Dúvidas sobre Física

Energia: o que é?

"A energia, uma das maiores grandezas físicas, é fundamental para o desenvolvimento e comodidade do homem no mundo moderno em que vivemos.

Elementos como o Sol, a água e o petróleo fazem parte do nosso cotidiano e são fontes de energia, cujas utilizações são importantes para nossas vidas.

A energia depende da sua forma de manifestação para ser identificada, porque existem várias formas de se analisar e de se encontrar a energia."


V. mais em http://www.brasilescola.com/fisica/energia-2.htm

"Energia" em relação a quê?

A palavra "energia" pode ser usada de várias maneiras no cotidiano.

No caso específico da palavra "energia" na Física, ela é mais um "macete" matemático que deu certo do que um conceito palpável.

A primeira aparição da energia na Física nem se chamava assim, se chamava "força viva" (vis viva), [; f ;], e foi proposta por Leibniz em contrapartida à "força natural" (vis naturalis) proposta na mesma época por Newton. É claro que, no final do século XVII, a teoria do Newton era excepcionalmente boa e Leibniz não conseguiu sistematizar a força viva de maneira convincente.

[; f = m v^2 ;]

A coisa só mudou em meados do século XVIII quando Euler criou o Método Variacional, que ofereceu uma ferramenta matemática muito sofisticada para a Mecânica. Foi a partir do Método Variacional que Lagrange criou a Mecânica Analítica e os conceitos de energia potencial, [; V;] e energia cinética [; K;] (que é a metade da força viva do Leibniz):

[; K = \frac{m v^2}{2} ;]

Lagrange trabalhava com o que chamamos hoje em dia de lagrangeana, [; L ;], ou seja, a diferença entre a energia cinética e a energia potencial. No entanto, na época ainda se confundiam os termos "força" e "energia".

[; L = K - V ;]

Já no início do século XIX, Hamilton reformulou o trabalho de Lagrange a partir do que alguns professores chamam de energia mecânica, e que na Física é mais conhecida como hamiltoniana, [; H ;] que consiste na soma entre energia mecânica e energia potencial. Ele também definiu o conceito de ação na forma que conhecemos hoje e propôs o Princípio da Mínima Ação.

[; H = K + V ;]

Nessa altura, energia era apenas um conceito matemático exclusivo da Mecânica. A coisa só começou a mudar quando Joule, por volta de 1840, entendeu a transformação de energia cinética, [; K;] em calor, [; Q;], e isso permitiu que Clausius definisse a 1ª Lei da Termodinâmica, ou seja, a transformação do calor em energia cinética e em energia interna, [; U ;], que depende da temperatura:

[; Q = \Delta K + \Delta V ;]

Foi Coreolis quem definiu da maneira atual o conceito de trabalho mecânico de uma força, [; W ;], e a relação entre trabalho e energia cinética por volta de 1860:

[; W = \Delta K ;]

Finalmente, o conceito de energia se estabeleceu no final do século XIX com o lema:"Energia é a capacidade de gerar trabalho mecânico", com as propriedade de ser uma grandeza capaz de se transformar de um tipo para outro (potencial, cinética, calor, química e etc.) e de se conservar segundo a 1ª Lei da Termodinâmica!

O sucesso do conceito de energia gerou uma corrente filosófica no final do século XIX chamada de "energiticismo", que previa que o Universo era feito somente de um continum de energia. Essa corrente filosófica se opunha ao "atomismo", que acabou prevalecendo com a prova da existência dos átomos no início do século XX.

É interessante notar que a relação de Einstein:

[; E = m c^2 ;],

não significa uma volta ao energiticismo, mas uma relação entre os conceitos de energia e matéria. Tanto é que isso permitiu que ele criasse o conceito de "quanta de luz", a partícula de luz, que mais tarde recebeu o nome de fóton.

Bom, o conceito de energia é muito abstrato e não é trivial de se entender. Sinceramente, acho que só se compreende na prática (fazendo muito exercício).

Sugiro que você pegue algum livro de Física do Ensino Médio e faça os exercícios de:

1) Trabalho de uma força
2) Energia Cinética
3) Energia Potencial
4) Calorimetria
5) Primeira Lei da Termodinâmica

Outra dúvida.

O que seria física quântica?

Gostaria de saber, alguém poderia me explicar?

Mecânica quântica é a área da física que trata dos sistemas onde os fenômenos chamados "quânticos" são relevantes. Este tipo de sistema existe quase que exclusivamente à escala atômica onde a mecânica Newtoniana e Einsteiniana não conseguem mais ter resultados satisfatórios. Esses fenômenos estão ligados às partículas elementares e suas propriedades. A física quântica explica os fenômenos que ocorrem com essas partículas elementares [divididos em bosons {spins inteiros} e fermions {spins fracionados}] e as interações elementares (força eletromagnética, força nuclear forte e força nuclear fraca [ainda não existe uma solução para a gravidade dentro da física quântica][as interações são entre os fermions mediadas pelos bosons]).

A física quântica consegue explicar precisamente os fenômenos que ocorrem à escala atômica, mas seus resultados são insignificantes quando se trata de escala macroscópica. Nas escalas macroscópicas a mecânica Newtoniana e Einsteiniana conseguem explicar os fenômenos com grande precisão.

Mecânica quântica ?

A Mecânica Quântica - ou Teoria Quântica - é o ramo da física que se ocupa de dar explicação às situações em que os efeitos de ordem microscópica não podem ser desprezados. A mecânica quântica é incompatível com alguns conceitos usuais da mecânica clássica, tais como o conceito de trajetória. Na maioria das vezes, ela é utilizada como uma ferramenta de estudo dos fenômenos atômicos e sub-atômicos. Entretanto, há também "efeitos quânticos" que ocorrem em escala macroscópica – como é o caso da supercondutividade e da superfluidez.

A mecânica quântica recebe esse nome por prever um fenômeno bastante conhecido dos físicos: a quantização. No caso dos estados ligados (por exemplo, um elétron orbitando em torno de um núcleo positivo) a Mecânica Quântica prevê que a energia (do elétron) deve ser quantizada. Este fenômeno é completamente alheio ao que prevê a teoria clássica.

Ajuda! Transformações de Lorentz

Refiro-me ao:
x'= γ (x- vt)
t'= γ (t- v/c² . x)

Eu tentei comparar um observador inercial com a velocidade da luz, mas x' e t' deram 1/0. Eu fiz alguma coisa errada ou o tempo e a distância são realmente esses? Se são, o que eles representam? x' irreal para mim quer dizer que a distância percorrida pela luz em qualquer intervalo de tempo é irreal, o que não é verdade. Então eu fiquei zureta!!!

Não há erro...

As transformações de Lorentz no limite na qual a velocidade tende a c resulta na dilatação infinita do tempo e na contração infinita do espaço. A contração infinita do espaço é porque não se pode medir o comprimento de algo em movimento, então consideramos que delta x é contraído a zero para todo x', fixo.
Isso significa que o tempo para o referencial em movimento é estático, pois o intervalo temporal tende a infinito, e o comprimento do referencial em repouso visto do em movimento é condensado num ponto.
A interpretação física disso é que, na velocidade da luz e considerando 2 eventos em posições diferentes e em tempos iguais, o referencial em movimento receberia a luz de um dos eventos e jamais receberia a do outro, já que a luz nunca vai alcançar esse referencial que se move na mesma velocidade que ela.

Eu acho que estou interpretando erradamente algum termo da equação, porque eu tentei comparar um referencial parado com um referencial em movimento na velocidade da luz, do ponto de vista desse referencial parado. Então, v, x e t se referem a quem?

Convenções...

Por questão de costume chamamos o referencial em repouso de S e o em movimento de S'. Dessa forma, x e t estão associados a S e x' e t' estão associados a S'. E o v é a velocidade com que se move o S' em relação a S.

Mas existe uma forma de não se perder caso uma pessoa use uma notação diferente do usual, e não explique o que está usando. É uma característica das transformações de Lorentz que a transformada do referencial em repouso para para o em movimento seja do tipo a - b, e a transformada inversa é do tipo a + b. Como ele escreveu x' = ax - bt, presumi que o que ele chamou de S' é o referencial em movimento e de S o em repouso.

Então tava tudo certo... o que deu errado? Eu sei que a conta deu certo, mas o meu raciocínio não. Eu usei um referencial parado e um na velocidade da luz, depois de um segundo de eles se separarem. O x' deveria ser 300.000.000 metros, e não 1/0!! Será que eu atribui valores errados? (atribui v=c, x=0 e t=1)

Se eu fosse seu professor... daria 0!!! ahuahauhau
1 segundo em que referencial? Só se for no em repouso...
300.000.000 metros porque? O x' é indefinido, a menos que você fixe ele como dado conhecido. O tamanho do intervalo temporal não vai importar, porque o fator de Lorentz vai a infinito. Assim, o resultado para x é no limite igual a zero, e não faz sentido encontrar um valor para x'.

Eu não to tirando você, não me leve a mal... mas de fato se você fizesse isso numa prova o professor não teria dó nem piedade... rs

O x' menos x (que defini como zero), não deveria dar a distância que a luz percorre em um segundo (do ponto de vista do referencial "parado")?

Muita hora nessa calma... rs

O x não pode ser subtraído do x' porque eles são coisas diferentes...

Provavelmente vocês ainda não estudaram Álgebra Linear, então terei que dar alguns conceitos básicos... Transformação Linear é um operador matemático que associa membros de um espaço vetorial a outros de outro espaço vetorial. Um espaço vetorial é qualquer conjunto que funcione de forma análoga ao Espaço Euclidiano, ou o espaço tridimensional que vocês conhecem. Uma transformação linear é chamada injetora se ela for "um a um", ou seja, relaciona um único número do domínio a apenas um número do outro espaço, e se esse último for igual à imagem, então também é considerada sobrejetora. Transformações injetoras e sobrejetoras ao mesmo tempo são chamadas de funções.
No caso particular das Transformações de Lorentz, a intenção é encontrar uma transformação que convertesse as bases do espaço vetorial em repouso, S, para as bases do espaço vetorial em movimento, S'. Bases são vetores que não são múltiplos um dos outros e que geram o espaço vetorial. O número de bases indica a dimensão desse espaço. Por exemplo, o Espaço Euclidiano tem 3 dimensões porque ele é gerado por três bases distintas e não múltiplas, como os vetores cartesianos (1,0,0), (0,1,0) e (0,0,1).
Então, para os Espaços Minkowskyano, ou do espaço-tempo inercial, as bases são 4. Para o espaço do referencial em repouso, as bases são os vetores: x, y, z e t. Já para o em movimento as bases são x', y', z' e t'.
As Transformações de Lorentz associam a cada base de S' uma combinação das bases de S. Assim, temos x' = at + bx + cy + dz, por exemplo. a, b, c, d são valores reais que tornam a igualdade válida.
Como, para facilitar, consideramos os cálculos para uma dimensão espacial e consideramos as outras iguais (isso significa que escolhemos um referencial tal que o movimento de S' se dê apenas na direção x, de S). Temos a transformação do jeito que você apresentou acima.

Agora respondendo a pergunta...

Assim, x' representa o "tamanho" que o movimento vai ter visto no S' dependendo do valor de x e t no S. Vocês estão acostumados com a Relatividade Galileano que diz que x' = x - vt, dessa forma o |x'| deveria ser 300.000.000 metros, para tempo de 1 segundo e x igual a zero. Mas agora existe o Fator de Lorentz que faz o valor crescer para infinito. Volto a lembrar que, como não faz sentido físico medir o comprimento de um corpo em movimento, devemos considerar x' fixo no S' e passar o Fator de Lorentz dividindo para o outro membro da igualdade, dessa forma chegamos que, independente de x', o x será visto como zero.

x' = (1/sqrt(1-(v/c)*(v/c)))*(x - vt), x = 0 e t = 1s.

300.000.000 = (1/sqrt(1-(v/c)*(v/c))*(0 - v)
300.000.000*sqrt(1-(v/c)*(v/c)) = -v
3^16 - 3^16*(v/c)*(v/c) = v*v
3^16 = v*v*(1 + (3^16)/(c*c))
v = 3^8/sqrt(1 + (3^16)/(c*c))
v = 2,12^8 m/s
ou
v = 0,71c

A velocidade necessária para fazer x' igual a 3^8 metros é 71% da velocidade da luz, para x = 0 e t = 1 segundo.

Sim, no referencial em "repouso" ela percorre 300.000Km a casa segundo, mas no seu próprio referencial a coisa muda, não importa o seu tamanho em S', mas o que ela vai ver é todo o Universo aglutinado num ponto e seu tempo será parado. Para que um x' de 300.000Km seja equivalente a um x igual a zero e um t igual a 1 segundo, você tem que estar se movendo à velocidade de 71% da luz, aproximadamente. Não sei se você entendeu, mas isso realmente não é trivial.

1) A velocidade é invariante para qualquer referencial inercial, é por isso que o tempo e o espaço se distorcem, para que a velocidade se mantenha sempre constante.

2) O x é apenas um ponto de referência arbitrário. Se você começa seu movimento no -10 metros ou no +10 metros não muita diferença quado o assunto é deslocamento, e definir esse ponto de referencia como zero facilita os cálculos... rs

O que você não está entendendo é que para cada referencial inercial o tempo e o espaço se alteram segundo sua velocidade. Isso acontece porque a luz sempre tem a mesma velocidade, ou seja, se você se desloca a 71% de c, a luz emitida vai ser invariantemente na velocidade da luz, o que é uma contradição à relatividade Galileana. Pela relatividade de Galileu, se você está viajando dentro de um carro e atira uma pedra para frente, a velocidade da pedra é a velocidade do carro mais a velocidade do arremesso. Com o exemplo da luz, se você se deslocasse a 71% de c e ela fosse emitida com c de velocidade, a velocidade dela deveria ser 171% de c pela relatividade clássica. O que se descobriu com o experimento de Michelson-Morley é que isso não acontece porque sempre a velocidade da luz será c.
Isso quer dizer o seguinte, para se manter uma velocidade constante o espaço tem que ser dilatado ao mesmo grau que o tempo for dilatado. No caso de um referencial em repouso, a velocidade da luz é 300.000Km/s porque o espaço é 300.000Km e num tempo de 1 segundo. Se você tiver uma velocidade de 71% da velocidade da luz, em vez de você demorar 1 segundo para percorrer 300.000Km, você vai demorar 1,41 segundos para isso.

Everett X Copenhaguistas

O polêmico, mas irredutível Everett morreu faz tempo. Jovem ainda, com 51 anos em 1982.
Em 1956 sua tese de doutorado, estranha para a época foi rejeitada. Só foi aceita depois de reescrita e resumida totalmente contra seu o que pensava. Mas, contrariado, tornou-se doutor. Bohr, reconhecido mestre em física era um dos que não aceitaram a teoria de Everett.
Hoje, três décadas após sua morte, muitos discutem se ele tinha razão ou não.
Afinal, a interpretação de Copenhague resume que, de acordo com Bohr, que "quando um instrumento clássico mede um estado de superposição de uma partícula faz com que a função de onda quântica colapse em uma das alternativas, seja ela A ou B sendo que valerá A ou B desaparecendo a outra ( ou as outras) completamente. Só que as equações ainda não explicam o por que dese colapso ocorrer (e o colapso é adicionado como postulado à parte).

Para o Everett, obedecendo as equações e os princípios da mecânica quântica, e juntando tudo num só sistema quântico, ou seja, instrumento e pessoas (observador) tais superposições são reais e ocorrem não só no microcosmo quântico mas, também, no macrocosmo (o chamado clássico), sem que o percebamos e fazendo existir o universo que se ramifica em vários braços de acordo com cada instante da superposição de algo ali. E em cada instante estaria uma cópia do observador constatando aquela superposição, isto é: "nós seríamos vários!".

O muito intuitivo e perspicaz Everett tinha uma imaginação e inteligencia fantástica, todavia, era dado a bebericar um pouco (coisa comum entre nós humanos). Sem fazer piada, quem bebe, dizem os entendidos, às vezes vem coisas "duplicadas". E ele mesmo disse que teve a ideia dos variados mundos após uns goles de xerês, o que nada tem de demérito porque ele teorizou tudo baseado matematicamente.

O fato é que hoje muitos físicos estão redescobrindo e pesquisando a superposição à maneira do Everett.

Como está a coisa hoje, pró Everett ou pró Copenhaguistas?

Física clássica - Física quântica

As grandes revoluções científicas ocorreram em função do estabelecimento de um novo espaço conceitual, ou seja, o objeto de estudo passa a ser representado dentro de um novo espaço de conceitos, que pode ser explorado de maneira diferente do espaço conceitual anterior, permitindo alcançar compreensões impossíveis de serem alcançadas no espaço anterior...Dito isto, cabe dizer que a Física quântica constituiu uma revolução justamente neste sentido.

Como podemos descrever o espaço conceitual de ambas as perspectivas?

Existe um isomorfismo entre as perspectivas? Ou seja, é possível determinar um alinhamento de estrutura conceitual em que conceitos e concepções (ou grupos estruturados de) de um possam ser mapeados para conceitos e concepções (ou grupos estruturados de)? Caso não, que conceitos/concepções (ou sub-grupos estruturados de) de uma não podem ser elaborados dentro da outra?

O que, exatamente, a Física Quântica permitiu compreender de forma mais adequada, em relação à Física clássica?

Só pra dar um exemplo bem prático, esses computadores que estamos usando para nos comunicarmos (e também diversos equipamentos que se encontram na rota entre a origem e o destino de nossas mensagens) são baseados em transistores, que são dispositivos que jamais funcionariam num universo clássico.

A Física Quântica trouxe avanços na compreensão da estrutura atômica que foram fundamentais para o desenvolvimento da tecnologia atual.

Agora... em termos filosóficos, no que se refere a, digamos, compreensão da realidade... aí o buraco é mais embaixo... na minha opinião, o que houve foi mais uma DESCONSTRUÇÃO da compreensão equivocada que existia anteriormente a respeito da realidade... uma série de conceitos antes dados como certos caíram por terra, descobriu-se que a natureza joga dados, que o que parece onda às vezes se comporta como partícula e vice-versa, que o que parece sólido na verdade não é, que não existem "objetos", etc. ...

... mas infelizmente (ou felizmente) não houve uma nova construção de realidade, em lugar da anterior, que pareça clara e nítida... a mecânica quântica possui um grande número de diferentes interpretações filosóficas, dá margem a diversos mal-entendidos e até mesmo a exploração por místicos, pseudocientistas, pseudoterapeutas, etc.

Eu diria que, em termos de ciência e tecnologia, foi um avanço enorme... em termos de filosofia, é claro que houve avanços (afinal desconstruir equívocos não deixa de ser avanço)... mas não um avanço de substituição de paradigma, apenas um avanço de desconstrução.

A física quântica não invalidou a física clássica.

Somente explicou o que a física clássica não conseguia. Não há mudança de paradigma, somente a descoberta de novos limites de aplicação.

Thomas Kuhn estava errado. Popper estava certo.

Pelo menos por enquanto.