Mecânica

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A mecânica (em grego clássico: μηχανική) é a área da física que se preocupa com os movimentos de corpos macroscópicos. Forças aplicadas a objetos resultam em deslocamentos ou mudanças na posição de um objeto em relação ao seu ambiente. Este ramo da física tem suas origens na Grécia Antiga com os escritos de Aristóteles e Arquimedes.[1][2][3] Durante o início do período moderno, cientistas como Galileu, Kepler e Newton lançaram as bases para o que hoje é conhecido como mecânica clássica. É um ramo da física clássica que lida com partículas que estão em repouso ou se movem com velocidades significativamente menores do que a velocidade da luz. Também pode ser definido como um ramo da ciência que lida com o movimento e as forças sobre os corpos fora do domínio quântico. O campo é hoje menos amplamente compreendido em termos de teoria quântica.

Clássica versus quânticaEditar

Historicamente, a mecânica clássica veio primeiro e a mecânica quântica é um desenvolvimento comparativamente recente. A mecânica clássica se originou com as leis do movimento de Isaac Newton nos Princípios Matemáticos da Filosofia Natural. A mecânica quântica foi desenvolvida no início do século XX. Ambos são comumente considerados como constituindo o conhecimento mais certo que existe sobre a natureza física.

A mecânica clássica tem sido frequentemente vista como um modelo para outras chamadas ciências exatas. A esse respeito, é essencial o uso extensivo da matemática nas teorias, bem como o papel decisivo desempenhado pela experiência em gerá-la e testá-la.

A mecânica quântica é de um escopo maior, pois abrange a mecânica clássica como uma subdisciplina que se aplica em certas circunstâncias restritas. De acordo com o princípio da correspondência, não há contradição ou conflito entre os dois sujeitos, cada um simplesmente pertence a situações específicas. O princípio da correspondência afirma que o comportamento dos sistemas descritos pelas teorias quânticas reproduz a física clássica no limite de grandes números quânticos, ou seja, se a mecânica quântica for aplicada a grandes sistemas (por exemplo, uma bola de beisebol), o resultado seria quase o mesmo se a mecânica clássica tivesse sido aplicada. A mecânica quântica substituiu a mecânica clássica no nível básico e é indispensável para a explicação e previsão de processos nos níveis molecular, atômico e subatômico. No entanto, para processos macroscópicos, a mecânica clássica é capaz de resolver problemas que são difíceis de gerenciar (principalmente devido aos limites computacionais) em mecânica quântica e, portanto, permanece útil e bem utilizada. As descrições modernas de tal comportamento começam com uma definição cuidadosa de quantidades como deslocamento (distância movida), tempo, velocidade, aceleração, massa e força. Até cerca de quatrocentos anos atrás, no entanto, o movimento era explicado de um ponto de vista muito diferente. Por exemplo, seguindo as ideias do filósofo e cientista grego Aristóteles, os cientistas raciocinaram que uma bala de canhão cai porque sua posição natural é na Terra; o sol, a lua e as estrelas viajam em círculos ao redor da Terra porque é da natureza dos objetos celestes viajarem em círculos perfeitos.

Frequentemente citado como o pai da ciência moderna, Galileu reuniu as ideias de outros grandes pensadores de sua época e começou a calcular o movimento em termos de distância percorrida a partir de alguma posição inicial e o tempo que demorou. Ele mostrou que a velocidade da queda de objetos aumenta continuamente durante o tempo de queda. Esta aceleração é a mesma para objetos pesados e leves, desde que o atrito do ar (resistência do ar) seja desconsiderado. O matemático e físico inglês Isaac Newton melhorou essa análise definindo força e massa e relacionando-as à aceleração. Para objetos que viajam a velocidades próximas à velocidade da luz, as leis de Newton foram substituídas pela teoria da relatividade de Albert Einstein. [Uma frase que ilustra a complicação computacional da teoria da relatividade de Einstein.] Para partículas atômicas e subatômicas, as leis de Newton foram substituídas pela teoria quântica. Para os fenômenos cotidianos, entretanto, as três leis do movimento de Newton permanecem a pedra angular da dinâmica, que é o estudo do que causa o movimento.

Relativista versus NewtonianaEditar

Em analogia à distinção entre mecânica quântica e clássica, as teorias da relatividade geral e especial de Albert Einstein expandiram o escopo da formulação da mecânica de Newton e Galileu. As diferenças entre a mecânica relativística e a newtoniana tornam-se significativas e até dominantes à medida que a velocidade de um corpo se aproxima da velocidade da luz. Por exemplo, na mecânica newtoniana, as leis do movimento de Newton especificam que  , enquanto na mecânica relativista e transformações de Lorentz, que foram descobertas pela primeira vez por Hendrik Lorentz,   (onde   é o fator de Lorentz, que é quase igual a 1 para baixas velocidades).

