Ao final do século XIX, boa parte da Física já havia sido completamente desenvolvida. Foi então que um grupo de pesquisadores iniciou uma verdadeira revolução científica, cujo resultado foi a criação da Física Moderna, que compreende, essencialmente, as Físicas Quântica, de Partículas e Relativística. Uma das mentes mais brilhantes desse grupo foi o famoso físico Albert Einstein (1879 – 1955).

Legenda: A 5ª Conferência de Solvay: Elétrons e Fótons, realizada em 1927, em Bruxelas, Bélgica, reuniu algumas das mais consagradas mentes cientificas de todos os tempos, como Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Niels Bohr, Max Planck, Marie Curie e Albert Einstein. Fonte: https://rarehistoricalphotos.com/solvay-conference-probably-intelligent-picture-ever-taken-1927/

Uma das primeiras contribuições de Einstein para a Física Moderna foi a elaboração de uma teoria para explicar a emissão de elétrons por uma superfície metálica que é iluminada com luz ultravioleta. De acordo com Einstein, quando a luz atinge um elétron, ela não se comporta mais como uma onda eletromagnética, mas sim como uma partícula, denominada quantum de energia ou fóton. A explicação desse intrigante fenômeno, denominado Efeito Fotoelétrico, revolucionou o pensamento científico e possibilitou um grande avanço para o desenvolvimento das Físicas Quântica e de Partículas. Por essa contribuição, Einstein foi laureado com o Nobel de Física de 1921.

Outra importante contribuição de Einstein foi a criação da Teoria da Relatividade: a Restrita trata, dentre outras coisas, da equivalência entre massa e energia (expressa na famosa equação E=m×c²) e dos efeitos de dilatação do tempo e contração do espaço em objetos que se movimentam em altíssimas velocidades; a Geral trata essencialmente do efeito da gravidade sobre o espaço-tempo. Incrivelmente, ambas as teorias foram criadas a partir de experimentos mentais que Einstein costumava fazer depois de muito refletir sobre uma ideia aparentemente ingênua – a Relatividade Restrita surgiu depois de 10 anos refletindo sobre um pensamento que ele teve quando ainda era adolescente: o que aconteceria se alguém conseguisse viajar lado a lado com um raio de luz, à mesma velocidade que ela? A luz seria observada como um campo eletromagnético em repouso? Para Einstein, isso não poderia ser possível. Já a Relatividade Geral, surgiu quando ele se deu conta que uma pessoa não sente seu próprio peso quando cai em queda livre.

Inacreditavelmente, a Teoria da Relatividade foi tão revolucionária que Einstein quase foi desacreditado pela comunidade científica daquela época. Por sorte, em 1919, um eclipse solar ocorrido em Sobral, Ceará, possibilitou que um grupo de astrônomos constatasse que a luz proveniente de um grupo de estrelas realmente poderia ser desviada pela lente gravitacional criada pelo Sol, conforme previsto por Einstein.

Mas a Física Moderna não para por aí. A revolução científica iniciada pelos físicos modernos gerou uma revolução tecnológica sem precedentes na nossa história. Para que se tenha uma ideia, estima-se que mais de 30% do PIB mundial atual seja proveniente de tecnologias desenvolvidas a partir das suas teorias. Exemplos não faltam: transistores dos microchips presentes nos computadores, lasers, leds, painéis fotovoltaicos para geração de energia elétrica, microscópios eletrônicos, reatores de fissão das usinas termonucleares, reatores experimentais de fusão nuclear, além de diversos exames e tratamentos médicos, tais como tomografia por emissão de pósitrons, tomografia por raios-X, ressonância magnética nuclear, quimioterapia e radioterapia.

A NASA (Agência Nacional de Aeronáutica e Espaço) foi fundada nos EUA, em 1958, com objetivo oficial de “fomentar o futuro na pesquisa, descoberta e exploração espacial“. Uma de suas maiores conquistas foi o lendário pouso do Apollo 11 na Lua, em 1969. Como bem disse o engenheiro Neil Armstrong (1930-2012), primeiro ser humano a pisar na Lua: “esse é um pequeno passo para o homem, mas um gigantesco salto para a humanidade”. A partir de então, quando se pensa em inovação, criatividade e competência técnico-científica, uma das primeiras palavras que vem às nossas mentes é “NASA”. Essa fama não é injustificada, já que ela também é uma referência para a comunidade científica mundial.

Mas de onde vêm todos os recursos necessários para a manutenção de suas atividades? Para que se tenha uma ideia, o custo da missão Apollo equivaleria, em valores atuais, a mais de 110 bilhões de dólares! Como a NASA é uma agência federal, a solução para esse problema foi conquistar o apoio do contribuinte estado-unidense. Para isso, a NASA foi transformada em uma espécie de símbolo do protagonismo estado-unidense no desenvolvimento científico-tecnológico mundial. Tanto é assim que a marca NASA passou a fazer parte do dia a dia das pessoas, chancelando diversos produtos e serviços, como, por exemplo, o popular travesseiro produzido com a espuma viscoelástica desenvolvida em parceria com a NASA (1966) e o filme Interestelar (2014).

Apesar do apelo ao patriotismo estado-unidense ter sido uma solução bastante criativa, muitas pessoas ainda não viam sentido em realizar investimentos tão vultosos em pesquisas espaciais sem uma visível utilidade prática imediata, quando há tantos problemas mais urgentes para se resolver aqui na Terra. Afinal, o que justificaria investir bilhões para investigar o inabitável planeta Marte, enquanto há tantas pessoas desprovidas de condições mínimas de sobrevivência? Trata-se de um bom argumento, sem dúvidas.

No entanto, grande parte dos avanços tecnológicos que usufruímos hoje, mesmo dos mais vulneráveis, nascem em centros de pesquisa pura, espacial, ou militar. No caso da NASA, pode-se citar diversos exemplos do nosso cotidiano, tais como os modernos tênis (que foram inspirados nos calçados dos astronautas), os termômetros infravermelhos (cujo princípio de funcionamento é o mesmo dos equipamentos que medem a temperatura de estrelas), o aperfeiçoamento dos detectores de fumaça e os aspiradores portáteis (que foram desenvolvidos para serem utilizados em estações espaciais), as lentes de óculos antiembaçantes e resistentes ao risco (cujo propósito original era equipar as viseiras dos astronautas), o desenvolvimento de equipamentos e técnicas de investigação por imagens utilizadas em geoprocessamento e exames médicos (muitos dos quais foram originalmente concebidos para a investigação de objetos celestes), entre outros. Como se vê, a NASA, assim como muitos centros de pesquisas espalhados pelo mundo, possui um tremendo potencial para mudar a realidade das pessoas. E para melhor!

Em muitos contextos científicos, é fundamental que se identifique relações entre grandezas físicas nos mais diversos fenômenos naturais. Essas relações podem ser explicitadas ao se utilizar diferentes tipos de representações como, por exemplo, uma tabela ou um gráfico. Para se verificar as vantagens desses dois tipos de representações, pode-se considerar como exemplo um fenômeno óptico conhecido como reflexão da luz, ilustrado a seguir.

Nesse fenômeno, as grandezas físicas relevantes são o ângulo de incidência (i) e o ângulo de reflexão (r), indicados na figura acima. Após algumas medidas realizadas, pode-se representar os valores medidos em uma tabela. Para que os valores da tabela sejam representados em um gráfico deve-se, inicialmente, considerar em um plano duas retas perpendiculares entre si, conhecidas como eixos do gráfico. Em seguida, deve-se escolher qual eixo cada grandeza irá ocupar e transpor as linhas da tabela (pares de pontos) para o gráfico. Após essa transposição, ligam-se os pontos por meio de uma linha, conhecida como curva do gráfico, como indicado na figura a seguir.

De acordo com o exemplo anterior, é possível perceber que tanto a tabela quanto o gráfico são maneiras diferentes de se representar relações entre grandezas físicas. Porém, a análise dessas diferentes representações permite identificar algumas de suas vantagens e desvantagens:

Como fazer uma boa leitura de gráficos?

Uma leitura cuidadosa de gráficos é um procedimento essencial para se identificar quais são as grandezas envolvidas e de que maneira elas se relacionam. Sendo assim, para que se faça uma interpretação inequívoca de um gráfico, é importante que se tenha alguns cuidados:

1. Analisar com atenção as grandezas apresentadas em cada eixo:

Deve-se ter muita atenção com as grandezas representadas em cada eixo do gráfico que, normalmente, associam-se a símbolos tradicionalmente utilizados pela Física. Como exemplo, a figura abaixo representa um gráfico em função do tempo (t) do movimento de um corpo em uma trajetória conhecida. Porém, a grandeza representada no eixo vertical não foi definida. Sendo assim, esse gráfico pode representar situações diferentes, descritas nos quadros a seguir.

2. Análise das unidades apresentadas para cada grandeza:

Em gráficos quantitativos, é comum se representar entre parênteses as unidades utilizadas em cada grandeza presente nos eixos. O conhecimento dessas unidades é fundamental para que se faça relações entre essas grandezas em um sistema coerente de unidades. Os gráficos representados abaixo ilustram algumas dessas situações.

3. Identificar tendências de comportamento do gráfico e valores de máximos e mínimos:

Após os cuidados anteriores, deve-se fazer uma análise do comportamento do gráfico, ou seja, identificar as tendências de crescimento ou decrescimento da curva do gráfico. Essa análise é importante pois, ao se conhecer a tendência de crescimento ou decrescimento, pode-se especular o comportamento da curva para valores que não estão representados no gráfico. Além disso, ao se analisar a tendência de crescimento e decrescimento, é importante notar no gráfico quais são os seus valores de máximos e mínimos para que se conheça os valores extremos admitidos pelas grandezas relacionadas. É possível identificar essas características no exemplo a seguir.

Exemplo:

(ENEM) Em uma prova de 100 m rasos, o desempenho típico de um corredor padrão é representado pelo gráfico a seguir:

Finalmente, é importante ressaltar que a leitura quantitativa ou qualitativa de gráficos supera as fronteiras das ciências da natureza e atingem também outros contextos como as ciências humanas, mercado financeiro e até mesmo na análise de pandemias como, por exemplo, vêm ocorrendo na pandemia causada pela COVID-19.

Por Márcio Miranda, professor do Anglo Vestibulares

O travesseiro da NASA, comercializado atualmente por diferentes fabricantes, foi, de fato, desenvolvido pela agência espacial estadunidense?

O famoso travesseiro, amplamente comercializado no Brasil e no mundo, foi mesmo um projeto da agência espacial estadunidense. Ele é feito de uma espuma viscoelástica, que, basicamente, apresenta duas propriedades: elasticidade e viscosidade. A primeira, quando considerada ideal, refere-se à capacidade que um determinado corpo tem de retornar ao formato inicial depois que cessa a compressão sobre ele. Já a segunda– a viscosidade ideal – refere-se à sua contínua deformação quando o corpo é submetido a uma tensão de cisalhamento. O material viscoelástico combina essas duas propriedades: a espuma experimenta deformações contínuas quando submetida a uma compressão, porém, quando esta cessa, ela retorna gradualmente a sua conformação original.

O plano inicial da NASA era criar um material que fosse usado no revestimento de assentos e encostos a fim de aliviar o desconforto durante a decolagem de foguetes, quando os astronautas experimentam grandes acelerações. Essa espuma seria capaz de deformar continuamente à medida que o veículo espacial acelera e depois retornar ao formato inicial quando não estivesse mais submetida a grandes compressões. Entretanto, no final dos anos 60, quando o projetado foi apresentado, as amostras de espuma não se mostraram seguras, pois apresentavam comportamento quebradiço e expeliam gases desagradáveis, potencialmente perigosos em um ambiente fechado como o interior de uma espaçonave. Por isso, essa espuma nunca chegou a ser usada pela agência nos veículos espaciais.

Ao perder o interesse pelo projeto, a Nasa vendeu a tecnologia para uma empresa europeia produtora de espuma, que desenvolveu o produto na década de 80, visando ao uso pelos consumidores comuns. Na década seguinte, a espuma foi aplicada a colchões e travesseiros, obtendo relativo sucesso e despertando o interesse de fabricantes pelo mundo todo. No Brasil, atualmente, a espuma viscoelástica é utilizada na indústria em diferentes setores do ramo automobilístico, moveleiro e aviação, por exemplo. Mas, claro, não foi o desenvolvimento de super travesseiros a principal contribuição das pesquisas espaciais. Muitos outros dispositivos que usamos atualmente são oriundos delas. Quer conhecer alguns?

Filtro de água

Também nos anos 60, a agência espacial estadunidense desenvolveu uma tecnologia de filtragem de água – fundamental dentro de uma espaçonave, onde esse recurso é finito –, utilizando cartuchos de iodo que se assemelham aos sistemas usados atualmente no tratamento de água.

Câmeras de celulares e tablets

A demanda por microcâmeras compactas e de alta resolução também tem origem nas pesquisas realizadas para viagens espaciais. Essas câmeras deveriam integrar sondas e outros equipamentos de monitoramento e de registro de imagens, produzindo resultados nítidos em condições adversas de iluminação ou distância. Hoje em dia, celulares, tablets e computadores portáteis são dotadas de câmeras muito semelhantes.

Exames por imagens

O processamento digital de imagens, utilizados em exames de ressonância magnética, por exemplo, teve início a partir da necessidade de observar superfícies extraterrestres, como a da Lua, durante a corrida espacial dos anos 60. Esse é um benefício muito relevante para a Medicina.

Satélites e sistema de comunicação e monitoramento

Sem dúvida, a contribuição mais óbvia refere-se ao lançamento e ativação de satélites relacionados a telefonia celular, internet e GPS. Além disso, há satélites de monitoramento da superfície, que registram áreas devastadas, queimadas ou conservadas, e satélites que auxiliam na previsão do tempo, fundamental para a agricultura, por exemplo.

Em 1687, o físico inglês sir Isaac Newton (1643–1727) publicou um dos trabalhos mais relevantes das Ciências Naturais, intitulado Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural). Constituído de três volumes, o Principia apresenta três leis físicas simples e poderosas (Inércia, Princípio Fundamental e Ação-Reação), capazes descrever e predizer o movimento de todos os corpos conhecidos, de uma pequena molécula de gás até uma gigantesca estrela.

Desde então, essas leis têm servido de base teórica para o desenvolvimento não somente das ciências diretamente relacionadas a elas, como a Física e a Química, como também de outros ramos do conhecimento humano, tais como a Arquitetura e a Engenharia, podendo-se citar como exemplos o projeto de edifícios, eletrodomésticos, ferramentas, automóveis, aeronaves e até estações espaciais, entre outros.

