Forças que unem e força que separa
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1 Instituto de Física, UFF Forças que unem...
Apresentação
1. O que é força?
2. A força da gravidade
3. A força eletromagnética
4. A força forte
5. A força fraca : a força que separa
6. Conhecemos tudo sobre as forças da Natureza?
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1. O que é força?
Sir Isaac Newton nos ensinou que as forças são responsáveis por começarmos a nos movimentar e a parar.
Em resumo : forças agem para modificar o nosso movimento.
Temos diferentes tipos de forças:
1. forças de contato:
no abraço força elástica forças normal e peso
força de atrito
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2. forças sem contato :
Força da gravidade : ela existe sempre que dois corpos têm massa .
Força elétrica: corpos que possuem carga elétrica (positiva ou negativa) .
Força magnética : cargas elétricas em movimento .
Nem todo empurrão e/ou puxão que sentimos tem algo nos tocando !!!!
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Como explicamos as forças dos exemplos anteriores?
Todas as forças mostradas :
a maçã que cai
a força elástica da atiradeira
a força que curva o fundo da cadeira em que sentamos
a força de atrito quando andamos sobre uma superfície
a força de repulsão/atração entre partículas com carga elétrica
Essas forças são forças fundamentais da Natureza?
Como explicamos essas forças com que convivemos o nosso dia-a-dia?
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2. A força da gravidade
A primeira força com que nos defrontamos :
Porque o bebê cai ?
É a força da gravidade !!!
Sir Isaac Newton nos ensinou que quaisquer 2 objetos que possuem massa se atraem.
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Relembrando um pouco de Matemática:
Na Física temos algumas grandezas que são muito grandes e outras que são muito pequenas. Para manipulá-las de forma fácil
utilizamos potências de 10.
Vejamos alguns exemplos:
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A força da gravidade :
onde:
sendo
m 1 : massa do objeto 1
m 2 : massa do objeto 2
r : distância entre o centro dos objetos
G : constante da gravitação
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Se dois corpos que possuem massa sempre se atraem, porque quando eu largo uma “maçã” a uma distância de 0,5m de mim, ela não vai na minha direção?
Newton nos ensinou a calcular as forças que agem sobre a maçã quando a solto:
1) Força com que eu atraio a maçã :
mTt = 80 kg, mmaçã = 10g = 0,01kg, r =0,5m
2) a força que a Terra atrai a maçã (peso):
MTerra = 6 . 10+24 kg mmaçã = 10g, RTerra = 6378km
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Porquê quando largamos a maçã ela sempre cai em direção a Terra?
Relembrando:
Assim :
Conclusão : a força com que a Terra atrai todos os objetos
que têm massa é MUITO MAIOR que a força que nós exercemos sobre eles. Esqueça a força que fazemos sobre eles!!!
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A força da gravidade é responsável por:
estarmos sobre a Terra a Lua ligada a Terra
o sistema solar as estruturas das galáxias
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Será que a força da gravidade é sempre a força mais importante?
Relembrando a lei da gravitação de Isaac Newton :
sendo :
Vejamos ...
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3. A força eletromagnética
Sabemos que todos os materiais são compostos de moléculas
são compostas de átomos que são compostos de
elétrons, prótons e neutrons .
Para descrever as forças em pequeníssimas distâncias, nos
fixamos na água:
e
átomo de oxigênio átomo de hidrogênio
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Todos os átomos são constituídos de :
elétron : foi descoberto por J.J. Thomson em 1897. mel = 9,1 . 10-28g carga elétrica = - 1,6. 10-19C spin = 1/2
próton : foi descoberto E. Rutherford em 1918. Mpr = 1,672. 10-24g (Mpr ~ 1870 mel ) carga elétrica = + 1,6. 10-19C spin = 1/2
Alguns átomos possuem : neutron descoberto por Sir James Chadwick, em 1932. Mnet = 1,675. 10-24g carga elétrica = 0 spin = 1/2
Esses valores de massa são realmente pequenos? A massa de 1 fio de cabelo ~ 0,003g = 3 . 10-6 g .
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Qual o tamanho típico de um raio atômico?
rátomo ~ 10-10m
É possível ver um átomo a olho nu?
Comparamos o raio atômico com algo que enxergamos: espessura de um cabelo : 0.1mm = 10-4m
A nossa experiência não nos permite afirmar nada sobre o que ocorre dentro do átomo !!!!
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3.1) Força elétrica
Algumas partículas como os elétrons e prótons possuem uma propriedade chamada de carga elétrica .
Charles A. de Coulomb
Em 1785 Coulomb conseguiu determinar a expressão da força entre cargas elétricas pontuais:
sendo
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Comparando as forças gravitacional e elétrica :
Força gravitacional :
Partículas com massa se atraem entre si devido a força da gravidade .
Força elétrica :
Só existe força elétrica entre partículas que possuem carga elétrica. As forças elétricas podem atrair ou repelir. dependendo do sinal das cargas elétricas.
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Qual força é responsável de manter o elétron ligado ao próton no átomo de hidrogênio?
Força gravitacional do próton sobre o elétron :
FG ≈ 1,0 . 10-44 N
Força elétrica entre o próton e o elétron :
FE ≈ 2,3 . 10-8 N
Razão entre as duas forças que agem sobre o elétron:
FE ≈ 2,3 . 10+36 FG
dentro do átomo podemos esquecer a força de gravidade entre as partículas!!!!
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3.2) Força magnética
Magnetismo: a magnetita era conhecida pelos gregos antes da era de Cristo. Esta pedra vinha de região da Grécia chamada de Magnésia.
Fatos importantes relativos a força magnética :
2.700 A.C.: bússola rústica dos chineses feitas de “lodestone”.
1.000 D.C. - 1.200 D.C.: bússolas para navegação
1.600 D.C.: William Gilbert, o “Pai do Magnetismo”
William Gilbert
“A Terra é um grande ímã .“
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3.3) Força eletromagnética: a unificação
Antes de 1830: as forças elétrica e magnética eram consideradas forças distintas.
Lei de indução de Faraday (1831): variação de fluxo de campo magnético no tempo geram campos elétricos.
Lei de Ampère (1835): campos magnéticos são gerados por cargas elétricas em movimento.
James C. Maxwell
James Clerk Maxwell (1855- 1856): formulação matemática da lei de indução de Faraday e introduziu o termo de corrente de deslocamento na lei de Ampère
a unificação dos fenômenos elétricos e magnéticos explicados pelas 4 eqs. do Eletromagnetismo.
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Consequências das 4 equações de Maxwell:
Em 1862, Maxwell mostra que a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas ≈ velocidade da luz a luz é uma onda eletromagnética.
Em 1866, Heinrich Hertz detectou as ondas de rádio.
Como as equações de Maxwell modificaram o nosso dia-a-dia?
televisão, rádio, telefone, celulares...
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A força eletromagnética é responsável por:
Propriedades física e química dos elementos :
átomo de hidrogênio átomo de oxigênio
As formas que vemos na Natureza :
Fractais em pedras
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Estamos falando sobre forças entre partículas atômicas (~10-10m). Essas forças eletromagnéticas influenciam o nosso dia-a-dia?
Força de atrito
Força elástica
Raios cortando a atmosfera Se faltar a eletricidade?
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4) A força forte
Relembrando as dimensões atômicas :
raio atômico : rátomo ~ 10-10m
Comparando o tamanho do átomo com o que podemos ver:
espessura de um cabelo : 0.1mm = 10-4m
Qual o tamanho dos núcleos dos átomos e de seus nucleons?
núcleo atômico : 10-14m
nucleon : 10-15m
(próton ou neutron)
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Os núcleos dos átomos que compõem a água :
1) núcleo do átomo de hidrogênio :
1 próton (carga elétrica : + e )
2) núcleo do átomo de oxigênio:
8 prótons (8 cargas elétricas +e )
8 neutrons (8 partículas sem carga elétrica)
Já falamos que partículas com mesma carga elétrica se repelem .
Como os prótons ficam unidos dentro de um lugar tão diminuto?
Os neutrons não têm carga elétrica . Como eles ficam ligados aos núcleos dos átomos?
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Os prótons e os neutrons são estados ligados de partículas
elementares chamadas de quarks :
A força que une os
quarks : força forte .
Dentro do núcleo a força forte é ~ 137Xforça eletromagnética .
As características dos quarks :
Sabor Carga elétrica
u (up) +(2e)/3
d (down) -(e)/3
s (strange) -(e)/3
c (charm) +(2e)/3
b (botton) -(e)/3
+(2e)/3
Os quarks possuem um novo
tipo de carga: carga de cor. t (top)
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Cada quark existem em 3 tipos diferentes de cor: red (vermelho), green (verde) e blue (azul).
Só os quarks possuem carga de cor
só os quarks sentem a força forte,
mas como os quarks também têm carga elétrica, então eles também sentem a força eletromagnética .
IMPORTANTE: para distâncias maiores que o raio nuclear (10-14m), a força forte vai a zero e fica MUITO
MENOR que a força eletromagnética . Força de curto alcance .
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Já foi medido algum quark livre (sozinho) em laboratório?
Não, a carga elétrica de todas as partículas medidas é
um múltiplo inteiro da carga elétrica do elétron ou próton, ou não tem carga elétrica. Nunca foi medido uma partícula com carga elétrica fracionária.
Porque ? a força forte é como um elástico que liga os quarks entre si . Quanto maior a distância entre eles mais aumenta a força, até que a energia fica tão grande que a Natureza prefere criar um novo par de quarks .
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1) quarks ligados 2 a 2: mésons
mésons : partículas trocadas entre os núcleos.
2) quarks ligados 3 a 3: bárions
bárions: prótons, neutrons, ...
Estados ligados de quarks :
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A força forte é responsável por:
a estabilidade dos núcleos:
Tabela Periódica : organização dos núcleos na forma de camadas.
a estabilidade do neutron dentro do núcleo
a água ser estável .
a instabilidade de núcleos isótopos: bombas nucleares .
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5. A força fraca : a força que separa
O núcleo do átomo de oxigênio: 8 prótons e 8 neutrons.
cargas elétricas dos nucleons : próton : + e neutron : 0 (zero)
A água que colocamos no copo pode ficar lá para sempre
os núcleos do oxigênio não mudam com o tempo
os prótons e os neutrons dentro do núcleo são estáveis .
Mas quando os neutrons estão livres, metade deles desaparecem a cada 887s (14,8 minutos).
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Após 14,8 minutos, metade dos neutrons livres num dado local
desaparecem dando lugar a outras partículas: decaimento β
neutrino do elétron
Nova partícula : neutrino (νe) 0 < massa << me carga elétrica : 0 spin : ½ (férmion)
Que força é responsável pelo decaimento do neutron ?
A força fraca .
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A força fraca existe dentro do raio do nucleon (10-15m)
Força de curto alcance
Porque razão está força é chamada de fraca?
Que partículas sentem a força fraca? Todos os férmions (spin ½), elétrons, quarks, neutrinos, etc ...
Se ela é tão menor que as outras forças como a conhecemos?
Os neutrinos só interagem via força fraca!!!. Eles são o grande mistério da Natureza . É muito difícil detectá-los.
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Porque a força fraca é tão importante para o nosso dia-a-dia ?
Nas reações de fusão que acontecem no Sol e outras estrelas de
tamanho similar começam pelo ciclo próton-próton:
1H + 1H → 2H + e+ + νe neutrino
esse processo só ocorre devido a força fraca (temos neutrino na reação) .
Esta reação leva ~7 bilhões de anos para ocorrer. Se ela fosse mais rápida o Sol já estaria frio a muito tempo.
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A força fraca é a força dos biólogos.
Fotossíntese: vegetais clorofilados
energia solar → dióxido de carbono + água →
→ 6 O2 + 6 H2 O + C6H12O6 .
nosso oxigênio
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Voltando ao mundo do muitíssimo pequeno...
rnucleon ~ 10-15m
Temos uma segunda unificação das forças da Natureza :
Para distâncias menores e ~ 10-18m (um milionésimo do raio do nucleon) as forças eletromagnética e fraca são
diferentes manifestações de uma mesma força : força eletrofraca .
Não se conhece nenhum processo em que a força fraca seja responsável por manter partículas elementares unidas. A força fraca é responsável apenas por decaimentos .
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6. Conhecemos tudo sobre as forças da Natureza?
1. O sonho de Einstein : unificação de todas as forças
Um caminho a percorrer...
- Teorias de grande unificação
(GUT´s)
- Teorias Supersimétricas
- Superstrings, Teoria-M
(escala de Planck ~10-35m)
2. O que temos de novo?
O Universo está se expandindo aceleradamente . Temos uma energia escura com pressão negativa . Precisamos de uma nova força para explicar esta aceleração?
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A Natureza continua a esperar a
nossa curiosidade e criatividade para
desvendá-la completamente .
Obrigada pela sua atenção!!!
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As transparências deste seminário estão no blog:
http://mttdivulgacao.blogspot.com
na secção:
“Divulgação já realizada no Ensino Médio”