Quatro Forças que Definem as Leis do Universo

Forças Fundamentais da Natureza

Unificação das forças é possível?

Existem diversos fenômenos físicos que percebemos ao nosso redor. 

Percebemos diversas forças agindo no nosso dia a dia, para tudo tem explicações que são estudadas a séculos, milênios...E perguntas que não querem calar: 

O que rege o universo? 

Que forças são as mais importantes?

Existem quatro forças fundamentais na natureza:

São elas Força Gravitacional, Força Eletromagnética, Força Fraca e Força Forte.

Vamos detalhar cada uma delas e tentar explicar de forma compreensível para todos.

A primeira, já que o blog trata de Astronomia, vamos começar falando da Força Gravitacional:

Força Gravitacional

Essa força explica a atração gravitacional dos objetos, astros e estrelas, que se atraem por causa de suas massas, o exemplo do Sistema Solar onde temos uma estrela, o Sol, que atrai todos os objetos por causa de sua grande massa, cerca de 99,86% da massa do sistema solar se concentra na nossa estrela.

Assim o Sol atrai todos os objetos, como todos os objetos atraem o Sol, ou seja, o Sol atrai a Terra e a Terra atrai o Sol.

Força gravitacional é igual a constante gravitacional (G= 6,67 × 10^-11 Nm/kg² ) que multiplica o produto das massas dividido pela distância elevada ao quadrado.

A teoria clássica da gravitação é a lei de Newton da Gravitação Universal. Sua generalização relativística é a teoria da Gravitação de Einstein, também chamada de Teoria da Relatividade Geral de Einstein. 

Força eletromagnética

A força eletromagnética é um tipo de interação que envolve diretamente as seguintes partículas elementares: prótons e elétrons. A atração ou repulsão entre corpos em razão de suas cargas elétricas e/ou sua magnetização é denominada força eletromagnética.

Eletromagnetismo é o ramo da física que estuda unificadamente os fenômenos da eletricidade e do magnetismo. Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético, a interação conjunta entre os campos elétrico e magnético. Tal interação é regida pelas quatro equações de Maxwell.

 

Campo elétrico e magnético de uma partícula em movimento.

Diferentemente da força gravitacional, que sempre é atrativa, a força eletromagnética pode ser atrativa ou repulsiva, dependendo do sinal das cargas envolvidas. Por exemplo, no caso de dois elétrons a força será repulsiva, já que ambos possuem carga negativa. Entre um elétron e um próton teremos uma atração, considerando que o próton possui carga positiva. 

Essa ideia também é válida para ímãs: pólos iguais se repelem (Sul com Sul, por exemplo) e pólos diferentes se atraem, como no caso de pólo Sul com pólo Norte. Coulomb também conseguiu medir com precisão a força entre duas cargas estacionárias, obtendo uma relação muito parecida com a obtida por Newton para a interação gravitacional.

A interação das cargas elétricas geram campos elétricos e magnéticos, por consequência forças elétricas e forças magnéticas.

Força de interação entre as cargas elétricas, pode ser de atração (sinais diferentes) ou repulsão (sinais iguais).

Lei de Coulomb, Força elétrica.

Mas quando as cargas estão em movimento, temos o surgimento da força magnética.

Força magnética, só existe com carga elétrica em movimento.

Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Öersted descobriu que a corrente elétrica num condutor está associada a um campo magnético. Dez anos mais tarde, Michael Faraday, físico inglês, e Joseph Henry, físico norte-americano, descobriram que a variação de um campo magnético induz uma corrente elétrica num condutor. Com a união desses estudos surgiu o eletromagnetismo. Tanto a força eletrostática quanto a força magnética estão relacionadas a partículas carregadas - e ambas representam dois aspectos do eletromagnetismo.

Seguindo a concepção de Universo formulada por Newton onde todo efeito observado na matéria obedece aos efeitos de forças exercidas por objetos situados à distância a teoria eletromagnética propôs que as atrações e repulsões magnéticas e elétricas resultavam de interações mútuas nos corpos através do espaço.

Neste contexto se deu a busca da causa final dessas forças, procurando-se similaridades entre a massa gravitacional de Newton e os mecanismos de interação eletromagnética entre os corpos.

Força Fraca

Força desenvolvida entre os léptons e os hádrons é denominada força nuclear fraca.

As forças fracas são aquelas que explicam os processos de decaimento radiativo, tais como o decaimento beta nuclear, o decaimento do píon, do múon e de várias partículas "estranhas". É interessante notar que esta força não era conhecida pela física clássica e que sua formulação como teoria é estritamente quântica. 

No decaimento beta, a força nuclear fraca é responsável pela emissão de elétrons em algumas substâncias radioativas.

O alcance efetivo da força fraca é limitado a distâncias subatômicas e é menor que o diâmetro de um próton. É uma das quatro forças fundamentais da natureza, ao lado da interação forte, eletromagnetismo e gravitação.

Abaixo uma tabela com as partículas elementares da matéria.

Partículas elementares

Força Forte

A força que mantém a coesão nuclear e a união entre quarks é denominada força nuclear forte.

As forças fortes são aquelas responsáveis pelos fenômenos que ocorrem a curta distância no interior do núcleo atômico. A estabilidade nuclear está associada à força forte. É ela que mantém o núcleo unido evitando que os prótons que os constituem, por possuírem a mesma carga elétrica, simplesmente sofram uma intensa repulsão e destruam o próprio átomo. 

Se a força forte não existisse a matéria que forma o Universo, tal como o conhecemos, também não existiria. Prótons e nêutrons não conseguiriam se formar. Nós, seres humanos, não poderíamos existir. 

Os prótons possuem cargas positivas causando repulsão mútua entre eles, a força que os mantém coesos no núcleo atômico é chamada força nuclear forte.

A força forte, ao contrário das outras forças fundamentais da natureza (eletromagnética, fraca e gravidade) não fica menos poderosa com a distância de seu alcance (que é do tamanho de um hádron). 

A explicação é que a quantidade de trabalho realizado contra uma força de 10000 Newtons (sobre o peso de uma tonelada métrica de massa sobre a superfície da Terra) é o suficiente para criar novas partículas pelo choque entre elas. 

Unificação das Forças

Cientistas estão tentando unificar as forças fundamentais; mas as tentativas ainda não obtiveram sucesso, pois a força gravitacional ainda não pode ser unificada, somente as outras três forças.

Cabe a nós aguardarmos o que o mundo científico nos reserva e se a unificação das quatro forças fundamentais será possível.

Assista aos vídeos para aprender um pouco mais sobre esses assuntos:

Termometria "Temperatura x Calor"

Termologia ou Termometria

Calor 

O calor é a energia térmica que passa de um corpo com maior temperatura para outro com menor temperatura. Quando não há diferença de temperatura entre dois corpos, não existe calor.

Temperatura

A temperatura, por sua vez, é uma grandeza física a qual designa a energia cinética (movimento ou agitação) das moléculas e o estado térmico de um corpo (quente ou frio).

Quanto mais quente (alta temperatura) se apresenta o corpo, maior será sua energia cinética, ou seja, a agitação moléculas; e, quanto mais frio (baixa temperatura), menor será a agitação molecular.

Quanto maior é a temperatura, maior é o grau de agitação molecular, aumentando também a sua energia, a matéria no estado sólido é pouco agitada, líquido agita mais e no estado gasoso é mais agitado.

E o menor estado de energia possível é no zero absoluto.

Lembrando que a matéria tem um grau de agitação natural.

No Sistema Internacional de Unidades (SI) a temperatura pode ser medida em Celsius (°C), Kelvin (K) ou Fahrenheit (°F).

No Brasil, a escala de temperatura utilizada é Celsius, cujo ponto de fusão da água apresenta o valor 0° e o ponto de ebulição 100°. Abaixo as três escalas e o seus pontos de fusão e ebulição:

Escalas Termométricas e seus pontos de fusão e ebulição da água.

Sensação térmica

É o que podemos identificar através do corpo, ou seja, dos sensores que temos na pele e está relacionada com frio e calor. A temperatura influencia diretamente com a sensação térmica, pois o corpo humano está a uma temperatura de aproximadamente 36ºC ou 36,5ºC, variando da interna do corpo para os membros mais externos (pontas dos dedos das mãos e dos pés).

Sem esses sensores não conseguiríamos saber se um prato de sopa está quente demais, se o café está em uma temperatura agradável e não nos queimaria a boca ao comer e beber. Esses sensores nos avisam antes mesmo de tocar na pele se está frio ou calor, quente ou gelado.

Sensação térmica ou temperatura aparente é a forma como os nossos sentidos percebem a temperatura do ar, e que pode diferenciar da temperatura real. Tal se deve a condicionantes climatéricos que afetam a transferência de calor entre o corpo e o ar: como são a umidade, a densidade e a velocidade do vento.

Equilíbrio térmico

O equilíbrio térmico, também chamado de equilíbrio termodinâmico, é quando dois corpos ou substâncias atingem a mesma temperatura, ou seja, significa o exato momento em que dois corpos atingem a mesma temperatura.

Este conceito da termodinâmica está relacionado com a transferência de calor espontânea (energia térmica) que ocorre entre dois corpos em contato.

Nesse processo, o corpo mais quente transfere calor para o corpo mais frio até que ambos tenham a mesma temperatura.

Zero absoluto

Numa escala progressiva, o zero absoluto é a temperatura de menor energia possível. Teoricamente, seria a temperatura na qual a entropia atingiria seu valor mínimo que, segundo a interpretação clássica, a energia cinética e térmica mutuamente equivalem a zero.

Na escala termodinâmica de temperatura, graduada em Kelvin, o zero absoluto equivale a 0 K, -273,15 ºC, ou, ainda, -459,67 ºF.

Assista os vídeos indicados:

1 vídeo:  calor e temperatura

2 vídeo: sensação térmica e equilíbrio térmico