03. Física – Estruturação como disciplina.

unidades-de-medida

Vários instrumentos de medida.

03. Estruturação da física como disciplina.

Como podemos ver pela história antiga, a mecânica foi, desde cedo, a área mais desenvolvida das ciências, embora cada assunto fosse tomado de forma independente, sem estabelecer uma relação estruturada de um conjunto de fatos e fenômenos relacionados, dependentes uns dos outros, na maioria das vezes.

Com um maior desenvolvimento das pesquisas uma vez finda a Idade Média, começou-se a perceber a existência de múltiplos entrelaçamentos dos vários fenômenos. Isso levou ao surgimento de disciplinas independentes para fins de pesquisa e ensino. Os cientistas de cada país criavam, geralmente em concordância com os governos monárquicos, as unidades que usariam para medir as grandezas envolvidas em seu trabalho.

medidas4

Unidades definidas a partir de partes do corpo humano, geralmente da pessoa do rei.

A física cedo se dividiu em Mecânica, Termologia, Ótica, Acústica, Eletricidade e Magnetismo. Ainda existia a ideia de fenômenos que não tinham grandes relações entre si. Só mais tarde ficou estabelecido ser na verdade um imenso edifício, onde tudo tem a ver com tudo. A Termologia se preocupava com os fenômenos relativos às sensações térmicas de quente e frio, depois o uso de vapor para construção de máquinas motrizes para acionar outras máquinas, tracionar veículos sobre trilhos (os trens e bondes) e múltiplas aplicações. Apenas posteriormente chegou-se à conclusão de que, a energia térmica é apenas uma forma diferente da energia mecânica. Daí vem a existência de unidades para medir quantidade de calor diferentes das unidades de energia mecânica, o que cria algumas dificuldades.

Ótica foi inicialmente estudada na sua forma geométrica, inclusive no tempo de Arquimedes. Mais tarde estabeleceu-se a relação entre a luz e as ondas eletromagnéticas, produzidas pelas interações entre campos elétricos e magnéticos.

Feita essa introdução, podemos iniciar o estudo do primeiro capítulo do conteúdo de Física, que é Mecânica.

Mecânica

Na mecânica iremos estudar como e porque os corpos se movem. Suas modificações, o estado de repouso, quando estão aparentemente imóveis. Mais adiante veremos porquê eu disse  “aparentemente imóveis”.

Não é possível estudar Física, sem medir as grandezas envolvidas nos fenômenos. Comecemos por definir o que é grandeza.

Talvez possamos ter, num primeiro momento, a impressão de tratar-se de alguma coisa necessariamente grande. O que não é o caso. O termo grandeza é empregado para designar uma propriedade mensurável de um corpo ou fenômeno, como o comprimento, largura, altura, distância entre dois pontos. Um corpo com determinado tamanho e constituído de um material específico, tem uma quantidade de massa própria. Observamos que um fenômeno pode demorar mais ou menos tempo. Temos até aqui três grandezas diferentes que podem estar ou não envolvidas em determinado fenômeno.

Essas três grandezas, comprimento (L), massa (M) e tempo (T), são denominadas grandezas fundamentais para a Mecânica. Elas não são definidas com base em relações entre duas ou mais grandezas. As demais são denominadas grandezas derivadas, podendo, portanto, ser expressas em função de outras grandezas. Apenas para exemplificar, tomemos o exemplo da velocidade de um automóvel. Ela é expressa em quilômetros por hora (km/h), ou milhas por hora (miles/h).

O conjunto de unidades fundamentais e derivadas para exprimir todas as grandezas envolvidas em um determinado capítulo da física, é denominado Sistema de Unidades. No caso descrito, dizemos que é um sistema LMT. Todo sistema LMT tem como fundamentais uma unidade estática (L), uma dinâmica (M) e uma cinemática (T). (É baseado no metro e no quilograma padrão, contidos nos Arquivos da República em Paris, e  é assim denominado utilizando a tipologia LMT – do inglês Lenght, Mass e Time, significando em português comprimento, massa e tempo – tendo como suas unidades básicas o metro, o quilograma e o segundo)(Wikipédia). Há um grupo de sistemas baseado nas unidades de origem inglesa, denominado de sistema de unidades LFT, pois tem como grandeza dinâmica a força, cuja unidade é o quilograma-força (kgf). Nesse sistema a massa é grandeza derivada e sua unidade é a Unidade Técnica de Massa (UTM), que equivale a 9,8 kg.

Resumindo:

  • Sistema LMT, da mecânica tem como grandezas
    • comprimento (L)
    • massa (
    • tempo (T)

Muito depressa as unidades definidas em cada país, tornaram-se inconvenientes por várias razões.

  • o intercâmbio entre os cientistas ficava complicado devido a inexistência de equivalência exata entre as unidades, tornando difícil a troca de informações e ocasionando divergências teóricas.
  • o intercâmbio comercial era prejudicado, especialmente as unidades de comprimento (venda de tecidos), massa (venda de minerais e alimentos).
  • a dificuldade de conversão entre elas, especialmente por parte do povo menos versado no assunto.

“Sistema métrico (Wikipédia)

Em 5 de maio de 1789Luís XVI convocou a assembleia dos estados gerais – que não ocorria desde 1614 – que desencadeou uma série de eventos que culminam na revolução francesa. Em 27 de junho do mesmo ano, a Assembleia Nacional Constituinte Francesa pediu para Academia Francesa de Ciências criar um padrão de medidas que fosse invariável, não sendo susceptível a corrupção. Em 4 de agosto, três semanas após a tomada da Bastilha, a nobreza abriu mão de seus privilégios, incluindo o direito de controlar as medidas locais.

