Forças que unem e força que separa

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[email protected] 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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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.

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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”