domingo, 29 de dezembro de 2013

A minha Jornada nas Estrelas: Segundo dia: Com o anoitecer começamos descobrir o céu

Diário de bordo
Data: 03/12/2013 - 20h45
Data Estelar: 2456630.5

Quando começou anoitecer no alto da montanha foi possível ver um espetáculo fantástico.

Pôr do Sol em Paranal. As nuvens estão abaixo da montanha

Vênus fotografado sem tripê e com zoom da câmera

A pálida mancha que aparece um pouco deslocada do centro da foto é a Lua Crescente - Foto tirada sem tripe

Pôr do Sol


sexta-feira, 27 de dezembro de 2013

A minha Jornada nas Estrelas: Segundo dia: No alto podemos ter o olhar mais ampliado

Diário de bordo
Data: 03/12/2013 - 20h00
Data Estelar: 2456630.5

Depois da subida pela "Star Track" em Paranal no ESO, voltei para o hotel e aguardamos chegar a hora do por do Sol. Sem dúvida a vista é maravilhosa!
Vista do alto do Monte Paranal - ao fundo pode se observar as nuvens abaixo do nível da montanha


Foi possível ver de perto os telescópios do ESO instalados em Paranal


Na foto está da esquerda para direita: Fernando Comerón (representante do ESO no Chile), Claudine Nicollier (astronauta suíço que esteve lá comigo), Cláudio Melo (que é diretor científico do ESO no Chile), que mesmo com o joelho machucado fez questão de nos acompanhar na visita.  O último sou eu!





ao fundo um dos 4 telescópios gigantes de Paranal. Eles tem nomes tirados das lendas do povo andino. Esse é o Antu, que quer dizer "O Sol"- Ao fundo está o Kueyen - "A Lua"

Aqui pode-se observar os outros dois grandes telescópios - Melipal (Cruzeiro do Sul) em primeiro plano e no fundo Yepun (o planeta Vênus)






Dentro da Cúpula do VLT - é impressionante a precisão que esses equipamentos funcionam. Utilizando ótica adaptativa eles conseguem minimizar os efeitos da atmosfera, conseguindo resultados fantásticos


quarta-feira, 4 de dezembro de 2013

A minha Jornada nas Estrelas: Segundo dia: Chegar ao Céu pode parecer um inferno!

Diário de bordo
Data: 03/12/2013 - 16h00
Data Estelar: 2456630.5

Resolvi aceitar um convite para fazer a rota Star Track, uma caminhada do hotel até o alto da montanha onde ficam os telescópios. Não tinha reparado em qual era a distância e quanto eu teria que subir. São 2 km de caminhada e uma subida de 200 m! Foi a minha caminhada mais difícil!

O Hotel lembra um cenário futurista e foi usado nas filmagens do filme 007 - Quantum of Solace



Início da caminhada

Ficando para trás na caminhada

ainda faltando muito para terminar a caminhada

Chegando nos últimos metros

última subida

chegada ao final da Star Track






terça-feira, 3 de dezembro de 2013

A minha Jornada nas Estrelas: segundo dia - a companhia de um astronauta

Diário de bordo
Data: 03/12/2013
Data Estelar: 2456629.5

Na visita que estou fazendo em Paranal, no Observatório do ESO também tenho a companhia do primeiro astronauta  suíço Claude Nicollier. Ele fez quatro viagens para espaço, sendo que uma delas foi para a estação Mir  e na manutenção do telescópio Hubble. Ele já se aposentou como astronauta mas continua como professor de Engenharia Aeroespacial na Universidade de Lausanne na Suíça, aproveitando para ensinar os conhecimentos que adquiriu na carreira de astronauta. Bem diferente de outro astronauta que muito de nós brasileiros conhecemos.




Perguntei a ele sobre o filme Gravity, na qual atriz Sandra Bullock interpreta uma astronauta perdida na órbita da Terra. Ele me disse que a sensação é aquela que o filme passa, mas não tem tantos destroços no espaço como o filme mostrou. Isso para ele foi um exagero.


O grande problema que quando você está no espaço não existe nenhum atrito de forma que se você escapar não tem como parar de se mover.
Um outro comentário de Claude Nicollier é que o traje espacial no filme voa muito mais do que normalmente pode e que quando eles vão para o espaço eles tem no mínimo 8 horas de oxigênio para caminhadas espaciais.

A minha Jornada nas Estrelas - início do segundo dia

Diário de bordo
Segundo dia: 03 de dezembro de 2013
Data Estelar: 2456629.5

São 13h30, horário do Chile. Acabei de chegar em Paranal e a temperatura está amena, 21 C e a umidade do ar está em 21%, mas o normal por aqui é 5%.
Foi uma viagem de aproximadamente 1h40 desde Antofagasta até Paranal. Na paisagem apenas o deserto e pedra.




Esta é uma vista do observatório ca sua portaria





Agora vamos para o almoço

A minha Jornada nas Estrelas - Primeiro dia

Diário de bordo
Primeiro dia:02/12/2013 -
Data Estelar: 2456628.5

Recebi um convite do European Southern Observatory para conhecer o sítio em  Paranal que fica no Norte do Chile. O convite foi para a UFSCar conhecer o trabalho realizado pelo ESO. Para mim também foi uma oportunidade de realizar um sonho de infância. Poder ver o melhor céu do mundo e conhecer um dos maiores e mais importantes centos de astronomia.


A viagem de São Paulo à Santiago no Chile foi muito tranquila. A vista do avião passando sobre os Andes é algo maravilhoso. Sem dúvida é um dos mais belos lugares do mundo



 Fiz um up grade e comprei uma câmera decente para poder fotografar o local. Amanhã de manhã continuarei a viagem para Antofagasta, que é o aeroporto mais próximo do sítio astronômico. Fica cerca de 1000 km de Santiago.

