Apresentamos as forças com que convivemos no nosso dia-a-dia. Relacionamos essas forças com as 4 forças fundamentais da Natureza. Mostramos que tipo de fenômenos são descritos por cada uma dessas forças. Apesar de algumas desses forças serem importantes em dimensões espaciais tão diminutas, mostramos como elas são importantes na nossa vida diária.

1. mariateresa.thomaz@gmail.com
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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2. 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 força de atrito
e peso
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3. 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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4. 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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5. 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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6. 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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7. 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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8. 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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9. 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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10. 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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11. 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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12. 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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13. Todos os átomos são constituídos de :
elétron : foi descoberto por J.J. próton : foi descoberto E.
Thomson em 1897. Rutherford em 1918.
mel = 9,1 . 10-28g Mpr = 1,672. 10-24g
(Mpr ~ 1870 mel )
carga elétrica = - 1,6. 10-19C carga elétrica = + 1,6. 10-19C
spin = 1/2 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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14. 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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15. 3.1) Força elétrica
Algumas partículas como os elétrons e prótons possuem
uma propriedade chamada de carga elétrica .
Em 1785 Coulomb conseguiu determinar
a expressão da força entre cargas elétricas
pontuais:
Charles A. de Coulomb
sendo
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16. Comparando as forças gravitacional e elétrica :
Força gravitacional : Força elétrica :
Partículas com massa se atraem Só existe força elétrica entre
entre si devido a força da partículas que possuem carga
gravidade . elétrica. As forças elétricas
podem atrair ou repelir.
dependendo do sinal das cargas
elétricas.
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17. 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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18. 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”
“A Terra é um
grande ímã .“
William Gilbert
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19. 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 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
James C. Maxwell magnéticos explicados pelas 4 eqs. do
Eletromagnetismo.
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20. 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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21. 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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22. Estamos falando sobre forças entre partículas atômicas (~10-10m).
Essas forças eletromagnéticas influenciam o nosso dia-a-dia?
Força elástica
Força de atrito
Raios cortando a atmosfera Se faltar a eletricidade?
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23. 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
núcleo atômico : 10-14m
núcleos dos átomos e de
seus nucleons? nucleon : 10-15m
(próton ou neutron)
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24. 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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25. 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 . Sabor Carga elétrica
u (up) +(2e)/3
d (down) -(e)/3
As características
dos quarks : s (strange) -(e)/3
c (charm) +(2e)/3
Os quarks possuem um novo
b (botton) -(e)/3
tipo de carga: carga de cor.
t (top) +(2e)/3
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26. Cada quark existem em 3 tipos diferentes de cor:
red (vermelho), green (verde) e blue (azul).
só os quarks
Só os quarks possuem carga de cor 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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27. 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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28. Estados ligados de quarks :
1) quarks ligados 2 a 2: mésons
mésons : partículas trocadas
entre os núcleos.
2) quarks ligados 3 a 3: bárions
bárions: prótons, neutrons, ...
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29. 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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30. 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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31. 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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32. 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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33. 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:
neutrino
1H + 1H → 2H + e+ + νe
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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34. 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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35. 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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36. 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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37. A Natureza continua a esperar a
nossa curiosidade e criatividade para
desvendá-la completamente .
Obrigada pela sua atenção!!!
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38. As transparências deste seminário estão no blog:
http://mttdivulgacao.blogspot.com
na secção:
“Divulgação já realizada no Ensino Médio”
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