quinta-feira, 23 de novembro de 2006

Lançamento do Clik Ciência


No próximo dia 29 de novembro lançaremos a revista digital de divulgação científica CLICK CIÊNCIA que estamos construindo alguns meses. Esse novo site é uma proposta de fazer divulgação científica de uma maneira um pouco diferente, não apenas noticiar fatos que aparecem na mídia, mas também aprofundar um pouco mais os conceitos discutidos.
O Lançamento oficial ocorrerá no Almanaque Café em São Carlos.
Todos estão convidados

quinta-feira, 16 de novembro de 2006

Uma estranha forma de ver o mundo

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
17/11/2006

A compreensão do mundo a nossa volta é uma tarefa que tem sido realizada por filósofos e cientistas há milhares de anos. Várias tentativas já foram empreendidas, algumas com sucesso e outras com fracasso. No caso particular da física, muitas teorias e modelos já foram propostos e refutados. Atualmente ela está fundamentada em duas grandes teorias: a teoria da relatividade geral de Einstein e a mecânica quântica.

A mecânica quântica, ao contrário da teoria da relatividade geral, que foi uma obra praticamente exclusiva de Einstein, foi uma realização coletiva construída ao longo das primeiras décadas do século 20. Sua forma de entender a natureza foi uma ruptura com todos os conceitos que a física tinha construído nos séculos anteriores. Depois da mecânica quântica, o mundo nunca mais foi o mesmo.

Uma das idéias revolucionárias introduzidas pela mecânica quântica foi o conceito da dualidade onda-partícula. Até a metade do século 19, vários experimentos tinham mostrado que a luz se comportava como uma onda. Em 1865 o físico escocês James C. Maxwell (1831-1879) demonstrou que a luz era uma manifestação oscilações periódicas produzidas por campos elétricos e magnéticos que se propagam por todo o espaço como se fossem uma onda.

Contudo, mesmo com esses avanços, alguns fenômenos não podiam ser completamente entendidos. Um deles era o efeito fotoelétrico, no qual elétrons podem ser arrancados de um metal, gerando uma corrente elétrica, quando há incidência de luz. O importante nesse efeito não é a intensidade da luz, mas sim a freqüência desta. Se a freqüência for menor do que um determinado patamar mínimo, o fenômeno não é observado.

Contribuições de Einstein

Einstein por volta de 1905, ano em que propôs que a luz era emitida e absorvida como se fosse constituída por pequenas partículas.

A explicação do efeito fotoelétrico foi apresentada pelo alemão Albert Einstein (1879-1955) em 1905. Ele propôs que a luz era emitida e absorvida como se fosse constituída por pequenas partículas (‘quanta de luz’ ou fótons). A energia de cada fóton é proporcional à freqüência associada da luz que incide sobre o material. Dessa maneira, o efeito só é observado quando a luz incidente tem energia suficiente para arrancar os elétrons dos átomos. Por essa explicação (e outras contribuições à ciência), Einstein recebeu o prêmio Nobel de física em 1921.

De acordo com o tipo de situação, a luz apresenta comportamento ondulatório, no caso da sua propagação, ou corpuscular, no caso do efeito fotoelétrico e no processo de fotossíntese, que também ocorre somente para fótons de determinada energia. Contudo, esse comportamento não é privilégio da luz.

Em 1924, o francês Louis de Broglie (1892-1987) propôs que as partículas atômicas constituintes dos átomos poderiam se comportar como se fossem ondas, ou seja, “ondas de matéria”. Alguns anos depois, em 1927, os americanos Clinton J. Davisson (1881-1958) e Lester H. Germer (1896-1971) e o inglês George P. Thomson (1892-1975) demonstraram o comportamento ondulatório para os elétrons de maneira similar com o que acontece com a luz. Esses cientistas incidiram elétrons com alta energia sobre a superfície de um metal e observaram que os elétrons apresentam o fenômeno de difração da mesma forma que a luz.

Em 1937 Davisson e Thomson receberam o Nobel de física pela demonstração experimental da difração de elétrons em cristais. Curiosamente, em 1906, o inglês Joseph J. Thomson (1856-1940, pai de G.P. Thomson) foi agraciado com o Nobel, por suas investigações sobre a condução da eletricidade nos gases, que levaram à descoberta do elétron. Após 31 anos, o seu filho recebeu o mesmo prêmio por demonstrar que essa mesma partícula poderia se comportar como uma onda.

Afinal de contas, a luz é uma onda ou um corpúsculo? Elétrons, prótons nêutrons etc. são ondas ou partículas?

A mecânica quântica explica

O dinamarquês Niels Bohr (esquerda) e o alemão Werner Heisenberg trouxeram contribuições fundamentais para a mecânica quântica.

As respostas a essas questões estão no âmago da mecânica quântica. Podemos dizer que, no mundo microscópico, os aspectos corpusculares e ondulatórios da matéria e energia são complementares, ou seja, um sistema quântico pode tanto exibir aspectos corpusculares ou aspectos ondulatórios, dependendo de como realizamos o nosso experimento, mas não ambos ao mesmo tempo. Portanto, não é possível montar uma experiência onde os dois aspectos possam ser revelados ao mesmo tempo. Essa explicação foi proposta pelo dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) em 1928 e ficou conhecida como o princípio da complementaridade.

Associado a esse fato, há um outro princípio fundamental na mecânica quântica conhecido como princípio da incerteza (ou princípio da indeterminação) proposto pelo alemão Werner Heisenberg (1901-1976) em 1927. Esse princípio introduziu a idéia de que é impossível conhecer com certeza absoluta de maneira simultânea a posição e a quantidade de movimento de uma partícula. Da mesma forma, ele limita também nossa percepção em relação ao tempo e à energia de uma partícula. Essa limitação não é tecnológica, mas sim uma imposição da natureza e faz parte do âmago do mundo em escala atômica.

Podemos compreender um pouco melhor a idéia esta idéia imaginando a seguinte situação: para a detecção de qualquer objeto, é necessário interagir com ele. Se o objeto a ser detectado for um ente muito pequeno, como um elétron, precisamos interagir com ele utilizando algo do seu tamanho. Para observarmos um elétron é necessário “iluminá-lo” com uma radiação com comprimento de onda muito pequeno. Ao fazermos isso, a interação com a radiação modifica a quantidade de movimento da partícula. Dessa forma, quanto maior for a nossa precisão em relação à posição do elétron (interagindo com ele com um comprimento de onda muito pequeno), maior será a quantidade de energia que ele absorverá, mudando a sua quantidade de movimento.

Embora esses conceitos da mecânica quântica pareçam estranhos, por contrariarem o senso comum, eles são até hoje demonstrados como válidos. De fato, grande parte da nossa tecnologia, como a eletrônica, o laser , o microscópio eletrônico, a energia atômica etc., é baseada na mecânica quântica. Embora o “mundo quântico” pareça estranho, ele não tem nada de mágico: apenas é dominado por uma outra lógica, por outra forma de ver o mundo.

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A coluna Física sem Mistério é publicada na terceira sexta-feira do mês pelo físico Adilson J. A. de Oliveira, professor da UFSCar

quarta-feira, 1 de novembro de 2006

A leveza do mais pesado do que o ar

A pedido do site Cosmos On line, do Diário de Campinas escrevi mais um texto sobre o vôo.
Este texto está um pouco mais didático para explicar o vôo do avião.

A leveza do mais pesado do que o ar


A sensação de voar, para algumas pessoas, é algo que inspira liberdade e leveza. Para outras, embarcar em um avião pode ser uma experiência assustadora. O medo de acontecer algum problema com o avião durante o vôo pode preocupar, pois na grande maioria dos acidentes aéreos não há sobreviventes. Contudo, estatisticamente voar é o meio de transporte mais seguro que existe no mundo. Viajar pelas estradas de automóvel é mais perigoso. Anualmente registram-se mais mortes no trânsito do que em acidentes aéreos, mesmo levando em conta o número de pessoas que utilizam esses meios de transporte. Contudo, a notícia da queda de um avião acaba sendo mais chocante.
O vôo pode ser feito de diversas maneiras. As primeiras tentativas feitas com sucesso foram as utilizando-se balões. Os balões, como aqueles utilizados em festas de crianças, quando são inflados flutuam. Os balões utilizados para transportar pessoas geralmente são preenchidos com ar quente ou com gás hélio. Em ambos os casos o aumento do volume faz com que a densidade do balão (a densidade é a massa do balão dividido pelo volume total) fique menor do que a do ar. Quando isso ocorre, a força de empuxo faz com que o balão suba para os céu, pois objetos cuja densidade seja menor do que a densidade da atmosfera tendem a flutuar. Por esse motivo costuma-se dizer que os balões flutuam por serem “mais leves do que o ar”, ou seja, com menor densidade. Esse efeito é o mesmo que impede que navios com centenas de toneladas afundem, pois neste caso a densidade deles é menor do que a da água.
Entretanto, os balões ou os dirigíveis, que são balões com motores para controlar o deslocamento, são muitos lentos e pouco manobráveis. O brasileiro Alberto Santos Dumont, no dia 23 de outubro de 1906, exatamente há 100 anos, em Paris, mostrou que era possível voar utilizando um veículo mais pesado do que o ar, inventando o avião.
A explicação para o vôo dos aviões está baseada no conhecido princípio de Bernoulli, segundo o qual a maior velocidade do fluxo de ar na parte superior das asas provoca uma pressão menor, e como conseqüência a diferenças de pressões sobre o aerofólio em virtude das diferentes velocidades do fluxo do ar em cima e abaixo causa a força de sustentação. A Figura 1 abaixo esclarece um pouco melhor essa situação.




Figura 1 – As setas em azul indicam o fluxo do ar próximo a asa de um avião. A seta em vermelho na vertical representa a força de sustentação, resultante da pressão menor na parte de cima da asa. A seta em vermelho na horizontal representa o arrasto do ar.

O avião para se movimentar utiliza uma hélice ou uma turbina que tem o objetivo de “sugar” o ar e impulsiona-lo para trás. Devido ao princípio da ação e reação, o avião sofre uma reação e é impulsionado para frente. Na medida na qual o avião aumenta a sua velocidade, o ar flui pela asa como mostrado na figura acima. O movimento do “flap” (dispositivos que consistem de abas articuladas) muda o perfil da asa, ajudando na sustentabilidade e controle da aeronave no ar. Esse dispositivo é utilizando nas operações de pouso e decolagem. Na Figura 2 abaixo pode-se observar mais alguns detalhes das partes móveis de um avião que são responsáveis pelo controle do vôo.


Figura 2 – Detalhes das partes móveis do avião: Ailerons – alteram a sustentação nas pontas da asa do avião permitindo giro no seu eixo longitudinal – Leme: - parte móvel da aeronave que permite que a mesma gire em torno de seu eixo vertical – Profundador e elevador – permite o controle para subir e abaixar o nariz do avião – Fonte: Wikipédia

Desde o vôo do 14-bis os aviões evoluíram muito e hoje é fácil se deslocar de um continente para outro em algumas horas. Esse era o sonho imaginado por Santos-Dumont. Construir algo que facilitasse a vida das pessoas. Infelizmente o avião também se tornou uma das mais mortais armas de guerra já criadas, aplicação que jamais Santos Dumont concordou. Contudo, o legado deixado pelo “Pai da aviação” será sempre lembrado como um grande incentivo para nos aventurarmos para vôos mais altos.