Tive um pequeno problema com o meu tradutor universal, que aliás é frequente. Quando alguém fala comigo em  uma língua que não é português ou inglês as minhas respostas costumam ser em francês. Depois de alguns dias ele costuma a funcionar como deve. A conexão de internet no hotel também não é das melhores.

domingo, 24 de novembro de 2013

Energia Essencial

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 15 de novembro de 2013

No último dia 20 de outubro teve início mais um período no qual, a partir de um decreto federal, as pessoas que vivem nas regiões Sul, Sudeste e Centro-oeste do Brasil tiveram que adiantar seus relógios em uma hora. É o horário de verão, há tempos instituído no Brasil com o objetivo de se aproveitar melhor os períodos de luminosidade solar. Começa todos os anos a partir do terceiro final de semana de outubro e vigora até o terceiro final de semana de fevereiro.
A ideia de fazer a mudança nos relógios é que nessa época os dias são mais longos. Para os estados do Norte e Nordeste a medida não se aplica, pois, como estão próximos da linha do Equador, não há diferenças consideráveis do período de luminosidade ao longo do ano.
Com o adiantamento dos relógios, levantamos uma hora mais cedo (quando o dia já está claro) e também dormimos uma hora antes, diminuindo o consumo de energia elétrica. As estimativas são de que a medida leve a uma economia da ordem de 0,5% ao longo do período de vigência do horário.
Uma economia de 0,5% parece pequena, mas a energia elétrica (assim como as demais formas de energia) é um insumo essencial – e caro – em nossa sociedade. Dependemos dela o tempo todo, e sua produção e distribuição são grandes desafios para o século 21, principalmente se levarmos em conta que a geração de energia tem um custo que vai além do financeiro. O desafio é gerar energia com um mínimo de impactos ambientais. Mas, como veremos, é impossível gerar energia sem que parte dela seja devolvida ao ambiente de forma não útil.

Conservação da energia

Um dos mais importantes fundamentos da física é o chamado princípio da conservação da energia, que estabelece que a energia nunca é criada ou destruída, mas sempre conservada em todos os processos físicos.
Esse princípio está presente em diferentes teorias físicas, mas aparece de forma marcante na chamada Primeira Lei da Termodinâmica, segundo a qual a variação da energia interna de um corpo depende do trabalho realizado pelo corpo e da quantidade de calor dele extraída.
Por exemplo, em um automóvel, quando o combustível é injetado no motor, uma faísca produz combustão, que é um processo de queima controlada. Esse processo libera grande quantidade de calor e, como consequência, aumenta a pressão na câmara interna, que empurra o pistão, colocando-o em movimento.
A partir daí, de modo simplificado, dizemos que os movimentos são transferidos para os eixos do automóvel, permitindo que ele ande, e também para um gerador elétrico, que alimenta uma bateria. Esta permite então os acionamentos elétricos existentes no automóvel. Mas, nesse processo, há geração de dióxido e monóxido de carbono, que são lançados na atmosfera, contribuindo com a poluição do planeta.
No processo de combustão, a energia química acumulada nas ligações entre átomos e moléculas do combustível se transforma em calor (que também é uma forma de energia). Essa energia química foi acumulada nos processos que levaram à formação das moléculas.
No caso da gasolina e do óleo diesel, essa energia vem do petróleo, formado a partir da decomposição de seres que compõem o plâncton e outras matérias orgânicas, como restos de vegetais e algas, que ficaram enterrados em rochas sedimentares sob forte calor e pressão. Tais seres, por sua vez, acumularam energia a partir do processo de fotossíntese, no qual as plantas usam a energia do Sol para converter gás carbônico, água e minerais em compostos orgânicos e oxigênio gasoso.
No caso do etanol utilizado nos automóveis, extraído da cana-de-açúcar ou milho, ou dos óleos vegetais, como o biodiesel, também aproveitamos a energia solar que os vegetais acumularam a partir da fotossíntese.
A principal diferença na utilização de combustíveis fósseis, como o petróleo, é que nesse caso o carbono emitido estava anteriormente acumulado nas profundezas do solo. Já as plantas utilizadas para gerar biocombustíveis capturaram o carbono da atmosfera (no processo de fotossíntese). O ciclo que ocorre nesse último caso praticamente não deixa resíduos na atmosfera (como o gás carbônico) que contribuem com o aquecimento global.

Entropia

Uma importante descoberta da física é que não se pode transformar a energia com 100% de eficiência. Como no exemplo do automóvel, é impossível transformar uma forma de energia em outra que gere sempre trabalho ou movimento. Parte dela sempre será transformada em calor que não pode ser aproveitado. Percebemos facilmente o aumento da temperatura de um motor durante o seu funcionamento.
Esse fato é conhecido como Segunda Lei da Termodinâmica e está relacionado com o conceito da entropia, uma grandeza física associada ao grau de organização de um sistema (e, como consequência, à quantidade de informação necessária para caracterizá-lo). Dessa forma, quanto maior a entropia, mais informações são necessárias para descrevermos um sistema (veja a coluna 'O caos e a ordem').
No caso do automóvel, grande parte do calor gerado no processo de combustão para pôr o veículo em funcionamento se perde no meio ambiente e não pode ser reaproveitada.
Nas usinas hidrelétricas, em que a eletricidade é gerada pelo movimento das turbinas produzido pela água que desce a represa, parte dessa energia se perde no processo de atrito entre a água e a turbina. Na própria transmissão da eletricidade pelos cabos da usina até nossas casas, a energia se perde na forma de calor devido à resistência elétrica dos fios.
Enfim, a energia não é criada nem destruída, mas transformada, e parte dela se modifica em energia que não pode ser utilizada. Assim, dada a crescente demanda de energia, é necessário buscar sempre processos nos quais esses efeitos possam ser minimizados, embora saibamos que é impossível transformar energia com 100% de eficiência. A energia é essencial para nossas vidas, devendo, portanto, o seu uso ser bem empregado e valorizado, buscando-se sempre evitar desperdícios.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

domingo, 17 de novembro de 2013

Percepções Sonoras

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 24/10/2013

Graças aos nossos sentidos, temos condições de interagir com o mundo à nossa volta. Com limitação em qualquer dos sentidos, uma pessoa perde boa parte das informações que poderia receber.
Além da visão, que talvez seja o sentido mais importante, a audição completa grande parte de nossa percepção. A partir dos sons que captamos, podemos nos comunicar com outras pessoas, receber informações e experimentar diferentes sensações. Ao ouvir o canto de um pássaro, uma canção ou a voz de alguém, percebemos coisas que só através do som podemos compreender.
O som é a propagação de uma perturbação mecânica em um meio material. Pode propagar-se como uma onda periódica, caracterizada por seu comprimento (que é a distância entre dois picos ou vales) e por sua frequência (número de vezes que ela varia por unidade de tempo).
Por exemplo, quando tocamos a nota musical ‘lá’ em um violão, ela se propaga pelo ar com velocidade de aproximadamente 340 m/s na forma de uma onda com frequência de 440 Hz (hertz é uma unidade de frequência que equivale a uma oscilação por segundo) e comprimento de onda de aproximadamente 77 cm.
Quanto maior a frequência, menor o comprimento da onda. A velocidade com que o som se propaga depende do meio: quanto mais denso o meio, maior a velocidade de propagação. Na água, o som se propaga a 1.400 m/s; no alumínio, a 6.300 m/s. Essa velocidade depende também da temperatura em que o meio se encontra.

Há sons que não são ondas periódicas, como o que é produzido quando batemos palmas. Nesse caso, a onda é do tipo pulso, que se propaga em todas as direções, empurrando as moléculas do ar. Algo semelhante acontece quando, em uma sala fechada, abrimos uma porta repentinamente, fazendo com que o deslocamento de ar feche uma outra do lado oposto.
Como todos os nossos sentidos são limitados, podemos perceber apenas parte do mundo ao nosso redor. No caso da audição, só captamos sons que estão na faixa de 20 a 20.000 Hz. Outros animais são capazes de perceber sons fora dessa faixa. Elefantes, por exemplo, podem se comunicar entre si por meio de ondas infrassonoras a distâncias de até 2 km. Como essas ondas são de baixa frequência, acabam tendo grande comprimento de onda.
Por outro lado, cachorros podem captar sons na faixa de 50.000 Hz, e morcegos os percebem na faixa de 120.000 Hz. Estes últimos emitem gritos pela boca e pelas narinas nessas altas frequências. Quando os pulsos atingem um objeto, são refletidos em forma de eco e captados pelos ouvidos do animal. Com esse sonar (semelhante aos utilizados em submarinos), o morcego consegue identificar, durante o voo, a natureza do ambiente que o circunda, bem como a forma e a dimensão do objeto.

Ultrassonografia e radiofrequência

Outra aplicação do ultrassom é na geração de imagens. Da mesma forma que os morcegos, a técnica de ultrassonografia aproveita a reflexão do som produzida pelas estruturas e órgãos do corpo. Os ecos captados são transformados em imagens por meio de computação gráfica.
Os aparelhos de ultrassom utilizam frequências variadas, de 2 até 14 MHz (milhões de hertz). Quanto maior a frequência, melhor a qualidade e precisão das imagens das estruturas superficiais obtidas. Conforme a densidade dos tecidos e sua composição, as ondas ultrassônicas vão refletir de modo diferente, sofrendo atenuações. Isso se manifesta na imagem com diferentes tons de cinza observados.
Assim como as ondas sonoras podem se transformar em imagens, que são emissões de luz (ondas eletromagnéticas), o contrário também pode ocorrer. Um rádio, por exemplo, capta ondas eletromagnéticas emitidas pela estação em dada frequência e as transforma em ondas sonoras, que podemos ouvir.
A frequência da onda de rádio nada tem a ver com a frequência dos sons produzidos. Basta lembrar que uma estação de rádio transmite em uma frequência fixa (normalmente na faixa de MHz) e podemos ouvir diferentes sons. A onda de rádio transmite informações, que atualmente podem ser transmitidas também na forma digital.

Oscilações nas ondas de plasma

Em filmes de ficção científica são comuns explosões no espaço. Embora tais sons deem um efeito dramático importante para muitos filmes, eles são impossíveis de acontecer. No espaço não há meio para a manifestação de ondas sonoras, pois há um vácuo muito alto, ou seja, com poucas partículas para permitir a propagação do som. A luz se propaga no espaço por ter uma natureza muito distinta da do som. É uma onda eletromagnética que não necessita de um meio para se manifestar.
Recentemente foi divulgada a notícia de que a sonda Voyager 1, lançada pela agência espacial norte-americana (Nasa) em setembro de 1977 com o objetivo de obter imagens dos planetas Júpiter e Saturno, teria alcançado o espaço interestelar. O anúncio foi feito com base nos ‘sons’ captados pela sonda nesse meio.
Nesse caso, o que a espaçonave captou foram oscilações nas ondas de plasma do espaço interestelar, na região denominada heliosfera. O plasma é o quarto estado da matéria e se manifesta, por exemplo, quando temos um gás ionizado (que perdeu parte de seus elétrons). A Voyager 1 detectou variações nessas partículas que se propagaram como ondas sonoras.

Os sons – ruídos, vozes, assobios, cantos, músicas, entre tantos outros – são diferentes formas de interação com o mundo. O barulho da chuva nos indica que a terra está sendo molhada; o som de uma risada, que alguém está feliz. Os ruídos das oscilações de plasma no espaço indicaram que uma espaçonave começava a alcançar as estrelas. Os sons nos informam sobre muitas coisas.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

terça-feira, 1 de outubro de 2013

Seeheim Conference on Magnetismo - SCM 2013 - Multiferróicos

Estou participando da SCM 2013 em Frankfurt.
Essa é uma conferência pequena, não tem mais do que 100 pessoas, por isso se torna interessante.
É possível encontrar as pessoas e ver os todos os trabalhos apresentados, que estão de excelente nível.
O trabalho que eu apresentei aqui é sobre um modelo para a magnetoestricção para materiais multiferróicos, desenvolvido pelo meu aluno de doutorado Alexandre J Gualdi.

Materiais multiferróicos são materiais que apresentam ao mesmo tempo duas ordens ferróicas, por exemplo ferromagnetismo (a propriedade dos materiais magnéticos gerarem um campo magnético) e ferroeletricidade (materiais que apresentam polarização espontânea, gerando um campo elétrico). Dessa maneira, é possível controlar a magnetização do material via campo elétrico ou o surgimento de corrente elétrica por campo magnético.

Um  material que apresente esses dois fenômenos ao mesmo tempo leva a possibilidade de importantes aplicações tecnológicas. Por exemplo, materiais ferromagnéticos e ferroelétricos  são utilizados para gravação de informações. Um material que apresente as duas propriedades amplia a possibilidade dessa aplicação.

No caso do compósito multiferróico esse efeito surge de uma maneira extrínseca. O nosso material é composto de pequenas partículas de ferrita (material com comportamento ferromagnético) embebidas em uma matriz ferroelétrica.

As ferritas são materiais que alteram a sua forma quando um campo magnético é aplicado. Esse efeito é chamado de magnetoestricção. Em nosso caso, ao mudar as suas dimensões a ferrita aplica uma pressão no material ferroelétrico e esta gera uma fenômeno chamado de piezoeletricidade, ou seja, aparece uma corrente elétrica  no material devido a pressão mecânica exercida pela ferrita.



O trabalho apresentado aqui na Alemanha foi recentemente publicado no Journal Applied Physics 114 (2013) 053913 (leitura recomendado apenas para os iniciados) no qual foi elaborado um modelo para relacionar a magnetização das amostras com a magnetoestricção. Foi mostrado que como a ferrita está envolvida pelo material ferroelétrico, quando ela muda de forma aparece uma pressão extra devido ao envoltório ferroelétrico. Esse efeito se torna mais importante quando se diminui a temperatura, pois os materiais tem contração térmica diferentes.

Na conferência foram apresentados até agora vários trabalhos sobre materiais multiferróicos, mas ainda a maioria não percebeu a importância de levar em conta o efeito que relatamos em nosso trabalho. Por outro lado, vários trabalhos me deram  ideias interessantes. É assim que funciona a ciência. Contamos o que fazemos e aprendemos também com os outros.

segunda-feira, 30 de setembro de 2013

O essencial é invisível aos olhos

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 20/09/2013


Eis o meu segredo. Ele é muito simples:
somente vemos bem com o coração.
O essencial é invisível aos olhos.
A citação, extraída do livro O pequeno príncipe, de Antoine de Saint-Exupéry (1900-1944), refere-se ao diálogo entre o príncipe e a raposa sobre como se tornam especiais aqueles que se cativam. O príncipe não sabia o sentido de ‘cativar’. Ele então descobre que um dos significados para o termo é ‘criar laços’, ‘fazer ligações’, ‘envolver as pessoas’. A raposa lembra que, quando cativamos alguém, esse alguém se torna diferente para nós e será sempre especial. No final da conversa, surge outra frase famosa: “Tu te tornas eternamente responsável por aquilo que cativas.”
Da mesma forma, quando conhecemos bem a ciência, em particular a física, podemos compreender toda a sua beleza e nos tornamos cativados por elas.
Todos já olhamos a Lua e ficamos admirados com sua beleza. Há mais de 400 anos, o grande astrônomo e matemático italiano Galileu Galilei (1564-1642), utilizando uma pequena luneta, com aumento de aproximadamente 30 vezes, conseguiu ver além. As manchas e crateras que observou na superfície lunar o instigaram a promover uma revolução fundamental na ciência. Ele percebeu que, ao contrário do que se acreditava na época, os objetos celestes também eram irregulares, e não perfeitos.
Os brilhantes planetas Júpiter e Vênus, observados desde tempos remotos, aos olhos de Galileu se mostraram muito mais que pontos brilhantes no céu. Júpiter se revelou um mundo que também possuía outros mundos ao seu redor: as luas Io, Europa, Ganimedes e Calisto. Vênus, por sua vez, revelou que também podia apresentar fases, semelhantes às da Lua.
Essas descobertas, além de tantas outras, possibilitadas por sua luneta, abriram caminho para a consolidação de uma das maiores revoluções do pensamento humano: a revolução copernicana, empreendida pelo astrônomo e matemático polonês Nicolau Copérnico (1473-1543).
Mas, antes de discutir umas das maiores mudanças da história da humanidade, vamos entender como vemos os movimentos dos planetas.

A marcha dos astros

O movimento dos planetas se dá, normalmente, de oeste para leste (o que não deve ser confundindo com o movimento diurno, sempre de leste para oeste). Em certas épocas, contudo, aquele movimento passa a ser de leste para oeste (movimento retrógrado), o que pode durar vários meses, dependendo do planeta, que fica mais lento até retomar sua direção normal.
Em geral, os planetas se movem de oeste para leste. Mas às vezes esse movimento se dá de leste para oeste (movimento retrógrado). O esquema mostra que a Terra (em azul), ao passar por um planeta mais externo em relação ao Sol, como Marte (em vermelho), faz com que este, temporariamente, pareça reverter seu movimento no céu. (imagem: Brian Brondel)

Até a época de Copérnico, o modelo aceito era o geocêntrico – consolidado pelo astrônomo grego Cláudio Ptolomeu (90 d.C.-168 d.C.) –, que vigorou por mais de um milênio.
Todos temos a sensação de que a Terra está firme e parada, enquanto o Sol, a Lua, os planetas e as estrelas se movem no céu. Vemos o Sol nascer no horizonte, cruzar todo o céu e depois se pôr do lado oposto. Dia após dia vemos a Lua e os planetas caminharem entre as estrelas, e estas, todas juntas, se moverem ao nosso redor. Parece que de fato estamos no centro do universo e que tudo gira em torno de nós.
Ptolomeu explicou o movimento dos planetas por meio de uma combinação de círculos: o planeta movimenta-se ao longo de uma circunferência, chamada epiciclo, cujo centro se move em uma circunferência chamada deferente. A Terra fica em uma posição próxima ao centro do deferente. Como os planetas não se movem de modo uniforme no céu, Ptolomeu introduziu ainda o ponto denominado equante, que também fica ao lado do centro do deferente, mas em posição oposta à da Terra. O centro do epiciclo se move a uma velocidade uniforme em relação ao equante.

