matemtica. Bertrand Russell definiu a matemtica como: A cincia onde nunca se sabe de que se est falan-do nem se o que se est dizendo verdade para caracterizar o mtodo axiomtico: tudo deduzido de um conjunto de axiomas, mas a questo da validade desses axiomas no mundo real no se coloca. Hilbert, ao axiomatizar a geometria, disse que nada deveria se alterar se as palavras ponto, reta, plano fossem substitudas por mesa, cadeira, copo. Conforme o conjunto de axiomas adotado, obtm-se a geometria euclidiana ou uma das geometrias no euclidianas, mas no tem sentido perguntar, do ponto de vista da matemtica, qual delas verdadeira.Na fsica, como cincia natural, essa pergunta faz sentido: qual a geometria do mundo real? A experincia mostra que, na escala astronmica, aparecem desvios da geometria euclidiana.A fsica muitas vezes classificada como cincia exata, para ressaltar seus aspec-tos quantitativos. J no sculo VI a. C., a descoberta pela Escola Pitagrica de algumas das leis das cordas vibrantes, estabelecendo uma relao entre sons musicais harmonio-sos e nmeros inteiros (proporo entre comprimentos de cordas que emitem tons mu-sicais), levou convico de que: Todas as coisas so nmeros.Embora a formulao em termos quantitativos seja muito importante, a fsica tam-bm lida com muitos problemas interessantes de natureza qualitativa. Isso no significa que no requerem tratamento matemtico: algumas das teorias mais difceis e elabora-das da matemtica moderna dizem respeito a mtodos qualitativos.Neste curso, a nfase no ser no tratamento matemtico, e sim nos conceitos fsicos. Alguns dos conceitos matemticos bsicos que vamos empregar sero introduzidos medi-da que se tornarem necessrios. Tambm exemplificaremos algumas aplicaes biologia.A natureza ignora as distines que estabelecemos entre diferentes disciplinas. A pes-quisa cientfica de fronteira requer cada vez mais uma abordagem interdisciplinar.1.3 O MTODO CIENTFICONo se pode codificar um conjunto de regras absolutas para a pesquisa. Cabem apenas algumas observaes sobre esse tema.Observao e experimentao: so o ponto de partida e, ao mesmo tempo, o teste crucial na formulao das leis naturais. A fsica, como as demais cincias naturais, uma cincia experimental. Assim, o bom acordo com a experincia o juiz supremo da validade de qualquer teoria cientfica. O dilogo Hegeliano, S pode haver sete planetas. Mas isso contradiz os fatos! Tanto pior para os fatos!, representa o oposto da atitude cientfica. A nica autoridade reconhe-cida como rbitro decisivo da validade de uma teoria a verificao experi-mental de suas consequncias. Se no est de acordo com a experincia, tem de ser descartada. 18Curso de fsica bsicaEntretanto, embora a cincia se construa com dados experimentais, da mesma forma que uma casa se constri com tijolos, uma coleo de dados experimentais ainda no cincia, da mesma forma que uma coleo de tijolos no uma casa (Poincar).Abstrao, induo: J se disse que a primeira lei da ecologia : Tudo depende de tudo; por isso que problemas ecolgicos so to complexos. Em certa medi-da, o mesmo vale para a fsica ou qualquer outra cincia natural. Quando uma ma cai da rvore, o movimento da Terra sofre uma (pequenssima!) perturba-o, e ele tambm afetado pelo que acontece em galxias extremamente dis-tantes. Entretanto, seria impossvel chegar formulao de leis naturais se pro-curssemos levar em conta desde o incio, no estudo de cada fenmeno, todos os fatores que possam influenci-lo, por menor que seja essa influncia. O primeiro passo no estudo de um fenmeno natural consiste em fazer abstrao de um grande nmero de fatores considerados inessenciais, concentrando a ateno apenas nos aspectos mais importantes. O julgamento sobre o que ou no importante j envolve a formulao de modelos e conceitos tericos, que representam, segundo Einstein, uma livre criao da mente humana.Um bom exemplo o conceito de partcula na mecnica. Na geografia, em que o globo terrestre o principal objeto de estudo, preciso, para muitos fins, levar emconta as irregularidades da crosta terrestre. Ao estudar o movimento de rotao daTerra em torno de seu eixo, podemos consi-der-la, em primeira aproximao, como umaesfera rgida uniforme. J quando estuda-mos o movimento de translao da Terra emtorno do Sol, considerando que o dimetroda Terra menor que um dcimo-milsimode sua distncia ao Sol, podemos desprezarsuas dimenses, tratando-a como uma par-Figura 1.1Estgios sucessivos de abstraotcu