História e Fundamentos da Física

História da Física

• Física é o estudo das propriedades da matéria e das forças naturais, frequentemente expressas em linguagem matemática.
• A investigação experimental e o método matemático distinguiram a física da filosofia e religião, cujo objetivo original era entender a origem do Universo.
• A física investiga a matéria em níveis molecular, atômico, nuclear e subnuclear, além dos estados sólido, líquido, gasoso e plasmático.
• As quatro forças fundamentais estudadas são: gravidade, eletromagnética, interação forte e interação fraca (relacionada à radioatividade).

Física Teórica e Experimental

• A física experimental explora as propriedades e transformações da matéria por meio de experimentos e medidas repetíveis em laboratório.
• A física teórica organiza os resultados experimentais, estabelece relações entre conceitos e permite prever fenômenos.

Fatos Históricos

• A física evolui da necessidade humana de compreender e controlar o mundo natural.

Física na Antiguidade

• Na Grécia Antiga surgiram os primeiros estudos "científicos" sobre a natureza, com filósofos buscando racionalizar o mundo sem intervenção divina.

Atomistas Gregos

• No século V a.C., Leucipo e Demócrito propuseram que o Universo é formado por átomos e vácuo.
• Os átomos seriam indivisíveis, sólidos, invisíveis e em constante movimento.

Física Aristotélica

• Aristóteles impulsionou a física na antiguidade com ideias sobre movimento, queda dos corpos e o geocentrismo.
• O pensamento aristotélico dominou a física até o final da Idade Média.
• Aristóteles (384 a.C. - 322 a.C.) nasceu na Macedônia, estudou em Atenas na Academia de Platão por 20 anos.
• Foi tutor de Alexandre, o Grande.
• Fundou sua própria escola em Atenas, o Liceu.
• Seus estudos abrangem lógica, ética, política, teologia, metafísica, poética, retórica, física, psicologia, antropologia e biologia.
• O Geocentrismo descreve o cosmo com a Terra imóvel no centro, cercada por nove esferas concêntricas giratórias.
• Aristóteles acreditava que os corpos caem para alcançar seu "lugar natural", definidos pelos elementos primários: terra, água, ar e fogo.
• Corpos com mais "terra" (mais pesados) cairiam mais rápido.

Primórdios da Hidrostática

• Arquimedes inaugurou o estudo da hidrostática (equilíbrio dos líquidos).
• Arquimedes teria descoberto, durante o banho, que a quantidade de água deslocada é igual ao volume do corpo.
• A história conta que Arquimedes usou esse princípio para verificar se uma coroa era feita de ouro puro ou continha prata.
• O Princípio de Arquimedes diz que um corpo imerso em um fluido recebe um impulso de baixo para cima (empuxo) igual ao peso do volume do fluido deslocado.
• Corpos mais densos que a água afundam, enquanto os mais leves flutuam.
• Arquimedes (287 a.C. - 212 a.C.) nasceu em Siracusa, estudou em Alexandria e inventou o parafuso sem ponta para elevar água.
• Ganhou fama ao defender Siracusa dos romanos com espelhos que queimavam navios à distância e catapultas baseadas no princípio da alavanca.

Yin e Yang

• Os chineses antigos focaram no equilíbrio do Universo com as forças opostas Yin (lado sombreado) e Yang (lado ensolarado).
• Essas forças se manifestam em fenômenos naturais e aspectos da vida, com um balanço dinâmico entre elas.

Revolução Copernicana

• Em 1510, Nicolau Copérnico desafiou o geocentrismo ao propor que a Terra é um planeta que gira em torno do Sol.
• Copérnico enfrentou a oposição da Igreja Católica e transformou a Física em um campo de estudo específico.
• A consolidação da revolução copernicana ocorreu um século depois com Galileu Galilei e Johannes Kepler.
• O Heliocentrismo, que coloca o Sol como centro do Universo, foi formulado por Copérnico, marcando a concepção moderna do Universo.
• Nicolau Copérnico (1473 - 1543) estudou matemática, direito canônico e medicina antes de se dedicar à astronomia.
• Copérnico revolucionou a visão do homem sobre si mesmo e impulsionou as ciências ao priorizar a observação e a experiência.

Física Clássica

• O século XVII estabeleceu as bases para a física da era industrial.
• Simon Stevin desenvolveu a hidrostática.
• Christiaan Huygens contribuiu para a óptica.
• Isaac Newton (1642-1727) desenvolveu a teoria geral da mecânica, a gravitação universal e o cálculo infinitesimal.
• Newton (1642-1727) nasceu na Inglaterra.
• Por volta de 1664, Newton desenvolveu o teorema do binômio e o método matemático das derivadas.
• Esse método originou o cálculo diferencial e integral.
• Newton pesquisou a natureza da luz, demonstrando que a luz branca se decompõe nas cores do espectro ao passar por um prisma.

Leis da Mecânica

• Primeira Lei (Inércia): Objetos parados ou em movimento tendem a permanecer em seu estado, a menos que uma força externa atue sobre eles.
• Segunda Lei: A força é proporcional à massa do objeto e sua aceleração.
• Terceira Lei: Para toda ação, há uma reação igual e oposta.

Gravitação Universal

• Newton concebeu que a força que faz uma maçã cair é a mesma que mantém a Lua em órbita.
• Newton desenvolve os cálculos que sustentam a hipótese da gravitação universal, além de estudos sobre a luz, a mecânica e o teorema do binômio.
• Em 1687 Newton publica o "Principia" unindo a matemática a física.

Física Aplicada

• No século XVIII, o desenvolvimento da física foi impulsionado por necessidades práticas e pela revolução industrial.

Termodinâmica

• A termodinâmica estuda as relações entre calor e trabalho, baseando-se na conservação de energia e na entropia.
• As máquinas a vapor, turbinas e motores são aplicações desses princípios.
• Thomas Newcomen criou a máquina a vapor em 1698, aperfeiçoada por James Watt.
• Sadi Carnot estabeleceu a sistematização da termodinâmica, definindo a transformação de energia térmica em mecânica.
• Primeiro Princípio: A soma das trocas de energia em um sistema isolado é nula.
• Segundo Princípio: Em sistemas isolados, a entropia aumenta ou permanece constante, indicando perdas na transformação de calor em trabalho.
• A entropia representa a tendência natural da energia a se dispersar e da ordem evoluir para a desordem.
• O zero absoluto (0 Kelvin) é a temperatura em que a atividade molecular cessa.
• Lord Kelvin descobriu que a descompressão de gases causa esfriamento e criou uma escala de temperaturas absolutas.

Eletromagnetismo

• Em 1820, Hans Oersted relacionou eletricidade e magnetismo ao observar o efeito da corrente elétrica em uma bússola.
• Michael Faraday inverteu o experimento de Oersted e descobriu a indução eletromagnética.
• Indução eletromagnética: um campo magnético variável induz corrente elétrica em um circuito.
• Michael Faraday (1791-1867) fez importantes descobertas para a química e física.

Raios Catódicos

• Raios catódicos são feixes de partículas produzidos por um eletrodo negativo em um tubo de gás, identificados por William Crookes.
• São utilizados em osciloscópios e televisões.

Raios X

• Wilhelm Konrad von Röntgen descobriu os raios X ao estudar válvulas de raios catódicos.
• Os raios X impressionavam chapas fotográficas e revelavam moedas nos bolsos e ossos das mãos.

Radiatividade

• Henri Becquerel descobriu a radioatividade, a desintegração espontânea de núcleos atômicos que emitem radiação.
• Pierre e Marie Curie descobriram fontes radioativas mais fortes, como o rádio e o polônio, observando que o rádio podia causar danos biológicos.
• Há três tipos de radiação: alfa (partículas de hélio positivas), beta (elétrons negativos) e gama (ondas eletromagnéticas).

Estrutura do Átomo

• Em 1803, John Dalton propôs que cada elemento químico corresponde a um tipo de átomo.
• Em 1897, a descoberta do elétron mostrou que o átomo não é indivisível.
• Em 1897, Joseph John Thomson descobriu o elétron ao estudar raios X e catódicos.
• Thomson propôs o "modelo pudim", com elétrons flutuando em uma nuvem de eletricidade positiva.
• Em 1911, Ernest Rutherford bombardeou uma lâmina de ouro e propôs o modelo planetário do átomo.
• Em 1919, Rutherford desintegrou o núcleo de nitrogênio e detectou os prótons, partículas positivas no núcleo.
• James Chadwick descobriu os nêutrons em 1932, partículas neutras com massa semelhante à do próton.

Era Quântica

• A teoria quântica surgiu no final do século XIX e introduziu uma nova lógica.
• Max Planck definiu o conceito de quanta, e a teoria geral foi desenvolvida por um grupo de físicos, incluindo Niels Bohr e Werner Heisenberg.

Quanta

• Em 1900, Max Planck introduziu a ideia de que a energia é trocada em doses ou pacotes chamados quanta.
• Max Planck não previu os efeitos revolucionários dos quanta.
• Niels Bohr elaborou o modelo quântico do átomo que surge em 1913.
• Os elétrons ocupam níveis de energia específicos e podem pular entre eles ao absorver ou emitir um quantum de energia.

Dualidade Quântica

• A mecânica quântica introduz o conceito de dualidade, complementada pelo princípio da incerteza de Werner Heisenberg.
• O universo quântico é não determinístico, oferecendo um conjunto de respostas prováveis.
• A matéria exibe dualidade onda-partícula.
• A mecânica quântica rompe com o universo determinístico da mecânica clássica.

Princípio da Incerteza

• Em 1927, Heisenberg formulou o princípio da incerteza, afirmando que pares de variáveis interdependentes não podem ser medidos com precisão absoluta.

Relatividade

• A teoria da relatividade altera profundamente as noções de espaço e tempo.
• Em 1905, Einstein formulou a Teoria da Relatividade Restrita, onde distância e tempo variam segundo o observador.
• Não existe tempo e espaço absolutos, mas grandezas relativas ao sistema de referência.
• A relatividade também demonstra que nenhuma partícula pode se mover a uma velocidade superior à da luz(299.792.458 metros por segundo).

Relatividade Geral

• Einstein estendeu a noção de tempo-espaço à força da gravidade.
• A Teoria Geral da Relatividade (1916) explica a força de atração pela geometria tempo-espaço.
• A fórmula E=mc² expressa a equivalência entre massa e energia.Um artefato explosivo atinge seu efeito destrutivo através da energia liberada na quebra de átomos pesados

A Geometria no modelo de Einstein

• Einstein descreveu a gravitação como uma questão espacial.
• A presença de um corpo causa distorção no espaço próximo.
• O desvio de um raio de luz perto do Sol é devido à curvatura do espaço causada pela massa solar.
• Albert Einstein (1879-1955) nasceu na Alemanha, viveu na Suíça e naturalizou-se norte-americano.

Partículas Subatômicas

• Em 1932, confirmou-se que os átomos são formados por nêutrons, prótons e elétrons.
• Há partículas menores como o pósitron, o neutrino e o Méson.
• Hoje se conhecem 12 tipos de partículas elementares: quarks e léptons.
• Os quarks formam os neutrons e os protons.
• Os leptons reunem partículas leves como o elétron e o neutrino. o diâmetro de um átomo é de aproximadamente 10-10 m
• Os físicos usam aceleradores de partículas e depois verificam os "estragos". Registram as ocorrências e fazem curvas de comportamento.

Tendências Atuais

• A fusão nuclear controlada e a física dos primeiros instantes do Universo são atualmente os campos mais desafiantes da física.
• Na fusão nuclear, núcleos leves como o do hidrogênio se fundem e criam elementos de um núcleo mais pesado.
• A fusão nuclear controlada poderá ser mais econômica e limpa.
• O combustível para a fusão, o deutério, é um isótopo de hidrogênio abundante na água.

Especializações da Física

• Cosmologia e astrofísica: natureza, origem e evolução do universo.
• Física atômica, molecular e de polímeros: estrutura e propriedades de sistemas de muitos elétrons.
• Física da matéria condensada e do estado sólido: propriedades gerais dos materiais.
• Física nuclear: estrutura nuclear, emissão de radiatividade natural, fissão e fusão nuclear.
• Física dos plasmas: a matéria em altas temperaturas.
• Física das partículas elementares: constituintes fundamentais da matéria.
• Física das radiações: efeitos da absorção da radiação eletromagnética.
• Gravitação e relatividade geral: propriedades geométricas do espaço/tempo.
• Mecânica dos fluidos: propriedades gerais e leis de movimento dos gases e líquidos.
• Óptica: propriedades e efeitos de fontes de luz e fenômenos ópticos.