O movimento dos planetas foi explicado por Ptolomeu por meio de uma combinação de círculos. O astrônomo consolidou o modelo segundo o qual a Terra ficava no centro do sistema planetário.

Copérnico gastou boa parte da sua vida estudando as observações astronômicas feitas desde a Antiguidade sobre os movimentos dos cinco planetas até então conhecidos: Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno. Ele propôs que, em vez dos complexos epiciclos, equantes etc., seria mais fácil compreender os movimentos dos planetas se considerássemos que o Sol – e não a Terra – estivesse no centro do sistema planetário.
As descobertas de Galileu sobre as luas de Júpiter e as fases de Vênus mostravam que o modelo geocêntrico então vigente não podia ser válido. O fato de haver outros planetas com satélites naturais mostrava que isso não era um privilégio da Terra. As fases de Vênus só podiam ser entendidas se esse planeta realizasse seu movimento ao redor do Sol e não da Terra.

Um olhar diferente

Uma mudança de ponto de vista como a ocorrida com Copérnico e Galileu abalou profundamente a forma como vemos o nosso mundo. Naquele momento, quando aquelas ideias foram apresentadas, de certo modo era o homem que estava sendo tirado do centro do universo e sendo colocado em uma posição coadjuvante.
Com o passar dos séculos e com as novas descobertas, verificou-se que o Sol é apenas uma entre as mais de 100 bilhões de estrelas de nossa galáxia e que esta também é apenas uma entre as centenas de bilhões de outras que existem. Atualmente sabemos da existência de mais de mil planetas fora do Sistema Solar.
Cientes de tudo isso, quando olhamos para o céu e vemos as estrelas e os planetas, devemos ter em mente que um simples olhar, mas com uma percepção diferente, pode nos fazer compreender o mundo de outra forma. A raposa estava certa ao dizer para o príncipe que realmente o essencial é invisível aos olhos.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física,
Universidade Federal de São Carlos




domingo, 18 de agosto de 2013

Cada vez mais rápido, sem espaço e tempo

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 16/08/2013

Vivemos em uma sociedade em que tudo tem que ser cada vez mais rápido. Temos muitos compromissos, trabalhamos demais, moramos muito longe de onde trabalhamos. Poucas horas para muitas atividades.
Tentamos viver em alta velocidade. Contudo, nas grandes cidades como São Paulo e Rio de Janeiro, isso se torna cada vez mais difícil. Devido a grandes distâncias e aos muitos veículos, nos horários de pico, carros construídos para atingir velocidade acima de 100 km/h andam apenas a 10 ou 20 km/h.
Meios de transporte alternativos, como o metrô, que pode se mover em linha reta a mais de 60 km/h, ainda não são suficientes para a demanda que existe. Nesse momento, no Brasil, se discute a construção de um trem de alta velocidade, que viaje a 300 km/h, para ligar Campinas e São Paulo ao Rio de Janeiro, como ocorre com os trens na Europa ou no Japão que ligam grandes cidades.
Para viajar rápido entre as duas maiores cidades do Brasil, somente temos a alternativa dos aviões, que, embora voem a cerca de 900 km/h, nos fazem perder muito tempo com os procedimentos de decolagem e descida, além do que se gasta para se deslocar até os aeroportos.

Movimento e velocidade

O movimento é algo presente de uma maneira intrínseca na natureza. Tudo se move no mundo. Não é à toa que a própria física, desde os seus primórdios, teve como problema central o movimento. Compreender como tudo se move ainda é um grande desafio para a ciência.
A definição de velocidade é a derivada do espaço com o tempo. O conceito de derivada está associado à variação. Quanto mais rápido algo varia, maior é a sua derivada. Por exemplo, quando dizemos que a taxa de inflação, que está associada ao aumento dos preços, está crescendo mais rapidamente significa que a derivada (a variação) dos preços está aumentando.
Quando um atleta como Usain Bolt, considerado atualmente o homem mais rápido do mundo, corre a prova dos 100 metros rasos em um tempo de 9,58 segundos (o atual recorde mundial), significa que a velocidade média dele foi 10,44 m/s ou 37,58 km/h. Contudo, quando observamos a prova, vemos que, no início, a velocidade do atleta é menor, e depois ela vai aumentando até cerca da metade para então diminuir um pouco no final. No caso de Usain Bolt, quando ele estabeleceu o recorde mundial (9,58 segundos), ele chegou a atingir 43,9 km/h no meio da prova.

Usian Bolt - O homem mais rápido do mundo que já alcançou a velocidade de 43,9 km/h

Quando ocorrem variações na velocidade, dizemos que o movimento é acelerado (se a velocidade aumenta) ou retardado (se a velocidade diminui). Se a velocidade for constante, dizemos que o movimento é uniforme. Dessa forma, para modificar a velocidade de um corpo, é necessário aplicar uma força sobre ele, seja para acelerar ou retardar o movimento.
Esses conceitos, que são simples, foram fundamentais para construir toda a física. O físico inglês Isaac Newton (1642-1727), de uma maneira revolucionária, estabeleceu três leis para explicar o movimento (Leia a coluna ‘Uma questão de ponto de vista’ para saber mais sobre cada uma das leis de Newton). Essas leis são alicerces fundamentais de todo o conhecimento físico que temos do mundo.

Massa

O fato de a velocidade de um corpo aumentar conforme a aplicação de uma força faz crer que, se aplicarmos essa força por um tempo muito longo, esse corpo poderá atingir qualquer velocidade. De fato, nas leis de Newton, não há restrição para qualquer limite de velocidades. Contudo, há um limite de velocidade na natureza, que diferentemente dos limites estabelecidas nas estradas, não podemos ultrapassar.
Em 1905, o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) apresentou a teoria da relatividade, que alterou de forma profunda esses conceitos associados a espaço, tempo e velocidade. Einstein propôs que as leis da física deveriam ser as mesmas para todos os observadores inerciais (observadores que estão em repouso ou movimento uniforme) e que a velocidade da luz deveria ser constante para todos esses observadores. Novamente, conceitos muito simples levaram a uma nova revolução no entendimento da natureza.
Ao introduzir esses dois conceitos, Einstein mostrou que o espaço e o tempo deixavam de ser absolutos (como parecia na física newtoniana) para se tornarem relativos aos observadores. Em situações na qual objetos se movem próximos à velocidade da luz, a exemplo das partículas atômicas produzidas em grandes aceleradores como o LHC (sigla em inglês para Grande Colisor de Hádrons), o tempo passa mais devagar e as distâncias que eles percorrem se tornam menores. Partículas que deveriam permanecer estáveis por poucos nanosegundos duram muito mais tempo (algumas centenas de vezes) quando estão nessas altas velocidades.
Uma outra consequência importante da teoria da relatividade é que a velocidade da luz no vácuo é o limite de velocidade no universo. Nenhum corpo com massa pode viajar mais rápido que a luz!

A velocidadade da luz no vácuo é a velocidade limite do universo

Mas como fica a máxima de que, quando um corpo sofre a ação de uma força, a sua velocidade aumenta? Quando uma força aumenta a velocidade de um corpo, aumenta a sua energia de movimento, chamada energia cinética. A teoria da relatividade mostra que, nesse caso, quanto mais próximo se está da velocidade da luz, mais a força aplicada aumenta, além da velocidade do corpo, a sua massa. O que deveria se transformar em energia de movimento se transforma em mais massa, a partir da famosa equação de Einstein E=mc2, na qual E é a energia, m, a massa e c, a velocidade da luz. Se fosse possível alcançar a velocidade da luz, a massa do corpo aumentaria tanto que seria infinita. Dessa forma, a velocidade da luz se transforma no limite de velocidade do universo.
Movimento, espaço e tempo são coisas comuns para todos nós. Por serem simples, elas também se tornam fundamentais para a compreensão da natureza. Infelizmente, a velocidade do mundo moderno talvez não nos deixe nem tempo e nem espaço para refletir sobre isso.
Mas, se você, leitor, chegou ao fim deste texto, talvez tenha mais motivação para pensar sobre essas coisas e perceba que tempo, espaço e movimento fazem realmente parte da sua vida.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

segunda-feira, 12 de agosto de 2013

Aniversário de Erwin Schrödinger no Google

Quem acessou hoje o site do Google, sem dúvida o mais acessado do mundo, deve ter visto essa interessante figura:



É uma homenagem ao 126o. aniversário do físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), um dos pais da Mecânica Quântica, propositor da famosa "Equação de Schrödinger", fundamental para a Mecânica Quântica, que permite calcular as  funções de ondas, entes matemáticos que descrevem as propriedades quânticas da matéria. A imagem, bem interessante aliás, mostra um "ket" , que é uma forma de representar a função de onda da equação de Schrödinger.
Os dois gatos que aparecem na imagem representa o famoso "Gato de Schrödinger", que foi um dos paradoxos da interpretação da Mecânica Quântica que o próprio Schrödinger apresentou.
Uma justa homenagem a quem, de alguma forma, permitiu ao compreender melhor o mundo quântico, pudéssemos ter muitas das maravilhas tecnológicas do nosso tempo, como os computadores!



domingo, 28 de julho de 2013

As relatividades quânticas

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 19/07/2013

A física é uma ciência que provoca ao mesmo tempo curiosidade, respeito, fascínio, mas também temor e desconfiança. Afinal, ela foi a ciência que originou as maiores revoluções científicas e tecnológicas do século 20. Isso ocorreu devido ao desenvolvimento das duas grandes teorias que formam os seus pilares: a teoria da relatividade e a mecânica quântica.
A teoria da relatividade começou a ser desenvolvida pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955) em 1905 na sua forma restrita, ou seja, em uma versão que se aplicava apenas a movimentos não acelerados. Essa teoria propôs mudanças radicais nos conceitos de espaço e tempo e postulou que a velocidade da luz no vácuo seria o limite para todas as velocidades.
Como consequência disso, Einstein também mostrou a medida da equivalência entre energia e massa, por meio da famosa equação E=mc2, segundo a qual uma pequena quantidade de massa pode se converter em uma enorme quantidade de energia. Esse processo ocorre, por exemplo, na fissão e fusão dos núcleos atômicos, que levam à geração da energia nuclear, usada na construção das poderosas armas nucleares, capazes de exterminar toda a vida do nosso planeta, entre outras aplicações.
Alguns anos depois, em 1915, Einstein generalizou a sua teoria para incluir os movimentos acelerados. Como consequência, ele desenvolveu uma nova teoria da gravitação. Na teoria da relatividade geral, a gravidade é expressa como uma ação da curvatura do espaço e do tempo devido à presença de massa. Einstein mostrou que a massa curva o espaço e o tempo e essa curvatura indica como a massa pode se mover.
A mecânica quântica trouxe profundas modificações na compreensão dos fenômenos atômicos. Essa teoria introduziu conceitos como a quantização da energia nos níveis eletrônicos, que significa que os elétrons podem ter apenas alguns valores discretos de energia, e o tunelamento quântico, segundo o qual elétrons podem superar barreiras de energia, mesmo sem ter energia suficiente para isso. Além disso, explicou por que a luz pode se comportar como uma onda eletromagnética em determinado experimento e, em outras situações, se apresentar como partículas de energia ou como emissão estimulada de luz (laser).
Talvez o conceito mais revolucionário que a mecânica quântica nos trouxe seja o princípio da incerteza, proposto pelo físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976), que mostrou ser impossível medir simultaneamente com absoluta precisão grandezas físicas como posição e momento linear (a massa do corpo multiplicada por sua velocidade) ou energia e tempo.
Mas essas duas teorias, fundamentais para a física atual, ainda não realizam uma descrição completa da natureza. Há ainda situações nas quais ambas falham, o que indica que ainda deverá existir uma teoria capaz de explicar a natureza como um todo.
A falha ocorre justamente em situações extremas, que envolvem pequenas dimensões (reino da mecânica quântica) e intensos campos gravitacionais (reino da teoria da relatividade geral). Situações como essas provavelmente ocorreram no evento que deu origem ao universo, o Big Bang, ou no interior de estrelas muito maciças que sofreram colapso final de sua vida, criando um buraco negro.

A física e o misticismo

Embora essas teorias tenham sido testadas em inúmeras situações e proporcionado tantos avanços e descobertas, elas despertam também algumas reações que poderiam ser classificadas como curiosas. Costumo receber e-mails de pessoas que acreditam ter descoberto que as ideias de Einstein estavam erradas e de outras que usam a mecânica quântica para explicar fenômenos paranormais ou descrever situações místicas ou mágicas.
Talvez as pessoas sejam levadas a ter uma compreensão equivocada dessas duas importantes teorias porque ambas modificaram muitos conceitos e suas propostas se mostram contraditórias ao senso comum.
Em relação aos conceitos quânticos, como eles podem soar às vezes fantasmagóricos ou mágicos, tornam-se a justificativa ‘científica’ para fenômenos estranhos ou geram explicações absurdas para as mais variadas situações. Esse é o caso do termo ‘cura quântica’, que aparece com muita frequência na internet e segundo o qual muitas doenças podem ser curadas e pessoas transformadas a partir do emprego de ‘conhecimentos quânticos’, tema que foi muito badalado no filme Quem somos nós (leia a coluna de abril de 2010).
Quanto à teoria da relatividade, como ela é praticamente obra de uma única pessoa, o que transformou seu criador, Einstein, no cientista mais popular do século 20 (e talvez de toda a história), isso pode estimular algumas pessoas a imaginar que, ao provarem que a relatividade está errada, estariam derrubando um mito.
De fato, essa possibilidade foi muito comentada em setembro de 2011, quando cientistas do experimento italiano Opera divulgaram um resultado que contradizia a teoria da relatividade de Einstein: neutrinos, partículas elementares sem carga elétrica e praticamente sem massa, teriam viajado mais rápido que a luz. Mas, meses depois, os cientistas descobriram que um cabo mal conectado interferiu nos resultados, que foram invalidados por novos experimentos. Einstein ainda estava correto (leia a coluna de outubro de 2011).
É interessante notar que normalmente as propostas apresentadas por ‘físicos amadores’ – que não é o caso dos que trabalhavam no experimento Opera – para derrubar as ideias de Einstein não consideram que a teoria funciona muito bem e sempre obteve sucesso no julgamento mais importante: o teste experimental.
É claro que a teoria da relatividade e a mecânica quântica ainda poderão ser superadas como teorias, se surgir uma que de fato possa uni-las, algo que muitos físicos buscam atualmente. O próprio Einstein gastou boa parte da sua vida científica nessa tarefa, mas não conseguiu.
Por outro lado, essas teorias ainda são muito sólidas e as suas previsões continuam funcionando. Sem contar que grande parte da nossa economia, que envolve alta tecnologia, usa com muito sucesso os seus resultados. Basta imaginar que toda a indústria eletrônica é fruto das aplicações da mecânica quântica e que os dispositivos eletrônicos, como computadores e lasers, são utilizados em quase tudo em nossas vidas. Além disso, o GPS (sigla em inglês para sistema de posicionamento global) somente funciona com precisão por causa da utilização da teoria da relatividade geral, que impede que os erros de localização do aparelho sejam superiores a 10 metros.
Portanto, essas teorias não apenas transformaram a nossa forma de ver o mundo, mas também ajudaram a gerar muito do progresso que temos atualmente.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

quinta-feira, 4 de julho de 2013

Novos problemas, novos materiais

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 28/06/2013

Há dezenas de milhares de anos a humanidade começou a transformar o mundo ao seu redor quando conseguiu usar a seu favor os materiais encontrados na natureza. Utilizavam-se pedaços de ossos, madeira e pedras lascadas para construir os primeiros instrumentos rudimentares. Nascia, assim, a tecnologia para ajudar a solucionar as dificuldades.
Com a descoberta de como produzir e controlar o fogo, foi possível utilizá-lo para cozinhar os alimentos e ter uma fonte de calor e luz nas noites frias e escuras. Alguns milênios depois, o fogo começou a ser usado para fundir metais e, há 5 mil anos, iniciou-se a Idade do Bronze, marcada pelo domínio da tecnologia para fazer essa liga metálica, formada por cobre e estanho. Posteriormente, o homem dominou a fusão do ferro, elemento muito abundante na crosta terrestre.
A utilização dos metais revolucionou a humanidade, pois permitiu desde a construção de arados metálicos, mais eficientes para preparar a terra para o plantio, até o desenvolvimento de armas mais fortes e letais, como espadas e lanças.
Alguns metais, devido ao seu brilho e pureza, se tornaram muito valiosos, como é o caso do ouro e da prata. Na Idade Média, os alquimistas tentavam transformar metais como o chumbo em ouro. Eles acreditavam que o chumbo (devido à sua cor cinza escura) era um metal ‘mais sujo’ e, se fosse ‘limpado’, poderia se transformar no valioso metal dourado.
Até hoje o ouro é muito valioso e se tornou um parâmetro importante da economia. Também é utilizado para aplicações mais especiais, como em circuitos eletrônicos e até coroas dentárias, dada a sua pouca reatividade química.
Os metais na natureza quase sempre são encontrados na forma de minérios, que precisam ser processados para se obter o material desejado. O alumínio, por exemplo, muito usado na fabricação de utensílios, peças mecânicas etc., é extraído da bauxita.

