domingo, 28 de dezembro de 2014

Movimento e repouso

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 19 de dezembro de 2014


No dia a dia, nos deslocamos de casa para o trabalho, para a escola, para o supermercado, entre outros locais (e vice-versa). Isso é feito por meio de transporte coletivo, como ônibus e metrô, ou por meios individuais, como automóvel, bicicleta ou mesmo a pé. Nas grandes cidades, está cada vez mais difícil se deslocar devido aos grandes engarrafamentos. Há muito mais veículos que espaço nas ruas e avenidas. Ficamos mais tempo parados do que em movimento.
No ‘anda-e-para’ do trânsito pesado das grandes cidades, algumas vezes já tivemos a seguinte sensação: nosso veículo está parado, mas o que está ao lado começa a se movimentar, dando a sensação de que nos deslocamos para trás. Quem já esteve em uma grande rodoviária com os ônibus emparelhados também já percebeu isso mais nitidamente. O ônibus ao lado começa a se afastar, mas sentimos que é o nosso que está andando para frente.

Os grandes congestionamentos
Com o olhar um pouco mais atento, quando estamos em uma rodovia reta e plana a uma velocidade constante, a 100 km/h, por exemplo, praticamente não sentimos o movimento do carro. Ao olhar para fora, temos a impressão de que árvores, prédios e demais objetos que estão à margem da rodovia se deslocam no sentido contrário ao do nosso movimento.
Essas observações podem até parecer ingênuas. Afinal, temos certeza de que são os automóveis que se movimentam e não as árvores. Mas, de fato, do ponto de vista estrito da observação, é impossível distinguir quem de fato está em movimento uniforme (em velocidade constante) de quem está em repouso.
Outro fato mais presente e imperceptível para nós são os movimentos da Terra. A cada 23 horas e 56 minutos, a Terra completa uma rotação. Como ela tem cerca de 40 mil km de circunferência no Equador, isso significa que estamos nos movimentando a cerca de 1.700 km/h, ou seja, 40% mais rápido que a velocidade do som.
No caso do movimento de translação ao redor do Sol, que leva 365 dias, a velocidade é ainda mais impressionante: 107 mil km/h, quase 90 vezes a velocidade do som. Não sentimos essas velocidades impressionantes. Para nós a Terra está firme e imóvel. 


Princípio da inércia

Por tais motivos, o homem levou muitos séculos para compreender de fato o movimento. Os antigos filósofos gregos, como Aristóteles (384 a.C-322 a.C), imaginavam que só poderia haver movimento enquanto o objeto estivesse sob a ação de uma força. Para ele, o movimento é uma mudança de lugar e exige sempre uma causa. Sem a ação dessa causa, o movimento cessaria.
A resposta para essa questão talvez tenha levado à maior unificação que ocorreu em toda a ciência: a unificação do movimento com o repouso. A proposição dessa unificação foi feita por Galileu Galilei (1564-1642) e codificada por Isaac Newton (1642-1727) na sua primeira lei do movimento, o princípio da inércia, que pode ser enunciado da seguinte maneira: “Um corpo em repouso ou em movimento uniforme permanece no estado de repouso ou de movimento uniforme a menos que seja perturbado por forças.”
Por movimento uniforme, Newton queria dizer movimento em velocidade constante ao longo de certa direção. Estar em repouso seria apenas um caso especial de um movimento uniforme – é apenas movimento à velocidade zero.
Como é possível diferenciar movimento e repouso? A chave para a resposta a essa pergunta está em perceber que o estado de repouso ou de movimento de um corpo não tem qualquer significado absoluto.
O movimento é apenas definido em relação a um observador, que pode estar em movimento ou não. Se estivermos parados em uma via da rua e outro veículo nos ultrapassar a uma velocidade constante, o volante do nosso carro estará parado para nós, mas para o outro motorista está em movimento em relação a ele.
Existe algum observador que pode saber se está parado ou não? Para Aristóteles, sim; para Galileu e Newton, não. Se a Terra está em movimento e não percebemos, então os observadores em movimento constante não sentem qualquer efeito de seu movimento.
Assim, não podemos dizer se estamos em repouso ou não, e o movimento deve ser considerado puramente relativo. Portanto, quando nos referimos a movimento, devemos sempre esclarecer em relação a que o estamos fazendo. Uma pessoa no interior de um automóvel se move em relação à estrada, mas está em repouso em relação ao banco no qual está sentada.
Há uma ressalva importante a fazer quando nos referimos ao movimento da Terra. A ideia de movimento uniforme e repouso se refere a movimento ao longo de uma linha reta. A Terra, naturalmente, não se move em linha reta, mas os desvios são muito pequenos para ser sentidos diretamente. Se alterarmos o valor da velocidade ou a direção do movimento, podemos senti-lo. Às alterações da velocidade chamamos de aceleração, e essa grandeza pode ter um significado absoluto.


Rotação da Terra

Princípio da relatividade

Quando afirmamos que é a Terra que se move ao redor do Sol e não o contrário, é porque esse movimento só ocorre devido à ação da força da gravidade e, portanto, é acelerado. O movimento elíptico (mas praticamente circular) que a Terra descreve ao redor do Sol acontece em relação ao chamado centro de massa do sistema Sol-Terra. Como a massa do Sol é muito maior que a da Terra (333 mil vezes maior), o centro de massa fica no interior do Sol.
As percepções de Galileu e Newton foram um extraordinário triunfo intelectual. Para os outros, era evidente que o movimento e o repouso eram fenômenos completamente diferentes e facilmente distinguíveis, mas o princípio da inércia os unifica.
Para explicar a aparente diferença entre movimento e repouso, Galileu criou o ‘princípio da relatividade’. Nesse princípio, a distinção entre estar em movimento ou estar em repouso só faz sentido em relação a um observador, uma vez que diferentes observadores se movem de forma diferente; cada um deles distingue de modo diferente os objetos que se movem e os que estão em repouso.
Assim, o fato de cada observador fazer uma distinção se mantém, como deve ser. E o movimento ou o repouso de um corpo deixa, portanto, de ser um fenômeno que exija explicação. Aristóteles afirmava que, se um corpo se move, é porque existe uma força que atua sobre ele. Para Newton, se o movimento for uniforme, este continuará para sempre, não sendo necessária nenhuma força para explicar o fenômeno.
Os movimentos, tão simples e tão presentes em nosso cotidiano, trazem em si conceitos que são fundamentais para o entendimento da natureza. O princípio da relatividade de Galileu foi generalizado por Albert Einstein (1879-1955) na Teoria da Relatividade, que levou a mudanças fundamentais na compreensão da natureza do espaço e do tempo e, como consequência, na própria forma de entender o universo. Mas esse é tema para uma outra coluna.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

domingo, 21 de dezembro de 2014

Dez anos do "Por dentro da Ciência"





Exatamente em 21 de dezembro de 2004 em uma época de férias é que tive a iniciativa em  criar esse blog. Era algum ainda novo no Brasil, principalmente na área de divulgação científica que ainda estava engatinhando. A intenção foi de dar mais visibilidade aos textos de divulgação científica que publicava naquela época no site do AOL-Educação, que infelizmente fechou no Brasil em 2006. Depois disso publico hoje no site da Ciência Hoje on-line a coluna "Física sem mistério" que já completou mais de 100 textos. No blog já foram feitos 275 posts em 10 anos

Curiosamente, alguns dos textos mais acessados são os posts diretamente feitos aqui no blog. A postagem campeã é "O Sol não nasce no leste!" com mais de 84.000 visualizações e dezenas de comentários. Em segundo lugar vem "O sonho de Ícaro" com mais de 26.000 visualizações e em terceiro "Einstein ainda está correto: neutrinos não viajaram mais rápido que a luz" com cerca de 15.000 visualizações.

O texto "O Sol não nasce no leste!" chamo a atenção para uma questão que está há muito tempo enraizado em nosso cotidiano. A noção que os pontos cardeais são determinados pelo nascimento e pôr do Sol. Nesse texto abordo exatamente essa questão desmistificando-a e muitos comentários postados são de espanto sobre esse aspecto tão presente no nosso cotidiano, mas que infelizmente ainda é ensinado de maneira errônea.



"O sonho de Ícaro"  é um texto publicado em agosto de 2005 no qual discuto a questão do desejo da humanidade voar, lembrando da lenda grega sobre Ícaro e Dédalos. 



O texto "Einstein ainda está correto" fala sobre a verificação do erro na divulgação da observação de neutrinos mais rápido que a luz. A Teoria da Relatividade de Einstein ainda está correta.




Os dois textos que tiveram mais comentários e discussões foram  "Superpoderes humanos" (15.000 visualizações) e "Quem é doutor?" (8700 visualizações). O primeiro discuto a possibilidade física dos poderes dos super-heróis, que infelizmente, quase sempre violam as leis da Física. Muitos dos comentários são de aficcionados por esse tema são quase sempre discordando do meu ponto de vista. 



O texto "Quem é doutor?" também gerou muita polêmica entre os prós e contras de chamarem  de doutores advogados sem ter doutorado. Muitas teses e leis foram postados nos comentários, mas de fato a conclusão é que somente é doutor aquele que defendeu uma tese de doutorado.

Gostaria de agradecer a todos os visitantes do blog, tanto aqueles que apenas dão uma olhada rápida mas principalmente aqueles que resolveram colocar perguntas e questionar as minhas postagens. Embora nos últimos tempos tenho publicado pouco, devido as atribuições profissionais, mas recebo em média mais de  5.000 visitas por mês, totalizando nesses 10 anos  383.000 acessos e mais de 850 comentários.


segunda-feira, 8 de dezembro de 2014

Jornada Fantástica

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 21/11/2014


No final do século 15, navegadores europeus se aventuravam pelo Atlântico à procura de um novo caminho para o oriente. Essa empreitada possibilitaria grandes oportunidades de negócios e desenvolvimento econômico.
Além de encontrar nova rota marítima, descobriram também um ‘Novo Mundo’, com habitantes e hábitos diferentes dos que conheciam e com muito mais riquezas do que as que pretendiam trazer da Índia e China. O continente americano foi colonizado e se tornou um novo lar para muitos, inclusive para nós brasileiros, que em sua grande maioria tem origem em outras partes do mundo.


As viagens pela Terra há cinco séculos foram uma grande ousadia. No século 20, vencemos o desafio de deixar o planeta e alcançar o espaço, chegando à Lua, que está a aproximadamente 380 mil quilômetros de nós. Mas, considerando-se o Sistema Solar, essa viagem não passou de um mero passeio pelo nosso quintal. Isso foi há quase 50 anos e, depois, o homem não esteve mais lá pessoalmente.
Enviamos sondas espaciais para todos os planetas do Sistema Solar, asteroides e até cometas, como é o caso da sonda Rosetta, que permitiu que o módulo Philae fizesse um pouso inédito na superfície do cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Ainda no século 21, talvez nos próximos 20 ou 30 anos, esperamos pisar em Marte. Já a visita a outros planetas do Sistema Solar é algo que ainda está mais distante.


Mas imaginar viagens a planetas que estão ao redor de outras estrelas, mesmo aquelas que estão a dezenas de anos-luz de nós, esbarra em obstáculos tecnológicos praticamente intransponíveis. Imagine então viajar para outras galáxias, que estão a milhões de anos-luz da Terra. Será eternamente impossível essa viagem?
Ela ainda é tecnologicamente inviável, mas talvez seja fisicamente possível. É essa a temática do filme Interestellar, do diretor Christopher Nolan, lançado recentemente. No filme, a humanidade, em um futuro não muito distante, vive uma época na qual as condições da Terra estão seriamente comprometidas. Surge então a oportunidade de se fazer uma viagem para outra galáxia em busca de um planeta habitável para garantir a sobrevivência de nossa espécie.
Para realizar essa jornada fantástica, os astronautas atravessam um estranho objeto chamado ‘buraco de minhoca’ (wormhole, em inglês). Essa entidade pode existir, como prevê a teoria da relatividade geral, de Albert Einstein, desenvolvida para explicar a força que domina o universo em grande escala: a gravidade. 


Atalho no espaço-tempo

O termo buraco de minhoca foi criado pelo físico norte-americano John Wheeler (1911-2008) para designar um ‘atalho’ através do espaço e do tempo. Um buraco de minhoca possui pelo menos duas ‘bocas’ conectadas a uma única ‘garganta’ ou ‘tubo’, que hipoteticamente permitiria que a matéria atravessasse esse ‘tubo’ e viajasse de uma ‘boca’ à outra.
O nome dado a essas estruturas vem da analogia com um verme que está na casca de uma fruta e pode pegar um atalho para o lado oposto da fruta por um caminho através do miolo, em vez de mover-se pela superfície. Da mesma forma, um viajante que atravessasse um buraco de minhoca pegaria um atalho para o lado oposto do universo por um túnel.
A teoria da relatividade geral descreve os efeitos da força da gravidade. A ideia básica dessa complexa teoria é que a presença de matéria ‘distorce’ o espaço e o tempo ao seu redor. Imagine que o espaço seja uma toalha esticada, apoiada pelas pontas. Ela fica esticada e plana se nada for colocado sobre ela. Mas um objeto com massa posto sobre ela afundará e curvará a lona. Qualquer objeto lançado sobre essa lona tenderá a ser atraído na direção da curvatura. Quanto maior a massa do objeto, maior a curvatura do espaço.
Ainda nesse contexto, Einstein mostrou que o espaço e o tempo estão interligados, formando um continuum espaço-tempo de quatro dimensões. Os buracos de minhoca ‘furam’ esse espaço quadrimensional, permitindo que grandes distâncias sejam interconectadas e que o próprio tempo passe de maneira diferente. Para compreender essa ideia, vamos novamente lançar mão de uma analogia, que, embora não seja precisa, ajuda a entender esse efeito.
Imagine uma folha de papel com dois pontos desenhados em suas extremidades. A distância que separa esses pontos é o tamanho da folha de papel. Mas, se dobrarmos a folha de forma que os dois pontos se toquem, a distância fica praticamente nula. Podemos visualizar isso facilmente na folha, pois é como se ela fosse um objeto bidimensional. No caso do buraco de minhoca, não apenas o espaço tridimensional é dobrado, mas também o próprio tempo.


Quanto mais intenso é o campo gravitacional, mais devagar o tempo passa. Esse efeito pode ser verificado aqui mesmo em nosso planeta. Os relógios atômicos dos satélites que formam a rede de GPS têm que ser corrigidos em função da distância que estão da Terra ao longo de suas órbitas, pois quando estão mais próximos da superfície a gravidade atrasa os relógios na ordem de 1 nanossegundo (1 bilionésimo de segundo).

Ficção e realidade

Em algumas passagens do filme Interestellar podemos ver vários desses efeitos (cuidado com spoilers a partir deste ponto do texto!). Os astronautas, ao descer em um planeta que estava muito próximo de um buraco negro (estrela com densidade tão alta que sua gravidade é intensa o suficiente para que nem a luz possa escapar dela) e ficar aí por cerca de uma hora, quando voltam para a nave espacial já se passaram aproximadamente 23 anos.
Um dos pontos mais polêmicos do filme, a meu ver, é quando o astronauta Cooper cai dentro do buraco negro. O primeiro efeito que ocorreria nesse caso é que ele se despedaçaria devido à intensa gravidade do buraco negro. A diferença de forças entre os pés e a cabeça do astronauta seria tão grande, que o partiria em muitos pedaços.
Desde o início do filme há indícios de que o buraco de minhoca em nosso Sistema Solar, ao redor de Saturno, foi uma criação artificial, ou seja, de alguma civilização muito avançada. Ao entrar no buraco negro, o astronauta Cooper pode entender os fenômenos que começaram a acontecer no quarto de sua filha.
Nesse lugar, artificialmente criado, ele pode ver simultaneamente diversos instantes do tempo, pois, como espaço e tempo são indistinguíveis, o tempo é apenas mais uma dimensão, como quando, ao observar uma direção (norte-sul), podemos ver o passado e o futuro. O mais surpreendente de tudo é que a própria humanidade, em um futuro muito distante, criou a estrutura dentro do buraco negro para, de alguma forma, nosso herói salvar a humanidade no passado.
Eventos complexos abordados no filme são, na maioria das vezes, especulações, que podem até ser fisicamente possíveis, como o próprio filme coloca, mas ainda não sabemos se de fato são por não compreendermos os efeitos quânticos da gravidade. A teoria da relatividade geral é incompatível com a física quântica na forma que a conhecemos e é fundamental para descrever o que acontece no interior de objetos exóticos como os buracos negros. A salvação da humanidade, segundo o filme, dependeu exatamente disso.
Na literatura ou no cinema, a ficção científica é um exercício de criatividade daqueles que a escrevem ou filmam. No caso de Interestellar, o diretor foi bastante feliz e obteve um resultado interessante. O foco principal do filme é sem dúvida a jornada realizada pelo astronauta Cooper, que foi muito além do tempo e do espaço. Mas, além disso, Cooper busca também encontrar-se com seus próprios sentimentos.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos