FÍSICA - AS FORÇAS DA NATUREZA

Primeiro ano Ensino Médio


(c)py5aal Até a década de sessenta a noção das interações das partículas da matéria ou partículas e forças ainda eram truncadas. O assunto que trata das interações entre partículas da matéria em muitos círculos científicos ainda é controverso. As partículas que compõe o universo interagem entre si de quatro formas diversas, esta interação pode se manifestar como força de atração ou repulsão dentro de um lugar volumétrico no espaço que podemos chamar de campo de força. Cada interação no campo de força tem uma característica particular. No início do século XXI não havia sido detectada uma quinta força ou interação elementar da matéria ou de suas partículas formadoras. As quatro forças tem cada qual uma característica que pode ser mensurada através do campo entre as partículas que as geram. Esta medida foi nominada como intensidade relativa de campo, esta intensidade pode ser dada de forma exponencial.

O universo é totalmente formado de partículas e vazio, AS partículas sempre geram em torno de si algum tipo de força, e todas são centro de volume de espaço onde as forças de atração ou repulsão agem e sua intensidade de interação diminui à medida em que a distância aumenta. Este lugar no espaço é definido como ''campo de força''. Portanto, sempre quando temos uma partícula, em volta de si haverá este campo que atuará de forma semelhante em outra partícula, ou seja, sempre onde existir um objeto no espaço, este atuará e influirá em outro que esteja dentro do campo próximo ou distante.

São quatro as interações conhecidas, força eletromagnética, força gravitacional, força nuclear fraca e força nuclear forte. A força magnética pode se manifestar imprimindo movimento de uma partícula em direção a outra (atração), e movimento de afastamento de uma em relação à outra (repulsão), atua de acordo com a polarização da partícula. Já na força gravitacional os objetos atrair-se-ão mutuamente em direção ao centro de gravidade mútuo, isto é, um cai sobre o outro, a força da gravidade atua dentro do campo gravitacional. No caso da força nuclear fraca, esta atua no núcleo atômico e é a segunda mais fraca de todas, a atração se dá de forma semelhante à eletromagnética, porém muito mais tênue, já para a força nuclear forte, não são todas as partículas que respondem à esta e à fraca, ou seja, somente os hádrons, que são dois núcleons, o nêutron e o próton. A Força Nuclear, ou Força Forte é a mais intensa, o campo onde esta atua é muito próximo das partículas. Sempre quando houver dois objetos no espaço, estes tenderão a se mover. No campo elétrico, poderá haver, tanto o movimento de atração quanto repulsão dos objetos entre si, dependendo da carga se igual ou diferente. 

           Dos quatro, os campos de força nuclear forte e nuclear fraco atuam em distâncias extremamente pequenas, em torno de 10-13centímetros. As forças nucleares fraca e forte atuam apenas dentro do núcleo atômico e em sua vizinhança imediata, daí a nomenclatura nuclear. A intensidade relativa de campo ou força (também chamada de interação) entre partículas pode ser posta em ordem conforme a natureza de cada força, ou interação, arbitrou-se a unidade (1) para a força eletromagnética.

Postas em ordem decrescente podemos dizer que a intensidade relativa de campo mais forte, é a força nuclear forte, chamada somente de Força Nuclear, cujo valor é 103, segue-se então a força eletromagnética de intensidade relativa = 1, depois vem a força nuclear fraca, também chamada de Força Fraca, de intensidade relativa = 10-11, e, por último, a mais fraca de todas as forças, a Gravitacional, de Intensidade Relativa = 10-39.

No volume de espaço em volta das partículas atuantes, ou seja, no campo de força, as interações entre as partículas ocorrem de acordo com as intensidades relativas de cada uma. Qualquer partícula fonte destes campos de força sempre responderá a um campo semelhante criado por outra partícula. O resultado destas interações, se dá normalmente em forma de movimento. Até 1935, as forças nucleares forte e fraca não eram conhecidas, somente a gravitacional e a eletromagnética.

 

As 4 Forças da Natureza:

 

 

 Força Eletromagnética.

 

 

           A força eletromagnética resulta da ação das atrações e repulsões elétricas e magnéticas de corpos distantes entre si. Sir Isaac Newton estabeleceu uma concepção causal do Universo. Segundo esta todo efeito observado é causado por forças exercidas por objetos situados a uma determinada distância. A partir desta visão se iniciou a busca pela causa final de todas as forças através de uma analogia com a massa gravitacional. Os estudos dos efeitos da força eletromagnética no final do século XVIII se ampliaram e houve a tentativa de explicar os mecanismos de interação entre os corpos. Charles Augustin de Coulomb e Henry Cavendish observaram as substâncias eletricamente carregadas e o os ímãs estabelecendo assim as leis empíricas que regiam seu comportamento e que indicavam uma possível relação entre aquelas forças.

           A relação entre magnetismo e eletricidade finalmente foi descoberta em 1820 quando Hans Christian Oersted ao aproximar uma bússola de um fio que unia os dois pólos de uma pilha elétrica, verificou que a agulha imantada ao invés de apontar para o Norte, orientava-se perpendicularmente ao condutor elétrico. Na mesma época Dominique François Arago descobriu que o ferro adquiria propriedades magnéticas nas proximidades de uma corrente elétrica e André-Marie Ampère ao envolver uma barra de ferro com um condutor enrolado em helicoidal criou o primeiro eletroímã e executou os estudos que levaram aos fundamentos da eletrodinâmica. Seguindo a concepção de Universo formulada por Newton, onde todo efeito observado na matéria obedece aos efeitos de forças exercidas por objetos situados à distância. 

          A teoria eletromagnética propôs que as atrações e repulsões magnéticas e elétricas e resultavam de interações mútuas nos corpos através do espaço. Neste contexto, se deu a busca da causa final dessas forças, procurando-se similaridades entre a massa gravitacional de Newton e os mecanismos de interação eletromagnética entre os corpos.

               Ampère, pesquisando sobre correntes elétricas, expôs uma teoria que afirmava a existência de partículas elementares que se deslocavam no interior das substâncias, e que este deslocamento poderia ser a causa dos efeitos magnéticos. Porém, apesar da busca, jamais encontrou as tais partículas. Durante o século XIX, Michael Faraday e James Clerk Maxwell continuaram os trabalhos de seus antecessores nas descobertas das leis que regem a força eletromagnética, o eletromagnetismo e a eletrodinâmica. Em seu trabalho, Faraday concebeu que o espaço entre os objetos eletricamente carregados era composto de linhas de força, e que estas eram correntes de energia invisíveis e mensuráveis que comandavam o movimento dos corpos. Afirmava também que as linhas de força eram criadas pela presença mútua dos objetos entre si. Introduziu neste momento a idéia de “campo de força”, onde uma carga elétrica móvel produz perturbações eletromagnéticas em volta de si e estas são linhas de campo que interam com outra carga próxima. James Clerk Maxwell desenvolveu matematicamente o modelo dos campos de força que vieram a alterar a visão de que estas agiam sob uma espécie de controle remoto. Joseph John Thomson, seguindo as idéias e teorias matemáticas de seus antecessores, observando em 1897 os desvios dos feixes de raios catódicos na presença de um campo elétrico acabou por deduzir a existência de uma partícula chamada elétron. O eletromagnetismo confirmou então a origem da força eletromagnética através do movimento orbital dos elétrons ao redor dos núcleos dos átomos.

 

          Força da Gravidade

 

          Aristóteles tentou explicar como e por que os objetos caem, pois acreditava que os mais pesados caíam mais rápido que os leves, idéia que perdurou até o século XVII. Galileu Galilei provou que os objetos caíam com a mesma aceleração a menos que a resistência do ar ou alguma outra força os freasse.

           Isaac Newton, no início do século XVII, através de observações dos movimentos planetários, estudou o mecanismo que fazia a Lua orbitar a Terra, assim conseguiu elaborar uma teoria que dizia que todos os corpos que possuíam massa sofreriam uma atração mútua, e, a partir das leis de Kepler mostrou que tipos de forças devem ser necessárias para manter os planetas em suas órbitas. Também calculou como a força deveria ser na superfície da Terra, e provou ser a mesma que dá à massa sua aceleração.

            Em 1665 Newton escreveu: "Durante esse ano, idealizei a força da gravidade à órbita da Lua e fiz uma comparação entre a força que era necessária para manter esse astro na órbita e as forças de gravidade que agiam na superfície da Terra...."
         A gravidade, denominada também força da gravidade, interação gravitacional ou gravitação, é a força que experimentam entre si os objetos com massa. Seus efeitos são sempre atrativos e seu alcance é infinito. Se trata de uma das quatro forças fundamentais observadas até o momento na natureza, e é a responsável pelos movimentos em grande escala que se observam no Universo: a órbita da Lua ao redor da Terra, a órbita dos planetas ao redor do Sol, este em seu movimento na Via Láctea, e esta em seu movimento no Universo.

         O termo “gravidade” se utiliza também para designar a intensidade do fenômeno na superfície da Terra, mesmo sendo conceitos relacionados mas distintos e muitas vezes confundidos. Todos os corpos experimentam uma força atrativa pelo simples fato de ter massa. A força equivale ao peso; neste caso, a massa do objeto e a massa da Terra se atraem, e o objeto cai submetido a uma força dirigida para o centro da Terra, que é diretamente proporcional ao produto de sua massa e sua aceleração:




 

         O peso pode ser definido como a medida da aceleração que um corpo exerce sobre outro, através da força gravitacional, é uma grandeza vetorial, apresenta intensidade, direção e sentido. A direção é a linha que passa pelo objeto e pelo centro da Terra. O sentido é o que aponta para o centro da Terra.   

 

 

 

 

          A lei da gravitação universal diz que dois objetos quaisquer se atraem gravitacionalmente por meio de uma força que depende das massas desses objetos e da distância que há entre eles. Dados dois corpos de massa m e M, a uma distância d entre si, esses dois corpos se atraem mutuamente com uma força que é proporcional à massa de cada um deles e inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa esses corpos.



G é a constante universal da atração gravitacional ou 6,67.10−11Nm2 / Kg2

M e m são as massas dos dois corpos;

d é a distância entre os centros dos dois corpos;

F é a intensidade da força gravitacional.

 

          A aceleração da gravidade é a intensidade do campo gravitacional perto da superfície de um corpo massivo. Um exemplo é a aceleração da gravidade na Terra ao nível do mar e à latitude de 45° ,(g), que é aproximadamente 9,80665 m/s². Devidas, principalmente, diferentes altitudes, variações na latitude e distribuição de massas do planeta, a rotação implementa uma aceleração oposta à gravidade, principalmente no equador, desta forma um objeto naquela região tem o seu peso reduzido, pois, a aceleração da gravidade é cerca de 9,789 m/s². Nos pólos, chega a aproximadamente 9,823 m/s².

          A Terra não tem a forma de uma esfera perfeita, e isso ocorre também devida força centrífuga, uma vez que a atração gravitacional entre dois corpos varia inversamente ao quadrado da distância, assim, entre massas de mesmo valor nos pólos e no equador, aquelas experimentam uma força gravitacional mais fraca no equador, pois, os dois efeitos concomitantes resultam numa força gravitacional em torno de 0,5% maior nos pólos.

Forças Nucleares

Força nuclear forte


          A interação nuclear forte é uma das quatro forças fundamentais da Física, supera a repulsão mútua entre prótons, carregados positivamente, evitando sua dispersão. Normalmente se representa a quantidade de núcleons por A; a quantidade de prótons por Z e a quantidade de nêutrons por N, assim: A = Z + N, e mantém unidos os núcleons (próton e nêutron) que subsistem no núcleo atômico, vencendo a repulsão eletromagnética entre os prótons que possuem carga elétrica do mesmo valor (positiva) e fazendo também os nêutrons, que não tem carga elétrica, permanecer unidos . Os efeitos desta força só se apreciam a distâncias muito pequenas (menores a 1 férmion), do tamanho dos núcleos atômicos e não se percebem a distâncias maiores a 1 fm (férmion). A esta característica se conhece como ser de curto alcance, em contraposição com a força gravitacional ou a força eletromagnética que são de longo alcance. Antes da década de 1970, se supunha que o próton e o nêutron eram partículas fundamentais, a expressão força forte se referia ao que hoje em dia se denomina força nuclear ou força forte residual. O observável nos experimentos eram os efeitos que esta força produzia sobre os componentes do núcleo atômico, efeitos residuais da força forte que atua sobre os hádrons, sejam bárions ou mésons. A força forte, se postulou, de forma teórica, existiria para compensar as forças eletromagnéticas repulsivas que se sabia que existiam no interior do núcleo, ao se descobrir que este estava composto por prótons de carga elétrica positiva e nêutrons, de carga elétrica nula. Também seu alcance não poderia ser maior que o próprio raio do núcleo, para que outros núcleos nas cercanias não a sentissem, pois, se assim fosse, todos os núcleos do universo colapsariam de forma a criar um grande conglomerado de massa nuclear.

           O descobrimento dos quarks em 1963, propiciou aos cientistas um ajuste da teoria para que a força forte agisse sobre os quarks e glúons que formavan prótons e nêutrons. Durante algum tempo despois se denominou força forte residual, chamando à nova força interação forte ou força de cor.

A força forte residual da força forte, uniria os quarks em grupos de três, constituindo assim nêutrons e os prótons. De qualquer forma a interação nuclear forte tem magnitude tão grande que supera o efeito contrário da interação ou força eletromagnética, chamada também de força coulombiana, de caráter repulsivo, entre os prótons. Seu alcance é na ordem de 10-15 m, isto é, se restringe apenas ao núcleo atômico, e é independente da carga elétrica atuando igualmente entre os prótons, neutrons ou entre prótons e nêutrons. Devido ao fato da interação forte unir os núcleons com tanto poder de atração, durante a reação de fissão nuclear, quando núcleos pesados são desfeitos, ocorre a liberação de energia, e no processo de fusão nuclear quando núcleos leves são fundidos, há também liberação de energia, e esta é que alimenta as reações nucleares no interior das estrelas.

 

=> Particulas fundamentais. 

A Força nuclear fraca

A força nuclear fraca, é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Se deve ao intercâmbio dos bósons W e Z, que são muito fortes. O efeito mais familiar é o decaimento beta (dos neutros no núcleo atômico) e a radiatividade. A palavra fraca deriva do valor do campo de forças que é 1013 menor que a interação nuclear forte, mas ainda assim a interação fraca é mais forte que a força da gravidade a curtas distâncias.

A interação fraca afeta todos os léptons e quarks, é a única força que afeta os neutrinos, ela é única sob certos aspectos, por exemplo, é a única interação que pode mudar de sabor, também é a única que viola a paridade da simetria P, pois não atua sobre os múons, e os taus esquerdos, e também é a única que atua sobre a simetria CP, além disso é a interação que media entre os bósons de gauge pesados, característica esta explicada no modelo standard pelo mecanismo de Higgs.

Devido a grande massa das partículas que possuem a interação fraca, cerca de 90 GeV/c2, sua vida é limitada acerca de 3×10−27segundos. Na velocidade da luz, o alcance da interação fraca é cerca de 10−18metros, cerca de mil vezes menor que o diâmetro do núcleo atômico.Já que a interação fraca, ou força fraca é muito débil a curta distâncias, seus efeitos mais consideráveis são devidos a outra condição, sua troca de sabor. Considere-se, pois, um nêutron, este contém um quark up e dois quarks down, ainda que o neutros tenha menos massaque seu “irmão” núcleon, não pode decair num próton, que contém dois quark up e um quark down, sem trocar o sabor de um dos quarks down. A interação forte ou o eletromagnetismo, não podem trocar seus sabores, pois isso só poderá ocorrer no decaimento fraco. Neste processo, um quark down em um nêutron, cambia o seu sabor para um quark up através da emissão de um bóson W, que logo se romperá em elétrons de alta energia, e num antineutrino eletrônico. Os elétrons altamente energéticos são radiação Beta, a isto se dá o nome de desintegração Beta.

           

           Devida a debilidade da interação fraca, os decaimentos são muito lentos, comparados com os decaimentos fortes e com os eletromegnéticos. Por exemplo, um decaimento eletromagnético de um píon neutro, tem uma vida de 10-16 segundos, um decaimento débil carregado com um píon vive cerca de 10-8 segundos, cem milhões de vezes mais longo. Um nêutron livre vive cerca de 15 minutos, sendo a partícula subatômica com a maior vida média conhecida.


Veja aqui: Foi depois do Big-Bang...



Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons.©Angeloleithold Publicado na Wikipédia em 14h34min de 10 de Janeiro de 2005, liberado para fins educacionais conforme a Licença Creative Commons.  É vedada a comercialização ou se uso em material didático não gratuito.

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