Das ligas metálicas aos polímeros sintéticos

A criação de novos materiais que possam atender as nossas necessidades, tanto do ponto de vista do desenvolvimento de novas tecnologias, como também para substituir outros na tentativa de baratear e melhorar as suas aplicações, é uma busca constante.
Durante muito tempo, os novos materiais que surgiram da combinação dos elementos encontrados na natureza quase sempre eram descobertos empiricamente, por exemplo, fundindo-se metais diferentes em várias proporções, para formar ligas mais leves, mais resistentes, mais maleáveis etc.
Com o aumento da compreensão das propriedades fundamentais da matéria, principalmente através da física e química, foi possível sintetizar novos materiais e encontrar novas propriedades.
A física, com o advento da mecânica quântica, levou a uma melhor compreensão das interações entre os átomos e, como consequência, ao entendimento de como surgem as propriedades elásticas, elétricas e magnéticas dos materiais. A química, por outro lado, ao criar modelos para entender as interações entre átomos e moléculas, ajuda a compreender como ocorrem as reações químicas que geram os materiais.
Entre os materiais mais utilizados no mundo estão os plásticos, devido à sua grande versatilidade. Eles são materiais orgânicos constituídos por grandes cadeias de polímeros – macromoléculas compostas por estruturas menores (monômeros). Por serem facilmente moldados, leves e resistentes, os plásticos são usados em muitos objetos ao nosso redor.
Um polímero que tem grande aplicação é o politetrafluoretileno, conhecido comercialmente como teflon e utilizado como revestimento antiaderente. O fato de ele praticamente não reagir com outras substâncias químicas faz com que tenha baixa toxicidade e possa ser usado também em próteses, por exemplo.

Polímeros Condutores

O avião invisível ao radar é recoberto com polímeros condutores que servem
como blindagem eletromagnética, dificultado a sua detecção por radares
Há uma categoria específica de plásticos denominada polímeros condutores, que apresentam as propriedades mecânicas desses materiais, mas, ao mesmo tempo, podem ter propriedades elétricas semelhantes às dos metais. Por isso, quando foram descobertos, foram chamados também de ‘metais sintéticos’.
Uma propriedade interessante é que, quando uma corrente elétrica flui em certos tipos de polímeros condutores, eles emitem luz. Esses materiais hoje estão presentes em vários equipamentos eletrônicos, como telas de celulares e alguns televisores de alta definição. Os aparelhos celulares atualmente são leves porque a parte eletrônica é ‘blindada’ por polímeros condutores, que fazem o papel anteriormente feito pelos pesados invólucros metálicos.

Propriedades revolucionárias

Dentre as propriedades de materiais construídos artificialmente, destacam-se as magnéticas. A principal aplicação dessas propriedades é a gravação magnética. Praticamente todas as informações que existem estão estocadas magneticamente nos milhões de computadores e nos grandes servidores de internet. Por exemplo, o dinheiro que temos em nossa conta corrente não existe fisicamente; ele é apenas uma informação armazenada em um computador de banco.
Para armazenar e processar informações, o computador utiliza o chamado padrão binário, expresso pelos números 0 e 1 (que representa um bit de informação). Qualquer arquivo gravado, seja ele um software, um vídeo, uma foto, uma música etc., é representado por uma combinação de milhões ou bilhões bits.
Disco rígido que utiliza o fenômeno da magnetorresistência gigante
para gravar informações

O magnetismo nos materiais se caracteriza por ser dipolar, ou seja, tem sempre dois polos magnéticos – norte e sul. Dessa maneira, a gravação magnética nos discos rígidos de computadores se dá por meio da magnetização de uma pequena região, da ordem de alguns nanômetros, orientando-a na ‘direção norte’ ou ‘direção sul’. A direção norte pode representar o número 1 e a direção sul pode representar o ‘0’.
Um dos grandes desafios tecnológicos do momento em relação aos materiais magnéticos é o desenvolvimento de compostos alternativos para a obtenção de ímãs de alta magnetização. Os ímãs feitos de ligas de terras-raras neódimo-ferro-boro ou samário-cobalto-boro, por exemplo, apresentam altos valores de magnetização e seu uso é fundamental em sensores ou dispositivos ativos, como chaves magnéticas e geradores elétricos.
Esse tipo de ímã também é fundamental para viabilizar o uso de carros elétricos. Além de superar o desafio de ter baterias com alta capacidade para armazenar eletricidade, esses carros dependerão de ímãs de alta magnetização para acionar seus inúmeros dispositivos.
Contudo, as maiores reservas desses metais raros estão na China e o preço deles vem aumentado nos últimos anos, o que dificulta o seu uso. Surge, então, o desafio de encontrar uma alternativa a esses materiais – que ainda não foi completamente desenvolvida.
Esses são apenas alguns exemplos dos diversos materiais que o homem criou ao longo de toda a sua história. Novas tecnologias sempre necessitam de novos materiais com novas propriedades e a capacidade de encontrar soluções para esses problemas é o que impulsiona o desenvolvimento científico e tecnológico. Certamente ainda inventaremos muitos novos materiais para aplicações que sequer sonhamos.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos