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