04/08/2011

As Quatro Forças Básicas Da Natureza

Atualmente, podemos reduzir todos os tipos de forças conhecidas a apenas quatro tipos de interações fundamentais e destas, as forças derivadas. Podemos descrever: as Interações Gravitacionais, Interações Eletromagnéticas, Interações Fortes e as Interações Fracas.

1 – Interações Gravitacionais

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[Sistema Solar: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_sys.jpg]

A lei da força mais antiga conhecida é a Lei de Newton da Gravitação Universal, que exprime as forças de interação gravitacional entre duas partículas 1 e 2, com massas iguais a m1 e m2 respectivamente, cujo deslocamento relativo é r12:

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Onde:

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Desta forma, a equação (1) diz que a magnitude da força gravitacional é proporcional à massa de cada uma das partículas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. A força está dirigida ao longo da reta que passa pelas duas partículas e é atrativa, ou seja, a força F2(1) exercida por 1 sobre 2 está dirigida para 1, em sentido oposto ao vetor r12: daí o sinal negativo na equação (1).

A constante de proporcionalidade G é uma “constante Universal”, denominada por Constante Gravitacional e seu valor numérico em unidades no SI é:

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Isto quer dizer que a força de atração gravitacional entre duas partículas de massas de 1kg à distância de 1m é e 6,67 x 10– 11 N, ou seja, é de aproximadamente 10– 5 vezes o peso de um fio de cabelo! Isto mostra como é fraca a interação gravitacional: é a mais fraca de todas as interações fundamentais conhecidas.

Mas apesar de ser tão fraca, é a mais importante interação nas aplicações astronômicas, devido às seguintes razões:

a) Continua atuando entre corpos eletricamente neutros, ou seja, que contém igual quantidade de carga elétrica positiva e negativa, eliminando as interações de origem elétrica entre eles;

b) Ao contrário das forças elétricas, a interação gravitacional é sempre atrativa;

c) As massas dos corpos que interagem, na escala astronômica, são extremamente grandes.

2 – Interações Eletromagnéticas

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[Força eletromagnética: http://osfundamentosdafisica.blogspot.com]

Embora as forças elétricas já fossem conhecidas desde a antiguidade, a lei de forças entre duas partículas carregadas em repouso só foi obtida em 1785 por Coulomb. Para duas partículas de cargas elétricas q1 e q2 com deslocamento relativo r12, a lei de Coulomb dá:

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Embora a analogia com a equação (1) seja grande, a carga, ao contrário da massa, pode ser positiva ou negativa. A constante k é positiva, de modo que duas cargas de sinais contrários se atraem:

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ao passo que cargas de mesmo sinal se repelem:

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No SI, a unidade de carga elétrica é o Coulomb [C]. Uma corrente de 1A num fio corresponde à passagem de 1C por segundo através da secção transversal do fio. Nestas unidades, a constante k é dada por:

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Assim, a magnitude da força elétrica entre duas cargas de 1C à distância de 1m entre si é de 9 x 109N, que corresponde ao peso de 9 x 108kg. Isto dá uma idéia de quão mais forte é a interação elétrica em confronto com a gravitacional. Como a carga do elétron é de 1,6 x 10– 19C (igual e contrária ao próton), um corpo macroscópico contém em seus átomos uma carga total negativa de pelo menos alguns milhares de C, mas ela é neutralizada por uma carga positiva igual e contrária, e é por isso que os efeitos da força elétrica não se fazem sentir, neste caso.

Quando uma partícula carregada se move num campo magnético, atua sobre ela uma força conhecida como força de Lorentz (forças desse tipo que atuam sobre um fio que transporta uma corrente elétrica situada num campo magnético, fazendo girar um motor, por exemplo). A força de Lorentz é proporcional à velocidade da partícula, mas sua direção é perpendicular à de v. Como uma partícula carregada em movimento também produz um campo magnético existem forças de interação tanto elétricas como magnéticas entre duas cargas em movimento qualquer. Estas forças eletromagnéticas, que são bastante complicadas, não obedecem em geral à 3ª lei de Newton, ou seja, neste caso:

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Entretanto, o princípio da conservação do momento permanece válido, embora sob um forma consideravelmente generalizada: o sistema considerado em geral emite radiação eletromagnética, e é preciso levar em conta que a radiação também transporta momento.

Embora as forças elétrica e magnética apareçam de forma bastante diferente na discussão acima, a teoria da relatividade restrita mostra que se trata na realidade de aspectos diferentes da mesma força, que poderíamos chamar de força eletromagnética.

3 – Interações Fortes

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[Núcleo atômico: http://blogdafisica4.zip.net/arch2009-08-30_2009-09-05.html]

Estas são as interações responsáveis pelas forças nucleares. Um núcleo atômico é formado de prótons e nêutrons, localizados numa região cujas dimensões são da ordem de 1F = 10– 15m. A força de repulsão coulombiana entre prótons à distâncias tão pequenas é muito grande. Apesar disso, temos não somente núcleos estáveis, mas sabemos que é preciso bombardeá-los com partículas de energias elevadas para fragmentá-los. Estes fatos já conduzem a algumas das características das interações fortes: são de intensidade ainda bem maior que as interações eletromagnéticas – de fato, são as mais intensas conhecidas – mas, ao mesmo tempo, tem um alcance extremamente curto, da ordem de dimensões nucleares.

As interações fortes somente atuam entre as “partículas elementares” conhecidas como hádrons, que possuem “carga hadrônica” (da mesma forma que interações eletromagnéticas atuam entre partículas com carga elétrica). Os hádrons compreendem os bárions, entre os quais figuram os núcleons (nêutron e próton), bem como outras partículas mais pesadas, e também partículas mais leves chamadas de mésons. Muitas destas partículas são instáveis, desintegrando-se espontaneamente em outras, com meias-vidas extremamente curtas, geralmente menores que 10– 8s.

As forças nucleares que resultam das interações fortes são muito complexas: tem caráter atrativo para distâncias maiores que 0,4F e repulsivo para distâncias menores. Seu decréscimo com a distância é extremamente rápido, caem exponencialmente a distâncias maiores que as dimensões nucleares. Os fenômenos que ocorrem na escala nuclear só podem ser tratados pela mecânica quântica, em que o próprio conceito de força perde boa parte de sua aplicabilidade.

Nas últimas décadas, bárions e mésons passaram a ser analisados em termos de constituintes mais elementares, os quarks, interagindo com partículas chamadas gluons. Desenvolveu-se o modelo padrão da física de partículas, cujas predições concordam com os fatos experimentais conhecidos até agora nessa área.

4 – Interações Fracas

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[Desintegração beta: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Beta-minus_Decay.svg]

As interações fracas, como as fortes, atuam somente na escala nuclear. Seu alcance é ainda menor que o das interações fortes. Entretanto, sua intensidade é muito menor, não apenas a das interações fortes, mas também do que a das eletromagnéticas, situando-se num nível intermediário entre as eletromagnéticas e as gravitacionais. As interações fracas são responsáveis pelo processo de desintegração beta, a emissão de elétrons pelos núcleos de certas substâncias radioativas.

Em 1956, foi descoberto que as interações fracas violam o que se acreditava ser uma simetria fundamental das leis físicas, a conservação da paridade (associada com simetria entre direita e esquerda, ou para reflexão num espelho). Como as interações fortes, as interações fracas também só podem ser tratadas pela mecânica quântica.

Entre os progressos recentes mais interessantes nas teorias das interações fundamentais, destacam-se as tentativas de unificação dessas interações. Uma das mais bem sucedidas é a da teoria unificada das interações eletromagnéticas e fracas, segundo a qual elas representam aspectos diferentes de uma mesma interação fundamental. Está-se procurando juntar a esta teoria unificada também as interações fortes. Um desenvolvimento ainda mais recente, que ainda tem caráter especulativo, unificaria todas as interações juntando também a gravidade, são as teorias chamadas de supercordas. Todas estas teorias encontram-se em fase de rápido desenvolvimento.

Referências:

[1] Curso de Física Básica V1 – Mecânica – H. Moysés Nessenzveig


Veja mais:

As Leis de Newton
Definição de Notação Científica
A Gravitação Universal Além do Sistema Solar

2 comentários:

  1. Muito bem, Kleber.

    Um bom resumo das forças, que como você disse corretamente, podem ser de 4 tipos, ou 3, visto que hoje já suspeita-se mesmo, de acordo com a Teoria de Glashow-Weinberg-Salam, que as interações fraca e eletromagnética são manifestações diferentes de uma única força, que seria a força eletrofraca.
    Antigamente a interação entre dois prótons era entendida como sendo apenas entre duas partículas. Hoje, sabendo que os prótons são compostos por 3 quarks. Veja então que a interação entre dois prótons é, na verdade, uma interação entre 6 quarks que trocam gluons a todo momento. Sabendo-se que existem 8 tipos de gluons, dá pra ver como fica complicado estudar todas elas.

    Gostei do post.
    Parabéns.

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  2. Olá Jairo,
    Agradeço seu comentário de físico neste post. Apesar de gostar muito de Física, meus conhecimentos são básicos, o que pode às vezes deixar de levar um post a um tratamento mais específico. Bem, mas para compensar isso, temos seus comentários que trazem informaçoes adicionais interessantíssimas!
    Este livro que usei de referência do Nussenzveig é excepcional. Cada vez que leio alguma parte, entendo um pouco melhor e aprendo um pouco mais.
    Agradeço novamente. Um forte abraço!

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