Em 1790 foi formado pela assembleia o comitê responsável pela criação do novo padrão, tendo como integrantes Jean-Charles de BordaJoseph-Louis LagrangePierre-Simon LaplaceGaspard Monge e Nicolas de Condorcet.

matematicaconcursos010_clip_image007

Medidas de comprimento, em metros, seus múltiplos e sub-múltiplos.

sistema-metrico-decimal

Medidas de área, em m², seus múltiplos e submúltiplos.

 

 

medidas de volume

Medidas de volume, em m³, seus múltiplos e submúltiplos.

 

O sistema criado pela comissão foi definido utilizando a base decimal, onde os múltiplos de potencias de dez da unidade possuindo prefixos e tendo como unidades fundamentais metrograma e segundo, onde tais quantidades foram definidas assim:

  • O segundo sendo a unidade fundamental de tempo, valendo (1/86400) do dia solar médio.
  • O metro, unidade fundamental de comprimento, definido sendo (1/10.000.000) da distância entre o polo norte e a linha do Equador através do meridiano que passa entre Dunquerque e Barcelona.
  • O grama, unidade fundamental de massa, ficou definida como a massa de um centímetro cúbico de água a 4ºC.
unidades de massa

Unidades de massa, em gramas, seus múltiplos e submúltiplos.

 

Em 7 de abril de 1795, o governo da França revolucionária decretou que estas seriam as novas unidades base do país.

Em 22 de junho de 1799 foi depositado, nos Arquivos da República em Paris, dois protótipos de platina iridiada, que representam o metro e o quilograma, ainda hoje conservados no Bureau International des Poids et Mesures (Escritório Internacional de Pesos e Medidas) na França.

medidas de capacidade volumétrica1

Unidades de capacidade volumétrica de líquidos, em litros (l), seus múltiplos e submúltiplos.

Embora vários países tenham adotado o sistema métrico, a repetição da medição da distância entre o polo norte e o equador se mostrava extremamente trabalhosa, e copiar o metro padrão francês também não se mostrava uma boa opção, pois embora fosse possível copiar a medida, a barra padrão e as suas cópias possuíam exatamente um metro e, sendo suscetíveis a desgaste com o uso, com o tempo começaram a mostrar valores diferentes para o metro.

Platinum-Iridium_meter_bar

Barra de platina/irídio, secção transversal em X, com as marcas indicando a medida de 1m, depositado no Museu Internacional de Pesos e Medidas, Paris, França.

Para corrigir este problema, na conferência internacional de 1867 foi proposta a implementação de uma barra internacional de metro padrão que fosse mais fácil de se copiar para outros países, e que possuísse mais que um metro e com marcações indicando o tamanho de metro, com isso solucionando o problema do desgaste.

Em 20 de maio de 1875 foi assinado por 17 países a Convenção do Metro. Este tratado definiu as seguintes organizações para conduzirem as atividades internacionais relacionadas ao sistema uniforme de medidas:

  • Conférence Générale des Poids et mesures (CGPM), uma conferência intergovernamental de delegados oficiais dos países membros e da autoridade suprema para todas as ações;
  • Comité international des poids et mesures (CIPM), composta por cientistas e metrologistas, que prepara e executa as decisões da CGPM e é responsável pela supervisão do Bureau Internacional de Pesos e Medidas;
  • Bureau International des Poids et mesures (BIPM), um laboratório permanente e centro mundial da metrologia científica, as atividades que incluem o estabelecimento de normas de base e as escalas das quantidades de capital físico e manutenção dos padrões protótipo internacional.

A nova barra de internacional de metro foi adotada em 1889, utilizando 90% de platina e 10% de irídio, sendo escolhido devido a sua dureza, alto coeficiente de elasticidade e baixo coeficiente de expansão (dilatação térmica). A barra foi feita possuindo uma seção reta em forma de “X” desenvolvida pelo físico Henri Tresca a fim de minimizar os efeitos do esforço de torção durante as comparações.

Esse sistema para a mecânica era denominado MKS, iniciais de metro, quilograma, segundo. (k – prefixo quilo em qualquer unidade, significa mil).

Um outro sistema LMT coexistiu simultaneamente, tendo como unidades o centímetro (cm), o grama (g) e segundo (s). Sua sigla é CGS. O primeiro era preferido pelos engenheiros e outros usuários envolvidos em medir objetos de dimensões maiores, simplificando a escrita. Já os cientistas, frequentemente envolvidos com dimensões reduzidas, preferi am o segundo.

A integração de todos os campos da física, obrigou a definição de unidades coerentes para todas as grandezas, num momento posterior. A internacionalização do conhecimento, a industrialização presente em todos os lugares, tornou necessária a adoção de um sistema capaz de ser usado em qualquer lugar, com simbologia e linguagem idêntica, facilitando dessa maneira a leitura e interpretação das equações que relacionam as diversas grandezas. Assim surgiu na década 1950/60 o Sistema Internacional de Unidades – SI). Ele incorporou o antigo MKS e boa parte de suas unidades, além de estabelecer unidades coerentes para todas as demais grandezas. O uso e difusão já existente de algumas das antigas unidades, impede a extinção completa das mesmas, ficando sempre alguns resquícios dos antigos sistemas, especialmente do sistema Técnico Métrico inglês (LFT), além de polegada, pé, jarda, braça, milha náutica, milha terrestre, nó (velocidade dos navios) e algumas outras.

Curitiba, 05 de março de 2015 (Atualização em 27/07/2016)

Décio Adams

decioa@gmail.com

adamsdecio@gmail.com

www.facebook.com/livros.decioadams

www.facebook.com/decio.adams

@AdamsDcio

Telefone: (41) 3019-4760

Celulares: (41) 9805-0732

Uma ideia sobre “03. Física – Estruturação como disciplina.

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *