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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”