Introdução à Física

Física é a ciência que estuda a natureza em seus aspectos mais gerais. O termo vem do grego φύσις (physiké), que significa natureza. É uma Ciência Exata.Entretanto, outras ciências também o fazem: a Química, a Biologia, a Geologia, a Economia (ainda que seja a natureza humana), etc. Como definir a área de atuação de cada uma delas? Esta é uma pergunta difícil, sem resposta consensual. Ainda mais quando áreas interdisciplinares aparecem aos montes: Físico-Química, Biofísica, Geofísica, Econofísica, etc.Alguns dizem que físicos estão interessados em determinar a natureza do espaço, do tempo, da matéria, da energia e das suas interações. Esta definição excluiria certas áreas mais novas da física que trabalham com a biologia, por exemplo.Outros dizem que Física é a única ciência fundamental e que estas divisões são artificiais, ainda que tenham utilidade prática. Seu argumento é simples: a Física descreve a dinâmica e configuração das partículas fundamentais do universo. O universo é tudo que existe e é composto destas partículas. Então todos os fenômenos, eventualmente abordados em outras ciências, poderiam ser explicados em termos da física destas partículas. Seria como dizer que todos os resultados das outras ciências podem ser derivados em bases físicas. Isso já acontece com explicações de fenômenos antes demonstrados pela Química e hoje explicados pela Física (Veja Química Quântica). Entretanto, ainda não é muito fácil explicar a grande maioria dos fenômenos de outros ramos da ciência, pois isto envolve campos ainda não explorados e uma matemática muito elaborada.Há os que argumentam que as divisões da ciência têm origem social e histórica e que definições de física são forjadas para tentar reunir todas as pessoas que são aceitas como físicos pela sociedade.

1.0 Prefácio

1.1 Introdução a Física

A Física é a ciência que estuda a natureza, através dos componentes fundamentais do Universo, as forças que eles exercem e os resultados destas forças.

1.2 Conceito introdutórios

A metrologia é a ciência que estuda as medidas. Suas teorias são constantemente utilizadas pela física. Uma medida nunca está totalmente certa, pode ocorrer erros de medidas e variações de valor. As medidas são mais eficientes quando a precisão é maior.- Definição de Unidade de MedidaToda unidade de medida tem uma definição. As primeiras unidades criadas, eram definidas como o tamanho do pé do governante, o volume dos jarros, a posição solar, entre outros. Essas unidades constantemente provocavam confusão, pois cada povo tinha suas próprias unidades. No século XX, o mundo começou a ter suas unidades padronizadas. Além disso, cada unidade teria uma ou mais letras designatórias. Em 1960, foi criado o sistema métrico, que fazia com que cada unidade padrão, tivesse unidades derivadas para cada grandeza. Hoje, em exceção a poucos países como os Estados Unidos, todos os demais países possuem as mesmas unidades de medida.- Unidades FundamentaisAs unidades-padrão, são as do sistema internacional de unidades (SI). Existem outras unidades mundialmente conhecidas, mas que para se realizar um cálculo com determinada grandeza, é necessário convertê-las. Abaixo, veja algumas unidades de medida convencionais:GrandezaUnidade SIOutras unidadesMassa (m)quilograma (kg)libra (lb), arroba (CD), quilate (carat), onça (oz), dalton (Da), etc.Tempo (t)segundo (s)minuto (min), hora (h), dia, mês, bimestre, ano, década, século, milênio, etc.Distância (d)/ Deslocamento (S)metro (m)jardas (yd), pés (ft), polegadas (in), ano-luz (ly), parsec (pc), unidade astronômica (UA), etc.Temperatura (T)kelvin (°K)celcius (°C), fahrenheit (°F), reaumur (°R), rankine (°Ra), etc.Corrente elétricaampère (A)- Unidades de Grandezas DerivadasUma unidade de grandezas derivadas, é aquela que é formada, geralmente pela divisão ou multiplicação de unidades de outras grandezas. Na leitura dessas undades, não se lê o sinal de multiplicação, enquanto que o de divisão é lido por. Exemplo:km/h (distância dividida pelo tempo): quilômetros por hora.Veja na tabela abaixo, alguns exemplos destas grandezas. Obs.: a letra grega delta () representa a diferença de dados finais e iniciais.GrandezaFormaçãoUnidade SIOutras unidadesVelocidade (v)m/sAceleração (a)m/s²Força (F)newton (N)quilogramaforça (kgf), quilopound (kip), libraforça (lbf), etc.Energia (E)/Trabalho ()joule (j)caloria (cal), elétron-volt (eV), erg, etc.Potência (P)watt (w)Área (A)variávelm²Volume (V)variávelm³litro (L), etc.Pressão ()pascal (Pa)atmosfera (atm), metros de coluna de água (mca),milímetros de mercúrio (mmHg), bar, pieze (pz), etc.Densidade ()kg/m³

- Unidades Derivadas de outrasPode-se criar novas unidades de medida anexando-se um prefixo antes da palavra. Estes são:PrefixoMultiplicadorExemploquilo-1000Quilograma (kg)hecto-100Hectolitro (hL)deca-10Decâmetro (dam)deci-0,1Decigrama (dg)centi-0,01Centímetro (cm)mili-0,001Mililitro (mL)

1.3 Conversão de Unidades- Instrumento de MedidaO instrumento de medida é todo e qualquer objeto que possa ser utilizado para medir alguma medida. Ex.: o velocímetro é um instrumento de medida que mede a velocidade; o termômetro é um instrumento de medida que mede a temperatura; a balança é um instrumento de medida que mede a massa dos corpos; o dinamômetro é um instrumento de medida que mede o peso dos corpos; etc.- ConstantesUma constante é um valor representado por uma letra. Algumas delas se alteram de acordo com o caso. A constante elástica, por exemplo, é dada pelo material que um componente elático é feito.Existem constantes que nunca se alteram, e estas geralmente não são números inteiros. Veja abaixo, alguns exemplos de constantes utilizada na física: Constante de Avogrado:  Constante de Boltzmann  Constante dos gases reais:  Constante gravitacional:  - Erros de medidaComo existem muitas constantes que não são representadas por números inteiros, o resultado obtido num cálculo com uma delas nunca será exatamente correto.- Notação Científica em Exercícios

1.4 Grandezas FísicasVetores (ou vectores) são usados, em física, para representar grandezas que possuem uma magnitude, uma direção e um sentido.Por exemplo, a quantidade de matéria de um corpo (a massa) é uma grandeza que possui apenas magnitude, portanto não é uma grandeza vetorial (diz-se que é uma grandeza escalar).Por outro lado, a velocidade de um corpo, para ser completamente caracterizada, deve ser dada por uma magnitude, uma direção e um sentido.Isto pode ser visto assim: Uma colisão a 5 km/h é bem diferente de uma colisão a 100 km/h Um avião que se move a 300 km/h horizontalmente é diferente de um avião que se move a 300 km/h verticalmente Uma bala que segue uma trajetória linear em que esta reta passa pela minha cabeça, mas que se afasta de mim é diferente de uma bala que está vindo para mim (em linguagem popular, diz-se "vindo em minha direção"; em física, o correto é dizer "vindo no meu sentido"). 1.5 RepresentaçãoAbaixo, temos uma lista das representações de grandezas geralmente utilizadas na física:Grandeza representadaRepresentaçãoUnidade padrão (SI)Aceleração Aceleração gravitacional Altura AmplitudeÂngulo ,  ou  Área Calor Calor específico Calor latente Campo elétrico Campo magnético Capacidade térmica Capacitância Carga do elétron Carga elétrica Coeficiente de atrito Coeficiente de dilatação linear Coeficiente de dilatação superficial Coeficiente de de dilatação volumétrica Comprimento Comprimento de onda Condutância elétrica Condutividade elétrica Constante de BoltzmannConstante de Couloumb Constante de gravitação universal Constante de Planck Constante dos gases reais Constante elástica Corrente elétrica Densidade Deslocamento Diâmetro Diferença Distância Energia Energia interna FaseFluxo magnético Força Força normal Força peso FrequênciaFrequência angular Impulso IndutânciaLado Massa Massa específica Massa estrelar Massa inercial Número de AvogradoNúmero de ondaPermeablidade magnética Peso específico Pi radiano Potência Pressão Quantidade de matéria Quantidade de movimento Raio Rendimento Resistência elétrica Temperatura Temperatura absoluta Tempo Trabalho Velocidade Velocidade da luz Velocidade do som Volume

1.6 VetoresEste texto tem por objetivo estudar vetores para sua aplicação a problemas de física elementar. Uma abordagem no contexto da matemática elementar pode ser vista no texto Matemática elementar/Geometria analítica. vetor ligando os pontos A e B. Vetores são objetos matemáticos, que para serem devidamente caracterizados, deve-se conhecer seu módulo, direção e sentido. O deslocamento de uma partícula de um ponto A até um ponto B é um exemplo de vetor. Seu módulo é dado pela distância entre os pontos A e B, sua direção é a reta que liga esses dois pontos e seu sentido é do ponto A até o ponto B. Deve-se observar que o vetor deslocamento não conserva qualquer outra informação sobre a trajetória da partícula.Muitas grandezas da física são vetores como força, velocidade e deslocamento.

Nova página