O que é Física?

A física é uma importante ciência que investiga os fenômenos da natureza, os movimentos e suas causas, os fenômenos mecânicos, os térmicos, os elétricos, os magnéticos, entre outros. Além de ser a base de toda a engenharia e tecnologia, é usada por diversos cientistas de outras disciplinas usam conceitos da física, os químicos, que estudam a estrutura das moléculas, os paleontólogos que tentam reconstruir como os dinossauros caminhavam, os climatologistas que estudam como as atividades humanas afetam a atmosfera e os oceanos. Para projetar telas de TV melhores, criar próteses mecânicas ou até mesmo uma armadilha para ratos é preciso ter conhecimento dos conceitos físicos.

A Física, como ciência, começou a se desenvolver a partir de estudos baseados essencialmente na Astronomia, realizados por Giordano Bruno, Copérnico, Tycho Brahe, Kepler e Galileu.

Com a física podemos entender porque o céu é azul, como as ondas de rádio se propagam pelo espaço, como um satélite permanece em órbita tudo isso é explicado por conceitos fundamentas da física.

A natureza da física

A física é uma ciência experimental. Parte da observação dos fenômenos naturais e tenta encontrar os padrões e princípios que relacionam esses fenômenos. Os padrões são denominados teorias físicas ou, quando bem estabelecidos e bastante utilizado podem ser chamados de leis ou princípios físicos.

O que é uma teoria?

Uma teoria é uma explicação de fenômenos naturais baseada em observação e princípios fundamentais já aceitos.

Como uma teoria é desenvolvida?

Para desenvolver uma teoria o físico deve aprender a fazer perguntas pertinentes, projetar experimentos para tentar responder essas perguntas e tirar conclusões se baseando nos resultados de seus experimentos.

Diz a lenda que Galileo Galilei (1564 – 1642) subia no ponto mais alto da Torre de Pisa e deixava cair objetos leves e pesados para verificar se suas velocidades de queda livre eram diferentes. Os experimentos de Galileo eram na verdade muito mais sofisticados do que conta a lenda, mas examinando os resultados ele deu um salto intuitivo para o princípio, ou teoria, de que a aceleração de um corpo em queda livre não depende de seu peso.

O desenvolvimento de teorias desse tipo não segue um caminho linear, é cheio de becos sem saída, suposições são provadas erradas, até o abandono de teorias malsucedidas em favor de outros com mais chance de estar certa. Mas a física não é apenas uma coleção de fatos e princípios que descrevem como o universo físico funciona, mas é também o processo pelo qual se chega a esses princípios.

Na física nunca podemos considerar uma teoria como a verdade final e definitiva. Novas descobertas podem fazer com que uma teoria seja revisada ou até mesmo abandonada se for encontrado um comportamento que não seja coerente com ela, porém nunca se pode provar que uma teoria esteja sempre correta.

Qual o limite de validade de uma teoria?

A teoria de Galileu, por exemplo, possui um limite de validade se você deixar uma bala de menta e uma bala de canhão cair de certa altura, com certeza não cairão com a mesma velocidade não é mesmo? Mas isso não significa que Galileo estivesse errado, apenas que sua teoria estava incompleta, o limite de validade da teoria de Galileo é que ela só se aplica a objetos em que força exercida pelo ar é muito menor do que o peso do objeto. Objetos como penas ou paraquedas estão totalmente fora desse limite.

Grandeza física

A física é uma ciência experimental e como tal seus experimentos exigem medidas. Números são usados para descrever os resultados dessas medidas. Dois conceitos importantes são o de grandeza e unidade.

O que é uma grandeza física?

Uma grandeza física é qualquer número usado para descrever quantitativamente um fenômeno físico. Por exemplo, podemos medir o tempo, a altura de um prédio ou a distância até determinado ponto. Outro conceito importante quando se trata de grandeza física é o de definição operacional que é quando tratamos de grandezas físicas que são tão fundamentais que podemos defini-las somente descrevendo como são medidas. Podemos também definir uma grandeza física descrevendo como calculá-la a partir de outras grandezas que podemos medir. Por exemplo, o calculo da velocidade média de um objeto em movimento que é a distância percorrida dividida pelo intervalo do percurso.

Grandeza é tudo que pode ser medido.

Unidade da grandeza

Toda vez que medimos uma grandeza precisamos comparar com uma padrão de referência. O metro, por exemplo, quando dizemos que uma estrada tem 1080 metros, queremos dizer que ela possui comprimento 1080 vezes maior que uma barra de um metro, a qual por definição tem comprimento de 1 metro. Esse padrão define uma unidade de grandeza. Temos unidades de grandeza para o tempo, a distância, energia, força. Sempre que usamos um número para descrever uma grandeza física, precisamos sempre especificar a unidade que estamos utilizando dizer apenas “1080” não tem significado algum.

É preciso unidade de medidas que não variem e possam ser reproduzidas em vários locais, no mundo todo cientistas e engenheiros usam o Sistema Internacional conhecido também como SI.

Unidade é o que se usa para medir.

Grandeza discreta e grandeza contínua

Quando a grandeza é discreta a comparação é uma contagem. Por exemplo, quando contamos cartas, a unidade nesse caso é 1 carta e o resultado será um número natural. Podemos pensar que a grandeza é discreta quando o resultado é sempre um número inteiro.

Quando a grandeza é continua a comparação é uma medição e o resultado é um número real. Por exemplo quando medimos a distancia em metros entre duas casas nesse caso a unidade de medita é 1 metro.

Tempo

De 1889 até 1967, a unidade de tempo era definia como certa fração do dia solar médio. O padrão atual, adotado desde 1967, é muito mais preciso. Usa a diferença de energia entre os dois menores estado de energia do átomo de césio. Quando bombardeado com micro-ondas na frequência apropriada, átomos de césio sofrem transições de um estado para o outro. Um segundo (s) é definido como o tempo necessário para a ocorrência de 9.192.631.770 ciclos dessa radiação.

Comprimento

Em 1960, um padrão atômico para medidores também foi estabelecido, usando o comprimento de onda da luz vermelho-alaranjada emitida por átomos de criptônio (86Kr) em tubos de descarga de brilho. De acordo com este padrão de comprimento, a velocidade da luz no vácuo é medida em 299.792.458 m/s. Em novembro de 1983, o padrão de comprimento foi alterado novamente e a velocidade da luz no vácuo foi definida como exatamente igual a 299.792.458 m/s. Assim, a nova definição de metro (abreviado m) passa a ser a distância que a luz percorre no vácuo em frações de 1/299.792.458 de segundo. Esta definição moderna fornece um padrão de comprimento mais preciso do que aqueles construídos a partir do comprimento de onda da luz.

Massa

A unidade de massa, adotada pelo SI é o quilograma (kg), é definida como a massa de um cilindro específico feito com uma liga de platina e irídio. Esse cilindro é mantido na Agência Internacional de Pesos e Medidas em Sèvres, próximo de Paris. Um padrão atômico para massa seria mais fundamental, porém, não podemos medir massas em escala atômica com exatidão igual à obtida em medidas macroscópicas.

O grama (que não é uma unidade fundamental) é igual a 0,001 quilograma.

Outras unidades derivadas podem ser formadas a partir das unidades de medida fundamentais. Por exemplo, as unidades de velocidade são metros por segundo(m/s); estas são as unidades de comprimento (m) divididas pelas de tempo (s).

Prefixo das unidades

Depois de saber quais são as unidades fundamentais é fácil verificar unidades maiores e menores para as mesmas grandezas físicas.

Uma vez definidas as unidades fundamentais, é fácil introduzir unidades maiores e menores para as mesmas grandezas físicas. No sistema métrico, elas são relacionadas com as unidades fundamentais por meio de múltiplos de 10 ou de 1/10. Logo, um quilômetro (1 km) é igual a 1000 metros, e um centímetro (1 cm) é igual a 1/100 metros. Para facilitar, escrevemos múltiplos de 10 ou de 1/10 usando notação exponencial: 1000 = 10^{3}, 1/1000 = 10^{-3} e assim por diante. Usando essa notação, 1 km = 10^{-3}m e 1 cm = 10^{-2}m. Os nomes das demais unidades são obtidos adicionando-se um prefixo ao nome da unidade fundamental.

O prefixo “quilo”, abreviado por k, significa sempre um múltiplo de 1000, assim temos:

1 quilômetro = 1 km = 10^{3} metros =10^{3} m
1 quilograma = 1 kg = 10^{3} gramas =10^{3} g
1 quilowatt = 1 kW = 10^{3} watts =10^{3} W

A lista abaixo apresenta diversos exemplos do uso dos prefixos que designam múltiplos de 10 para unidades de comprimento, massa e tempo.

Comprimento	Massa	Tempo
1 nanômetro = 1nm = 10−910−9 m	1 micrograma = 1μg = 10−610−6 g = 10−910−9 kg	1 nanossegundo = 1 ns = 10−910−9s
1 micrômetro = 1μm = 10−610−6 m	1 miligrama = 1 mg = 10−310−3 g = 10−610−6 kg	1 microssegundo = 1μs = 10−610−6 s
1 milímetro = 1mm = 10−310−3 m	1 grama = 1 g = 10−310−3 kg	1 milissegundo = 1 ms = 10−310−3 s
1 centímetro = 1 cm = 10−210−2 m
1 quilômetro = 1 km = 103103 m

Unidades de comprimento massa e tempo

Curiosidades:

1 nanômetro é algumas vezes maior que o maior átomo;
1 micrômetro é o tamanho de uma bactéria e outras células;
1 milímetro é o diâmetro do ponto feito por uma caneta;
1 centímetro é o diâmetro de seu dedo mínimo;
1 quilômetro é o percurso de uma caminhada de 10 minutos;
1 micrograma é a massa de uma partícula muito pequena de poeira;
1 miligrama é a massa de um grão de sal;
1 grama é a massa de um clipe de papel;
1 nanossegundo é o tempo para a luz percorrer 0,3m;
1 microssegundo é o tempo para um satélite percorrer 8 mm
1 milissegundo é o tempo para o som percorrer 3 cm.

Sistema inglês

Essas unidades são usadas somente nos Estados Unidos e em apenas alguns outros países e, na maioria deles, elas estão sendo substituídas pelas unidades de medida SI. As unidades de medida inglesas são oficialmente definidas em termos das unidades de medida SI, como pode ser visto a seguir:

Comprimento: 1 polegada = 2,54 cm (exatamente)
Força: 1 libra = 4,448221615260 newtons (exatamente)

O newton, abreviado como N, é a unidade de força do SI. A unidade inglesa de tempo é o segundo, definida da mesma forma que no SI.

Na física, as unidades inglesas são usadas somente em mecânica e termodinâmica; não há sistema inglês de unidades elétricas.

Algarismos significativos, Notação Científica e Ordem de Grandeza

A incerteza nas medições

As medições nem sempre são precisas. Dependem do instrumento utilizado. Tente medir a superfície da capa do seu caderno usando uma régua até que não é difícil, mas agora tente medir a espessura. É um pouco mais complicado não é mesmo?! Suponhamos que tenha medido 2 mm. É errado escrever 2.0 mm porque você não pode afirmar isso devido as limitações do objeto usado para medir (régua) poderia ser 1,98 mm ou 2,01 mm. Para ter exatidão você pode usar um micrômetro calibrador, um dispositivo capaz de medir distâncias com segurança até 0,01 mm, nesse caso poderíamos usar duas casas decimais para expressar o resultado. Quanto menos preciso for o instrumento usando maior é a incerteza na precisão. A incerteza também é chamada de erro de medida.

Indicamos a acurácia ou exatidão de um valor medido escrevendo o número seguido do sinal \( \pm \) e um segundo número indicando a incerteza da medida por exemplo:

82,36 \(\pm\) 0,05 mm

nesse caso concluímos que o valor real não deve ser menor do que 82,31 mm e nem maior do que 82,41 mm em notação resumida podemos fazer:

82,36 (05)

O número entre parênteses indica a incerteza nos dígitos finais do número principal.

Algarismos significativos

Os algarismos significativos de uma medida são os algarismos corretos e o primeiro duvidoso.

Em alguns casos a incerteza não é apresentada explicitamente, nesse caso é indicada pelo número de algarismos significativos, do valor da medida. Por exemplo, a nossa capa do caderno 1,98 mm temos três algarismos significativos, com isso queremos dizer que os dois primeiros são corretos e o terceiro é incerto. portanto a incerteza é de aproximadamente 0,08 mm.

Em toda medida os algarismos corretos e o primeiro duvidoso são chamados algarismos significativos.

Quando temos zero a esquerda ele não é contado como algarismo significativo. Por exemplo em 0,25 temos dois algarismo significativos e em 0,2500 temos quatro algarismos significativos.

Atenção quando se utiliza números com incertezas para calcular outros números, os resultados também são incertos.

Notação Científica

A notação científica é usada para representar números que são muito grandes. Por exemplo: 19000000000 que em notação científica fica:

\(1,9 \cdot 10^{10}\)

Agora vamos padronizar. Em notação científica o número \(N \cdot 10^{n}\) em que n é um expoente inteiro e \(N\) é tal que \(1 \leq N < 10\). O número N deve ser formado por todos os algarismos significativos que nela comparecem.

Por exemplo, considere que as medidas estão expressas em algarismos significativos: 370s e 0,0045m. Em notação científica temos, respectivamente:

\(3,60 \cdot 10^{2}s\) e \(3,5 \cdot 10^{-3}m\)

Ordem de grandeza

A ordem de grandeza consiste em fornecer, como resultado, a potência de 10 mais próxima do valor encontrado para a grandeza. Como estabelecer essa potencia de 10 mais próxima?

Partimos da notação cientifica, \(N \cdot 10^{n}\). E fazemos o seguinte: se o número N que multiplica a potencia de 10 for maior ou igual a \(\sqrt{10}\). Utiliza-se, como ordem de grandeza, a potência de 10 de expoente um grau a cima, ou seja, \(10^{n+1}\); se N for menor que \(\sqrt{10}\), usa-se a mesma potência da notação científica, isto é, \(10^{n}\).

\(\sqrt{10} \cong 3,16\) corresponde ao ponto médio do intervalo \(10^{0}\) e \(10^{1}\), que é \(10{\frac{0 + 1}{2} = 10^{0,5}}.

Resumindo:

\(N \geq \sqrt{10} \Rightarrow\) ordem de grandeza: \(10^{n+1}\)

\(N < \sqrt{10} \Rightarrow\) ordem de grandeza: \(10^{n}\)

Considere o raio da Terra que é igual \(6,37 \cdot 10^6\)m e a distância da Terra ao Sol igual a \(1,49 \cdot 10^{11} m\). Qual a ordem de grandeza desses valores.

Sendo \(6,37 > \sqrt{10}\) a ordem de grandeza do raio da Terra é dada por: \(10^{6 + 1}m = 10^{7}m\).

Sendo \(1,49 < \sqrt{10}\) a ordem de grandeza da distância da Terra ao Sol é: \(10^{11} m\).

Sistema Internacional de Unidades (SI)

O que é grandeza?

Grandeza é tudo que pode ser medido, ou seja, nada mais é do que um número seguido de uma unidade. Na física é indispensável o uso de medidas, sendo assim é extremamente útil o conhecimento das unidades de medidas.

A importância de um sistema de medidas

A distância entre duas pessoas pode ser expressa em metros, quilômetros, centímetros, milhas, pés etc. Agora digamos que deseje medir em pés. Qual pé você usaria? Um de tamanho 36 ou um de tamanho 42? Pés possuem vários tamanhos como eu vou saber qual você usou quando escreve que tem 25 pés de distância entre você e a tal pessoa? Para isso foi preciso criar unidades de medida que fossem padrão para todos, assim evitaria tais confusões.

Para normalizar as unidades de medidas em 1960 foi realizada a 11ª Conferência de Pesos e Medidas e dela surgiu um sistema de pesos e medidas, chamado Sistema Internacional de Unidades (SI).

Com base no SI, são sete as unidades básicas:

Grandeza	Unidade	Símbolo
Comprimento	metro	m
Massa	quilograma	kg
Tempo	segundo	s
Corrente elétrica	ampère	A
Temperatura termodinâmica	kelvin	K
Quantidade de matéria	mol	mol
Intensidade luminosa	candela	cd

O uso de prefixos é ótimo para conversão de unidades e é sugerido pelo SI, com seus respectivos símbolos e a potência de dez correspondente, a serem utilizados quando necessário.

to	femto	pico	nano	micro	mili	centi	deci
a	f	p	n	\(\mu\)	m	c	d
\(10^{-18}\)	\(10^{-15}\)	\(10^{-12}\)	\(10^{-9}\)	\(10^{-6}\)	\(10^{-3}\)	\(10^{-2}\)	\(10^{-1}\)

Tabela de prefixos para conversão de unidades

deca	hecto	quilo	mega	giga	tera	peta	exa
da	h	k	M	G	T	P	E
\(10^{1}\)	\(10^{2}\)	\(10^{3}\)	\(10^{6}\)	\(10^{9}\)	\(10^{12}\)	\(10^{15}\)	\(10^{18}\)