Cenas Discutidas: "007 - Um novo dia para morrer"

Não pretendo nem discutir o fato do carro ser invisível.

Já temos estudos nesta área (http://ciencia.hsw.uol.com.br/capa-da-invisibilidade.htm) e acredito que com o avanço da nanotecnologia teremos algo parecido com isso daqui a alguns bons anos.

Quero discutir a visão térmica que o inimigo do James Bond utiliza em seu carro.

Reparem na cena que o carro do Bond recém foi ligado.

Motores e peças de engrenagem aquecem rapidamente em um carro. Mas o espelho e outras partes da carroceria?

Na imagem da visão térmica aparece todo o carro com uma temperatura maior que a ambiente.

Todos os objetos que possuem uma temperatura maior do que o zero absoluto emitem radiação. E a visão térmica faz uso disso.

O corpo humano possui uma temperatura elevada em relação ao ambiente (37 °C comparados com a temperatura ambiente é uma grande diferença) e por isso percebemos bem a influência da visão térmica em pessoas.

Existem várias tecnologias de visão térmica, mas todas possuirão cores diferentes para realçar temperaturas diferentes.

Acredito que a cena estaria errada do ponto de vista físico. Pois, pela lei zero da termodinâmica o carro estando parado exposto ao ambiente ele adquiriria a sua temperatura (pelo menos o espelho que é bem externo) e, assim sendo, a visão térmica não diferenciaria algumas partes do veículo do ambiente, como acaba ocorrendo na cena.

Tyche: o 9° planeta do nosso sistema (?)

http://www.independent.co.uk/news/science/up-telescope-search-begins-for-giant-new-planet-2213119.html

http://gizmodo.com/#!5759865/the-mystery-of-the-giant-planet-hidden-in-our-solar-system

Ao ler esta notícia reagi com estranheza.

Isto, pois em algum ponto da faculdade ouvi falar que se Júpiter fosse um pouco maior brilharia como uma estrela (e nosso sistema solar seria um sistema binário).

Então, como um planeta 4x maior que Júpiter não seria uma estrela?

Pesquisando sobre o assunto coletei algumas informações:

- Júpiter, Sol e Tyche são compostos basicamente de hidrogênio e hélio. Elementos básicos para a fusão nuclear;

- A densidade do Sol e de Júpiter são semelhantes: 1330 kg/m³;

- A massa de Júpiter é de 1,8986×10²⁷ kg;

- O raio de Júpiter é de 71500 km;

- A massa crítica para que ocorra a fusão nuclear é cerca de 85x a massa de Júpiter.

Neste ponto, já possuímos a resposta do por que Tyche é um planeta (e por consequência, não brilha).

Pois, o que ele tem 4x a mais que Júpiter é a MASSA e não o tamanho. Logo, ele realmente não brilhará como uma estrela.

Mas mesmo assim fiquei curioso.

O quão grande um planeta deveria ser em TAMANHO para ser uma estrela?

Resolvi fazer um cálculo para responder a minha pergunta.

O cálculo é simples e parte da definição de densidade:

d = m/V

Supondo que este planeta/estrela tenha a mesma densidade de Júpiter (ou do Sol, pois são semelhantes) qual seria o RAIO (tamanho) deste?

d = 1330 kg/m³ (densidade de um planeta como Júpiter)

m = 85 x 1,8986×10²⁷ kg = 1,61381×10²⁹ kg (massa necessária para a fusão nuclear)

1330 = 1,61381×10²⁹/V

V = 1,61381×10²⁹/1330

V = 1,213×10²⁶ m³ (volume necessário para a fusão nuclear em um planeta/estrela com a densidade de Júpiter)

Agora para calcular o raio, precisamos do volume de uma esfera (forma geométrica dos planetas/estrelas).

Vesfera = 4/3 x πR³

1,213×10²⁶ = 1,333 x 3,141 R³

R³ = 2,897x10²⁵

R = 3,071x10⁸ m ou 307100 km

Como o raio de Júpiter é de 71500 km temos um planeta/estrela com

307100/71500 = 4,3 vezes o RAIO de Júpiter.

Se o raio de Júpiter fosse 4,3 vezes maior teríamos massa suficiente para iniciar a fusão de hidrogênio em hélio no seu núcleo e Júpiter seria uma estrela muito menor que o Sol, mas com um brilho considerável. Que a olho nú na superfície do nosso planeta seria bem maior que o brilho da Lua cheia.

LINKS:

http://www.astro.rug.nl/~onderwys/sterIIproject97/huisman/index.html

http://www1.ci.uc.pt/iguc/atlas/11jupiter.htm

Efeito Casimir: a energia do vácuo

Definir o que é matéria já é complicado para a física, agora imagine definir o vácuo.

Aristóteles dizia que a matéria tinha horror ao vácuo.

Isto é, nos casos onde formaríamos vácuo a matéria ocuparia todo o espaço rapidamente.

Pelo menos é o que acontece quando enchemos um copo com água e ao tirá-lo da água emborcado a água não cai.

Para Aristóteles o espaço (onde hoje concebemos como sendo formado por vácuo) haveria o éter, a quintaessência.

Torricelli, em 1643, provou a existência do vácuo, mostrando que a experiência do copo na água muda conforme a altura do copo.

Por exemplo, se o nosso copo tivesse uma altura maior que 10,3 metros (um copo meio estranho), veríamos vácuo no topo da coluna de água formada.

Vácuo seria o vazio, a ausência de matéria.

Aprendemos através da equivalência entre massa e energia de Einstein (E=mc²) que a matéria pode se tornar em energia e vise-versa.

Mas poderia existir energia no vácuo?!

O efeito Casimir mostra que sim.

Primeiramente, precisamos redefinir o vácuo para os padrões da física moderna.

Vácuo segundo a física moderna é um caldeirão fervilhante de partículas quânticas que aparecem e desaparecem no Universo.

Vácuo então é diferente de nada ou ausência de algo.

O efeito Casimir prevê que duas placas suficientemente próximas uma da outra (devido essa proximidade, ele é fundamental na microeletrônica) tendem a aproximarem-se uma da outra. Isto ocorreria devido a flutuação quântica do vácuo ao redor das placas.

A energia escura pode ter uma explicação dentro desta energia contida no vácuo.

A evaporação de buracos negros através da radiação Hawking também tem explicação na energia do vácuo.

Gosto de pensar que não aprendemos física na escola. Aprendemos o processo da construção e do pensamento científico.

Por isso, podemos passar por redefinições durante o processo de aprendizagem.

LINKS:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_do_v%C3%A1cuo

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010165060705

http://www.searadaciencia.ufc.br/tintim/fisica/pressao/tintim5-2.htm

http://www.fisicaevestibular.com.br/hidrostatica3.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Casimir_effect

Sobre ciência

Muito vejo ceticismo religioso dentro da ciência, seja por parte dos cientistas ou daqueles que a aprendem.

Não pretendo fazer um texto sobre ciência e religião, existem muitos sites para se fazer esse tipo de pesquisa. Venho apenas citar um trecho dos trabalhos de Copérnico:

No meio de todos os assentos, o Sol está no trono. Neste belíssimo

templo poderíamos nós colocar esta luminária noutra posição

melhor de onde ela iluminasse tudo ao mesmo tempo? Chamaram-lhe corretamente a Lâmpada, a Mente, o Governador do Universo;

Hermes Trimegisto chama-lhe o Deus Visível, a Electra de Sófocles

chama-lhe O que vê tudo. Assim, o Sol senta-se como num trono real

governando os seus filhos, os planetas que giram à volta dele

Nesta frase vêmos a inspiração dos trabalhos de Galileu, que viveu para mostrar como é possível que a Terra se mova ao redor do Sol.

Também vêmos a crença na qual Copérnico embasou sua teoria.

Por isso respeito a crença das pessoas, pois a ciência foi construída em cima da crença dos cientistas.

Não existe verdade na ciência.

Existe sim, teorias que são mais verdadeiras (ou aceitas) que outras.

LINKS:

http://www.if.ufrgs.br/~lang/Textos/3_episodios_Hist_Fisica_CBEF.pdf

Efeito Magnus

http://zerohora.clicrbs.com.br/zerohora/jsp/default.jsp?uf=1&local=1&newsID=a3181957.xml&channel=13&tipo=1&section=Geral

A reportagem indicada saiu na Zero Hora do dia 20/1/2011 e fala do primeiro cargueiro movido a energia eólica.

O funcionamento deste cargueiro tem como base o efeito Magnus, descrito em 1852 pelo físico alemão Heinrich Magnus, mas já havia sido previsto por Isaac Newton em 1672 ao observar partidas de tênis em Cambridge.

Mas vamos a explicação do efeito.

http://zerohora.clicrbs.com.br/pdf/10162308.pdf

O efeito Magnus funciona com base no princípio de Bernoulli que diz que:

Um aumento na velocidade do fluido implica em um decréscimo na pressão.

Vamos manter em mente o princípio de Bernoulli.

Como aumentar a velocidade de um fluido, no nosso caso o ar, em um dos lados do cilindro (como mostra a figura)?

Devido a viscosidade do fluido (no nosso caso o ar) ao tocar no cilindro em rotação o ar poderá ser arrastando (aumentando a sua velocidade) ou freado (reduzindo a sua velocidade) dependendo de qual lado de giro do cilindro o ar passa.

Uma aplicação muito conhecida do efeito Magnus é a curva que a bola de futebol pode fazer.

Que aliás, a nossa famosa jabulani tentou reduzir.

Por mais que vocês possam encontrar em sites na internet ou em livros didáticos o princípio de Bernoulli NÃO é responsável por fazer o avisão voar. Ele ajuda a estabilizar, mas não a fazê-lo voar.

O avião voa por causa da terceira lei de Newton, ou seja, o princípio da ação e reação.

O ar se choca na asa do avião e é empurrado para baixo (devido ao ângulo de ataque da asa) e a consequência é o avião ser empurrado para cima.

LINKS:

http://en.wikipedia.org/wiki/Magnus_effect

http://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli's_principle

http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/fluidos/dinamica/magnus/magnus.htm

Paradoxo dos Gêmeos

Sempre quando lembro da relatividade eu me lembro dos relógios moles de Salvador Dali.

Isto, pois o nosso conceito de tempo e espaço são modificados pela relatividade, eles deixam de ser absolutos para dependerem de quem os observa (se em movimento ou parado).

Um dos paradoxos mais famosos da relatividade é o Paradoxo dos Gêmeos.

Normalmente é apontado como insolúvel através da relatividade restrita por alguns, mas um livro (Hewitt, P. G.; Física Conceitual; Bookman) indica uma solução simples que apresentarei aqui através de uma leitura minha. Todas as imagens são do livro e não viso abusar de direitos, apenas faço uma leitura deste capítulo o qual acho muito bom. Embora tenha que fazer uma consideração, mas farei ao final do texto.

Recomendo a todos os professores de física este livro.

...

O Paradoxo (?):

Dois gêmeos idênticos sendo um deles um astronauta que faz uma viagem pela galáxia em alta velocidade enquanto o outro permanece na Terra.

Quando o gêmeo viajante retorna, ele está mais jovem do que o gêmeo que ficou na Terra.

A relatividade prevê que o tempo passará mais vagarosamente em um referencial em movimento.

Onde está o paradoxo?

Se a relatividade prevê que o tempo passará mais vagarosamente em um referencial em movimento, podemos imaginar um referencial onde a nave está parada e quem se move é a Terra em relação à nave. Neste caso, não ocorreria o contrário? Ou seja, o gêmeo astronauta ficaria mais velho (pois ficou no referencial fixo) e o outro mais novo.

Este é o nosso paradoxo.

Dissolvendo o paradoxo:

Imagine a nave parada em relação à Terra e a nave enviando um flash luminoso a cada 6 minutos. O observador da Terra verá os flashes intercalados um do outro a cada 6 minutos.

Referencial Terrestre

Agora imagenemos que a nave se movimente em relação à Terra com uma velocidade de 60% da velocidade da luz (lembrando que a velocidade da luz no vácuo é de 300.000 km/s).

Ao se afastar da Terra a esta velocidade, emitindo um flash a cada 6 minutos, o observador da Terra não verá mais intervalos de 6 minutos em cada flash, mas sim de 12 minutos.

Ao se aproximar da Terra a esta velocidade, emitindo um flash a cada 6 minutos, o observador da Terra não verá mais intervalos de 6 minutos em cada flash, mas sim de 3 minutos.

Agora imaginemos que o astronauta resolva fazer uma viagem de 2 horas. Onde 1 hora é para a ida e a outra para a volta.

Quantos flashes a nave irá emitir neste período?

Fácil, basta pegar o tempo total e dividir pelo tempo de cada flash.

120/6 = 20 flashes

Como os intervalos de ida e volta são iguais teremos 10 flashes na ida e 10 flashes na volta.

Mas o que perceberá nosso observador na Terra, que tem tempos diferentes para os flashes de ida e para os da volta?

10 flashes na ida a um intervalo de 12 minutos por flash totalizam um tempo de ida, marcado por quem está na Terra de 10x12 = 120 minutos ou 2 horas (só na ida).

10 flashes na volta a um intervalo de 3 minutos por flash totalizam um tempo de volta, marcado por quem está na Terra de 10x3 = 30 minutos (só de volta).

Qual será o tempo total da viagem, então?

Para quem estava na nave, o tempo será de 2 horas, já para quem ficou na Terra o tempo será de 2 horas e 30 minutos. Ou seja, quem ficou na Terra, nesta ocasião, terá envelhecido 30 minutos a mais do que quem está na nave.

Em uma viagem mais longa de 8 anos, registrados por quem está na nave e esta com a mesma velocidade de 60% da velocidade da luz, teremos um tempo de viagem registrado por quem fica na Terra de 10 anos.

O tempo efetivamente terá passado 10 anos para quem fica na Terra e também terá passado 8 anos para quem está na nave.

Não há paradoxo nisto, isto é previsto pela Relatividade e comprovado através de experimentos.

Referencial da nave

Nosso problema está na inversão dos papéis de quem observa o flash.

Agora quem emite os flashes é quem fica na Terra e não a nave.

Os flashes são emitidos a intervalos de 6 minutos, como antes.

Na situação (a) temos a nave se afastando da Terra. Nesta situação ela vê um flash a cada 12 minutos.

Na situação (b) temos a nave se aproximando da Terra. Nesta situação ele vê um flash a cada 3 minutos.

A base se mantém como antes. Quem está na nave viajará durante 2 horas, 1 hora de ida e outra de volta.

O diferencial agora está no número de flashes captados pela nave na ida e na volta.

Durante uma viagem de ida a nave capta 60/12 = 5 flashes.

Ou seja, durante a uma hora de viagem de ida registrada pela nave, quem está na Terra, emitindo os flashes, percebe uma viagem de ida de 5x6 = 30 minutos (pois, o intervalo de cada flash na Terra é de 6 minutos e não de 12 minutos).

Durante uma viagem de volta a nave capta 60/3 = 20 flashes.

Ou seja, durante a uma hora de viagem de volta registrada pela nave, quem está na Terra, emitindo os flashes, percebe uma viagem de volta de 20x6 = 120 minutos, ou 2 horas.

Teremos um tempo de viagem total então de 2 horas para quem está na nave e de 2 horas e 30 minutos para quem ficou na Terra.

Conclusão:

Não existe tal paradoxo, a relatividade apresenta a mesma resposta não importa o referencial adotado.

Uma coisa importante a ser notada é que conseguimos entender a relatividade com este simples exemplo, mas exite um problema.
O referencial terrestre sempre deverá ser o que tem o tempo dilatado, independente do referencial.
Mas observando a viagem só de ida, temos resultados diferentes para ambos referenciais.
Este resultado nos leva a crer que existem respostas diferentes conforme o sentido de movimento e isto não ocorre.
Aconselho a leitura dos comentários do blog, pois isto foi observado pelo professor Bezerra, o qual agradeço por esta observação.

Entropia

Entropia normalmente é associada aos sistemas termodinâmicos na física.

Ela determina o que é possível em um processo termodinâmico. Como por exemplo um gelo que derrete em um copo com água e não o contrário, ou seja, a água congelando.

Mas a abrangência deste termo vai além dos processos termodinâmicos. A Entropia está associada a probabilidades e ao caos.

De uma forma mais abrangente, a Entropia diz que "o universo tende ao caos e nunca a ordem". Mais fácil de ser visualizada na termodinâmica, onde as moléculas da água no estado líquido vibram mais do que as do gelo. Isto é desordem, isto que determina que a água não congele.

Ao organizarmos um sistema, aplicamos um trabalho, isto é, gastamos certa quantidade de energia. Já para desorganizarmos algo é tudo mais fácil, pois esta é a tendência do universo, o caos.

Ludwig Botzmann, criador da lei matemática que explica o comportamento de um gás com inúmeras partículas, suicidou-se por ser ridicularizado por seus colegas que não acreditavam em seu trabalho (além de ter outros problemas, como depressão, traíção da mulher). Hoje, Boltzmann leva em seu túmulo a equação matemática pela qual morreu. A lei da Entropia.

Infelizmente, ela não apresenta uma solução matemática aceitável, pois se trata de um sistema com infinitas partículas de um gás. Podemos resolvê-la para casos bem simples apenas.

Acredito nesta lei como sendo uma das mais fortes da física atual.

Está associada a conservação da energia. Mas, além disso, ao olharmos para o lado veremos que ela se encaixa perfeitamente para o nosso mundo onde o caos reina.

A Entropia prevê que é impossível atingir a temperatura do zero absoluto. Isto, pois o zero absoluto é a temperatura onde não exista vibração térmica, ou seja, muita organização.

A entropia então é bem abrangente. Repare esta abrangência na seguinte frase:

"A expressão "entropia sempre cresce" dá uma direção pro tempo. O tempo avança na direção em que a entropia aumenta." 

Retirado de:

http://www.entropicando.com/2008/01/entropia-quntica-tempo.html