Mas as leis do movimento também podem nos auxiliar a interpretar melhor o mundo que nos cerca, proporcionando-nos uma vida de melhor qualidade. É o caso, por exemplo, da compreensão de princípios fundamentais de biomecânica, que são fundamentados nessas três leis. Um breve estudo desses princípios pode ser de grande valia para evitar lesões físicas, sejam elas associadas à má postura ao se sentar durante os estudos, sejam, ainda, decorrentes de uma prática esportiva inadequada.

Outro terreno fértil para a aplicação prática dos conhecimentos associados às leis do movimento está relacionado à segurança viária. Esse tema é de especial importância em nosso país, onde mais de 30 mil pessoas morrem, anualmente, vítimas de acidentes de trânsito (dados do ONSV — Observatório Nacional de Segurança Viária). Vejamos alguns exemplos:

• Os freios ABS são sistemas que interrompem os freios intermitentemente, procurando impedir a ação da força de atrito cinético entre os pneus e a pista, o que certamente diminuiria a eficiência da frenagem. Sua atuação causa uma vibração intensa em todo o veículo, podendo fazer com que o motorista, assustado, interrompa a frenagem.
• Os airbags são bolsas infláveis de acionamento praticamente instantâneo, cujo objetivo é aumentar o intervalo de tempo de interação entre o motorista (ou passageiro) e o veículo durante uma colisão, diminuindo a intensidade da força de impacto sobre essa pessoa. No entanto, sua atuação não substitui a utilização do cinto de segurança; sem o cinto, seu impacto poderá ocasionar lesões graves no rosto e braços.
• Os encostos de cabeça dos bancos devem ser corretamente posicionados de modo a impedir movimentos bruscos da cabeça de motoristas e passageiros, evitando lesões cervicais ocasionadas por efeito chicote durante as colisões traseiras.
• Práticas de condução inadequadas — tais como utilização de celulares ao volante, dirigir muito próximo do veículo que transita à frente e a (perigosa) frenagem em curvas — podem provocar acidentes graves. Um breve estudo sobre a regra dos 2 segundos, que estabelece a distância segura entre veículos, ou da dinâmica do movimento circular poderia evitar esse tipo de acidente.

Conforme é possível verificar, as teorias científicas estão aí para serem utilizadas, seja de modo profissional, seja no nosso dia a dia. Cabe a nós nos apropriarmos desses conhecimentos para o desenvolvimento das habilidades e competências necessárias para fazer desse mundo um lugar melhor para todos.

Em 4 de outubro de 1957, o foguete Sputinik foi lançado da base, conhecida hoje como Cosmódromo de Baikonur (Cazaquistão), colocando em órbita o primeiro satélite artificial da Terra, homônimo ao foguete. Esse feito inspirou toda uma geração de jovens, como se vê no filme “Céu de outubro”, baseado no livro “Rocket boys”. Ele conta a história verídica do filho de um mineiro de carvão que, fascinado pela astronáutica, passa a construir pequenos foguetes, tornando-se mais tarde parte efetiva do grupo de engenheiros da Nasa.

Mas vamos lá: como funciona um foguete?

De maneira simplificada, podemos dizer que um foguete é uma estrutura formada por tanque de combustível (o qual pode ser líquido ou sólido), motor de propulsão e uma câmara onde esse combustível é queimado. Quanto à explicação dada pela Física, vamos propor duas delas.

A primeira é a de que o produto da combustão – constituído por gases que são expelidos para fora do foguete – e a própria estrutura constituem um sistema mecanicamente isolado, então, pode-se aplicar o Princípio da conservação da quantidade de movimento (expresso por Q = mv = constante). Ou seja, se o produto da massa do foguete (incluindo combustível) pela velocidade é uma constante, os gases provenientes da combustão, quando são expulsos durante a queima do combustível, diminuindo a massa total do foguete, aumentam, consequentemente, a velocidade do sistema como resultado. Por isso, quanto mais rápido for a queima desse combustível, maior será a velocidade alcançada pelo foguete. Esse princípio aliás, pode ser aplicado a várias situações de nosso cotidiano, por exemplo, em explosões, na colisão de veículos, no choque de bolas de bilhar etc.

A segunda explicação é a de que, como os gases, resultado da combustão, são expelidos para fora do foguete – ou, se preferir, como a estrutura do foguete empurra os gases para baixo –, de acordo com o Princípio da ação e reação, esses mesmos gases vão empurrar o foguete no sentido contrário, ou seja, para cima, fazendo-o se movimentar. Essa força que os gases aplicam na estrutura do foguete é chamada de Empuxo, que aparece também na propulsão de “foguetes a jato”, usada em alguns tipos de aviões.

Quanto ao Empuxo, ele é um conceito estudado de forma mais restrita numa parte da Física chamada Estática dos fluidos. Aristóteles teve papel fundamental no seu desenvolvimento, quando, por meio de observações, notou que, toda vez que um corpo é mergulhado num líquido, o nível deste sobe (líquido deslocado). Esse líquido aplica no corpo e para cima um Empuxo, cujo valor, conforme o filósofo também descobriu, é o mesmo do peso do líquido deslocado e, logo, pode variar dependendo do quanto o corpo está imerso no líquido.

Por fim, vestibulandos, uma importante sugestão: dominem muito bem os temas vistos aqui, pois são figurinhas marcadas nos vestibulares. Desejamos a todos excelentes estudos.

Dispneia é o termo médico que descreve a falta de ar em pacientes acometidos por doenças respiratórias, problemas cardíacos ou crises de ansiedade. Esse também é um dos sintomas da covid-19. De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), a dificuldade de respirar está relacionada a 19% a 35% dos casos confirmados da doença. Embora a maioria das pessoas afetadas por covid-19 (aproximadamente 80%) se recupera da doença sem a necessidade de tratamento especial, uma em cada seis torna-se gravemente doente e desenvolve a dificuldade de respirar.

Para respirar normalmente, há uma demanda energética do corpo humano, que corresponde de 3% a 5% do metabolismo. Durante a inspiração, os principais músculos exigidos são diafragma, intercostais externos e grande peitoral. Eles promovem a expansão dos pulmões, que são órgãos muito elásticos. Toda vez que os pulmões são insuflados, dois fenômenos físicos destacam-se: (1) o volume interno aumenta, provocando uma diminuição da pressão que determina um fluxo de ar de fora para dentro, e (2) há um acúmulo de energia potencial elástica, que é fundamental para promover a retração do órgão durante a expiração.

Quando há dispneia, como no caso da covid-19, o escoamento do ar pelas vias aéreas é turbulento. Nessa condição, a passagem do ar experimenta uma força de arrasto oposta à velocidade com que a massa de ar se desloca, dificultando sua movimentação. Por meio de um estetoscópio, o médico percebe vibrações típicas na ausculta do paciente. Na expiração, a compressão exercida pela parede torácica e pelos músculos do abdômen aumenta a pressão intrapulmonar, expulsando os gases decorrentes das trocas gasosas realizadas nos alvéolos pulmonares. Nessa fase, a diminuição do volume determina o aumento da pressão interna. A frequência com que esses movimentos se repetem denomina-se frequência respiratória e varia com idade do paciente. Para se ter uma ideia, ocorrem cerca de 20 ciclos por minuto para indivíduos entre 15 e 20 anos.

A ventilação mecânica ou artificial tem como objetivo prover o fornecimento de ar ao paciente parcial ou completamente, mantendo as trocas gasosas que foram descritas anteriormente. Dessa forma, o ventilador mecânico (equipamento que realiza a ventilação) deve seguir algumas etapas:

• fase inspiratória: estabelece-se uma diferença de pressão entre a entrada das vias aéreas e alvéolos pulmonares;
• pausa inspiratória: fecham-se as válvulas inspiratória e expiratória simultaneamente ao final da inspiração, mantendo dentro dos pulmões o volume corrente;
• fase expiratória: abre-se a válvula expiratória para o ambiente possibilitando que os pulmões voltem ao volume inicial, expulsando parcialmente os gases no seu interior;
• pausa expiratória: fecha-se a válvula expiratória e abre-se a válvula inspiratória dando início a primeira fase e recomeçando o ciclo.

Em função da avaliação médica das condições do paciente, o ventilador mecânico pode suprir todas as necessidades agindo em todas as etapas da respiração ou atuar de forma controlada durante a fase inspiratória ou expiratória. Ainda é possível controlar o ventilador a partir da fixação de parâmetros como volume (ventilação com volume controlado) ou pressão (ventilação com pressão controlada), além de ser opcional fixar ou não a frequência respiratória.

Uma equipe multidisciplinar da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP) desenvolveu um protótipo de ventilador pulmonar de baixo custo, com tecnologia totalmente nacional, a partir de componentes existentes no mercado brasileiro evitando a importação ou a necessidade de desenvolvimento de novas peças. O protótipo chama-se INSPIRE e pode ser acessado através do endereço https://www.poli.usp.br/inspire/diario-de-bordo-projeto-inspire.

Os conteúdos curriculares da disciplina de Física associados à respiração e ao ventilador mecânico que podem estar presentes nos exames vestibulares deste ano são transformações gasosas e lei geral dos gases. Quando uma amostra de gás ideal experimenta uma transformação entre dois estados A e B, tem-se:

na qual N representa o número de mols da amostra e p, V e T correspondem às variáveis de estado pressão, volume e temperatura, respectivamente.

*Por Élcio Moutinho Silveira, professor do Anglo Vestibulares

Quando um corpo troca calor e tem sua temperatura alterada, sofre mudanças em suas dimensões – de forma geral, aumentando, se for aquecido, ou diminuindo, se resfriado. Isso pode ser explicado pela mudança na agitação dos átomos e moléculas que constituem o corpo. No aquecimento, essas partículas ficam mais agitadas, levando ao aumento do distanciamento médio entre elas, o que reflete, macroscopicamente, na dilatação desse corpo. Podemos aplicar o raciocínio inverso para compreender a contração térmica.

Em projetos de engenharia, por exemplo, esse fato deve ser levado em consideração. Espaços, chamados geralmente de juntas de dilatação, são deixados em posições específicas para permitir que as peças possam dilatar, sem causar prejuízos. Se esses espaços não forem considerados, pode haver consequências muito sérias.

Entre muitos trilhos de uma ferrovia há diversas juntas de dilatação. Além disso, os trilhos são ancorados aos dormentes de forma a poderem se mover longitudinalmente quando ocorre dilatação ou contração térmicas. Há casos em que o projeto não foi muito bem feito, e os trilhos chegaram a entortar, pois não havia espaço suficiente para dilatarem, podendo até mesmo provocar o descarrilamento do trem.

O avião Lockheed SR-71 Blackbird possui uma característica interessante. Quando está no solo, os encaixes dos painéis das asas são tão frouxos que podem até mesmo provocar vazamento de combustível no chão. Mas, em voo, quando chega a atingir uma velocidade igual a três vezes a velocidade do som no ar, o atrito com este é tamanho que a dilatação térmica provoca pelo aquecimento faz com que os painéis se encaixem perfeitamente.

Em pontes, há juntas de dilatação para compensar as dilatações térmicas e evitar acidentes.

Uma análise quantitativa

A figura a seguir ilustra um corpo constituído por uma única substância, inicialmente à temperatura inicial θ₀, aquecido até uma temperatura final θ.

Caso haja interesse em se estudar apenas uma das dimensões desse corpo, como seu diâmetro, utiliza-se a dilatação linear do corpo. Caso seja necessário estudar alguma superfície, como sua área da base, aborda-se a dilatação superficial. E, caso se deseje analisar o volume desse corpo, trabalha-se com sua dilatação volumétrica.

Experimentalmente, verificamos que a dilatação linear ΔL, ou seja, a diferença entre o comprimento final L e o comprimento inicial L₀ do corpo, depende do comprimento inicial do corpo, da variação de temperatura Δθ a que o corpo foi submetido, e do material que constitui o corpo, caracterizado por uma grandeza chamada coeficiente de dilatação linear, representado pela letra α. A equação que mostra a relação entre essas grandezas é apresentada a seguir:

A partir dessa equação, pode-se determinar [α] = °C^-1. A tabela a seguir ilustra alguns valores do coeficiente de dilatação linear de certos materiais.

A partir dessa equação, podemos construir um gráfico do comprimento L final em função da temperatura θ:

Um exemplo de aplicação da dilatação linear são as lâminas bimetálicas, formadas por duas lâminas feitas com materiais distintos, coladas uma na outra. Ao ser resfriada, a lâmina bimetálica entorta, com a de menor coeficiente de dilatação (no exemplo, a de ferro) envergando-se sobre a de maior coeficiente de dilatação (no exemplo, a de cobre), e, ao ser aquecida, ocorre o contrário, a lâmina de maior coeficiente de dilatação (cobre) enverga-se sobre a de menor coeficiente de dilatação (de ferro).

Um exemplo de aplicação da dilatação linear são as lâminas bimetálicas, formadas por duas lâminas feitas com materiais distintos, coladas uma na outra. Ao ser resfriada, a lâmina bimetálica entorta, com a de menor coeficiente de dilatação (no exemplo, a de ferro) envergando-se sobre a de maior coeficiente de dilatação (no exemplo, a de cobre), e, ao ser aquecida, ocorre o contrário, a lâmina de maior coeficiente de dilatação (cobre) enverga-se sobre a de menor coeficiente de dilatação (de ferro).

As lâminas bimetálicas são utilizadas em circuitos elétricos em que se deseje que ora o circuito esteja aberto, ora fechado. Quando inicialmente o circuito é ligado, como a figura da esquerda, estabelece-se uma corrente elétrica na lâmina bimetálica, aquecendo-a. Ao ser aquecida, ela deforma, como representado na figura à direita, abrindo o circuito, interrompendo a corrente elétrica. A lâmina então esfria, voltando à forma inicial, fechando novamente o circuito, recomeçando o processo. Isso ocorre em alguns circuitos de lâmpadas de árvores de Natal, por exemplo.

Placas com furos e corpos com cavidades, se comportam como se fossem maciços, ou seja, os furos e cavidades dilatam ou contraem, como se fossem preenchidos com o material correspondente ao das placas e dos corpos, respectivamente. Nos furos das placas, utiliza-se a dilatação superficial, e nas cavidades dos corpos, a volumétrica. Um exemplo de aplicação disso é quando se deseja encaixar um pino em uma placa furada, em que o diâmetro do furo seja menor que o do pino. Algumas possibilidades de se realizar esse encaixe seriam resfriar o pino, diminuindo-o, ou aquecer a placa, aumentando, assim, o furo.

*por Fernando Nascimbeni, professor do Anglo Vestibulares

No último dia 02/07/2019, ocorreu o único eclipse solar total do ano que pôde ser observado no Chile e na Argentina. Esse acontecimento atraiu diversos cientistas e apaixonados pelo fenômeno para o deserto do Atacama, local onde seria visto. Pode-se perguntar: por que esse evento atrai tantas pessoas?

Um dos eclipses que ganhou notoriedade no meio científico foi o que ocorreu há 100 anos na cidade de Sobral, no Ceará, em 29 de maio de 1919. Nesse eclipse, cientistas britânicos comprovaram a teoria da relatividade geral de Einstein.

Ao fotografar o céu durante o eclipse solar, é possível obter uma imagem das estrelas vistas próximas ao sol, e, comparando-se a foto obtida durante o eclipse com outra foto tirada durante uma noite qualquer (sem a influência do Sol), verificou-se que a presença do Sol curvou a luz, pois as estrelas nas duas fotos estavam em posições diferentes. Assim, o ângulo de desvio obtido em Sobral confirmou a hipótese de Einstein, visto que a massa solar deformou a malha espaço-tempo, curvando a luz.

Como ocorrem os eclipses?

Quando uma fonte extensa de luz ilumina um objeto opaco, projeta-se uma região de sombra (ausência de luz) e uma região de penumbra – que é iluminada apenas por uma parte da fonte de luz (região parcialmente iluminada).  É importante observar que a penumbra é a região em que a intensidade luminosa é variável, isto é, ao se deslocar da sombra (L) para a região iluminada (M) da figura, a intensidade de luz vai aumentando gradativamente. A figura abaixo mostra uma fonte extensa AB, um obstáculo EF, a sombra projetada D e as penumbras P.

Fonte:  Anglo Vestibulares – Caderno de estudos

Eclipse solar

O eclipse solar ocorre quando a Lua se posiciona entre a Terra e o Sol (lua nova) impedindo que os raios solares atinjam uma pequena região na superfície da Terra. Nesse caso, o Sol é uma fonte extensa de luz, a Lua é o objeto opaco que projetará sobre a Terra uma região de sombra e uma região de penumbra, conforme a figura abaixo:

Fonte:  Anglo Vestibulares – Caderno de estudos

Se um observador estiver localizado na região de sombra verá o eclipse total do Sol e todo o astro estará encoberto pela Lua. Caso esteja localizado na penumbra, verá o eclipse parcial do Sol, visualizará apenas parte deste, e, quanto mais afastado da sombra, maior será a região visível do sol.

Como a distância da Lua à Terra é variável, ocorrem eclipses em que a Lua está no ponto mais distante de sua órbita (apogeu) e o vértice do cone de sombra fica localizado antes da Terra, conforme a figura abaixo:

Fonte:  Anglo Vestibulares – Caderno de estudos

Um observador localizado na região indicada na figura verá o eclipse anular (ou anelar) do Sol, situação está visível apenas a borda iluminada do Sol, pois a Lua esconde a região central dele.

Eclipse lunar

O eclipse lunar ocorre quando a Terra se posiciona entre o Sol e a Lua (Lua cheia). Nesse caso, o Sol é uma fonte extensa de luz e a Terra é o objeto opaco, formando assim uma região de sombra (II) e uma região de penumbra (I e III)  conforme ilustra a figura abaixo.

Fonte:  Anglo Vestibulares – Caderno de estudos

O eclipse total da Lua ocorrerá quando toda a Lua estiver posicionada na região de sombra, onde não receberá luz do Sol e ficará totalmente escurecida. Se parte da Lua estiver posicionada na penumbra e parte dela na sombra, ocorrerá o eclipse parcial da Lua, em que a região na sombra não estará visível.  Já quando a Lua estiver posicionada na região de penumbra, ocorrerá o eclipse lunar penumbral, e toda a Lua estará visível com baixa intensidade luminosa. Enquanto os eclipses solares totais só podem ser observados de pequenas regiões, os lunares são vistos de toda a parte noturna da Terra.

Os eclipses solares oferecem aos cientistas a oportunidade de diversos estudos, por exemplo: o efeito da radiação solar sobre a Terra, medindo-se a queda de temperatura e seus efeitos atmosféricos; o comportamento dos animais diurnos e noturnos durante o eclipse; entre outros. Além de ser um fenômeno belo de ser assistido, o eclipse possibilita ao observador uma experiência rara e única de visualizar um fenômeno que ocorre no espaço e de entrar em contato com a Astronomia em seu dia a dia.

*Por Carlos Marmo, professor do Anglo Vestibulares.

A necessidade de medir grandezas físicas é tão antiga quanto a própria civilização. No princípio, o dia a dia das pessoas dependia apenas da determinação de algumas medidas mais simples, tais como o volume de grãos de trigo colhidos, o comprimento de uma corda de fibras vegetais que foi produzida ou a área de um determinado lote de terra.

Atualmente, além de medidas como essas, nós também dependemos de muitas outras, como é o caso da potência elétrica de um liquidificador, da aceleração de um automóvel, da luminosidade de uma lâmpada ou da quantidade de energia elétrica produzida por uma usina em um mês.

Até o século XVIII, boa parte das unidades de medidas existentes se baseavam em partes do corpo humano, geralmente de nobres. É o caso do palmo, do pé e da polegada. Esse sistema, porém, não é adequado, na medida em que não é confiável, nem durável e nem decimal. Em 1790, durante a Revolução Francesa, a Academia de Ciências Francesa propôs o estabelecimento do Sistema Métrico Decimal. Posteriormente, em 1960, o Sistema Métrico Decimal foi aperfeiçoado, passando a se chamar Sistema Internacional de Unidades (SI), o sistema atualmente adotado pela comunidade científica em todo o mundo.

O SI possui sete unidades fundamentais: metro (unidade de comprimento), quilograma (unidade de massa), segundo (unidade de tempo), ampere (unidade de corrente elétrica), kelvin (unidade de temperatura), mol (unidade de quantidade de matéria) e candela (unidade de intensidade luminosa). Todas as outras unidades da ciência podem ser obtidas combinando-se essas unidades de base por meio de relações algébricas entre elas, como a multiplicação e a divisão. É o caso do m/s (unidade de velocidade), do m² (unidade de área) e do kg/m³ (unidade de densidade).

Todas essas unidades também foram sendo aperfeiçoadas ao longo dos tempos. O segundo, por exemplo, correspondia a 1/86.400 de um dia solar médio. O fato de a rotação terrestre ser tão variável evidenciou a necessidade de se criar um outro padrão. E foi assim que, com o desenvolvimento dos relógios atômicos, o segundo passou a corresponder à duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133.

Uma das últimas unidades a ser aperfeiçoada foi o quilograma. No início, ele era definido como a massa existente em 1 litro de água pura, a 4^o C. O objetivo era definir um padrão de comparação de massas que fosse reprodutível em qualquer lugar do mundo. Para tornar esse padrão portátil e eterno, confeccionou-se um pequeno cilindro metálico de platina e irídio, conhecido como “Le Grand K” (o Grande K, em francês) ou IPK (Protótipo Internacional do Quilograma, em inglês). Apesar de estar protegido por três campânulas de vidro e guardado em um cofre no Escritório Internacional de Pesos e Medidas (BIPM, em francês), em Sèvres, na França, o IPK (bem como suas réplicas espalhadas pelo mundo) sofreu pequenas alterações na sua massa, evidenciando a necessidade de criar outro padrão.

Recentemente, cientistas representantes dos 60 países-membros da Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) decidiram, por unanimidade, redefinir o quilograma com base em uma constante da natureza, a constante de Planck (h), que é imutável e universal. Isso foi realizado por meio de um sofisticado equipamento, denominado balança de Kibble, uma homenagem ao físico britânico Bryan Kibble (1938 – 2016).

Para as ciências da natureza e suas tecnologias, a mudança na definição do quilograma implica mudança de paradigma e um grande aumento na precisão e na exatidão em todas as pesquisas científicas e processos industriais que envolvam a grandeza de massa e suas grandezas derivadas. Dessa maneira, é possível, por exemplo, otimizar processos, consumindo menos recursos naturais, aumentando o nível de segurança, entre outros. Sob esse ponto de vista, podemos afirmar que a mudança na definição do quilograma, certamente, trará benefícios a toda a sociedade.

Por fim, quais são os possíveis reflexos dessa notícia nos vestibulares/ENEM?

– É possível que os próximos vestibulares/ENEM provoquem as reflexões que acabamos de fazer, o que exigirá dos vestibulandos algum conhecimento sobre história e filosofia da ciência e dos seus impactos, positivos e negativos, sobre a natureza e toda a sociedade.

– A alteração na definição do quilograma está sendo acompanhada pelas alterações na definição de três outras grandezas físicas, o ampere (unidade de medida da corrente elétrica), o kelvin (unidade de temperatura) e o mol (unidade utilizada para expressar a quantidade de matéria). Dessa forma, é possível que isso inspire as bancas examinadoras a confeccionar questões envolvendo os temas “análise dimensional” e “estimativas de ordem de grandeza”, bastante tradicionais em vestibulares/ENEM.

– A balança de Kibble é um equipamento extremamente sofisticado e complexo. Apesar disso, seu princípio fundamental de funcionamento é relativamente simples. Ela pode ser pode ser entendida como uma espécie de balança de braços iguais. Na extremidade de um dos braços, há um eletroímã e, na extremidade do outro braço, um corpo de massa desconhecida. Ao se estabelecer corrente elétrica no eletroímã, cria-se uma força que equilibra o peso do corpo que está pendurado do outro lado. Isso pode inspirar as bancas examinadoras a confeccionar questões envolvendo os temas “eletromagnetismo” e “estática”, igualmente tradicionais em vestibulares/ENEM.