Relativística geral versus quânticaEditar

Correções relativísticas também são necessárias para a mecânica quântica, embora a relatividade geral não tenha sido integrada. As duas teorias permanecem incompatíveis, um obstáculo que deve ser superado no desenvolvimento de uma teoria de tudo.

HistóriaEditar

AntiguidadeEditar

 Ver artigo principal: Mecânica (Aristóteles)

A principal teoria da mecânica na antiguidade era a mecânica aristotélica.[4] Um desenvolvedor posterior nesta tradição é Hiparco.[5]

Era medievalEditar

 Ver artigo principal: Teoria do ímpeto
 
Manuscrito de máquina árabe. Data desconhecida (em um palpite: séculos XVI a XIX)
 
Um brinquedo musical de Al-Jazari do século XII

Na Idade Média, as teorias de Aristóteles foram criticadas e modificadas por uma série de figuras, começando com João Filopono no século VI. Um problema central era o movimento parabólico, discutido por Hiparco e Filopono.

O polímata islâmico persa Avicena publicou sua teoria do movimento em O Livro da Cura (1020). Ele disse que um ímpeto é dado a um projétil pelo lançador, e o viu como persistente, exigindo forças externas, como a resistência do ar para dissipá-lo.[6][7][8] Avicena fez distinção entre 'força' e 'inclinação' (chamado de "mayl"), e argumentou que um objeto ganhou mayl quando o objeto está em oposição ao seu movimento natural. Portanto, ele concluiu que a continuação do movimento é atribuída à inclinação que é transferida para o objeto, e esse objeto estará em movimento até que o mayl se esgote. Ele também afirmou que um projétil no vácuo não pararia a menos que recebesse uma ação. Essa concepção de movimento é consistente com a primeira lei do movimento de Newton, a inércia. Que afirma que um objeto em movimento permanecerá em movimento a menos que seja acionado por uma força externa.[9] Esta ideia que divergia da visão aristotélica foi posteriormente descrita como "ímpeto" por John Buridan, que foi influenciado pelo Livro da Cura de Avicena.[10]

Sobre a questão de um corpo sujeito a uma força constante (uniforme), o estudioso árabe-judeu do século XII Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (nascido em Natanel, iraquiano, de Bagdá) afirmou que a força constante transmite aceleração constante. De acordo com Shlomo Pines, a teoria do movimento de al-Baghdaadi era "a mais antiga negação da lei dinâmica fundamental de Aristóteles [ou seja, que uma força constante produz um movimento uniforme], [e é, portanto, uma] antecipação de uma forma vaga da lei fundamental da mecânica clássica [ou seja, que uma força aplicada continuamente produz aceleração]".[11] No mesmo século, Avempace propôs que para cada força há sempre uma força de reação. Embora ele não tenha especificado que essas forças sejam iguais, ainda é uma versão inicial da terceira lei do movimento, que afirma que para cada ação há uma reação igual e oposta.[12]

 
Dispositivo de água de Al-Jazari do século XII

Influenciado por escritores anteriores, como Avicena[10] e al-Baghdaadi,[13] o padre francês do século XIV, Jean Buridan, desenvolveu a teoria do ímpeto, que mais tarde se desenvolveu nas teorias modernas de inércia, velocidade, aceleração e momento. Este trabalho e outros foram desenvolvidos na Inglaterra do século XIV pelos Calculadores de Oxford, como Thomas Bradwardine, que estudou e formulou várias leis sobre corpos em queda. O conceito de que as propriedades principais de um corpo são movimentos uniformemente acelerados (como corpos em queda) foi elaborado pelos Calculadores de Oxford do século XIV.

Início da idade modernaEditar

Duas figuras centrais no início da era moderna são Galileu Galilei e Isaac Newton. A declaração final de Galileu de sua mecânica, particularmente de corpos caindo, é seu Duas Novas Ciências (1638). Os Princípios Matemáticos da Filosofia Natural de Newton, de 1687, forneceu um relato matemático detalhado da mecânica, usando a matemática do cálculo recém-desenvolvida e fornecendo a base da mecânica newtoniana.[14]

Há alguma disputa sobre a prioridade de várias ideias: os Princípios de Newton é certamente o trabalho seminal e tem sido tremendamente influente, e a matemática sistemática nele não foi e não poderia ter sido declarada anteriormente porque o cálculo não foi desenvolvido. No entanto, muitas das ideias, particularmente no que diz respeito à inércia (ímpeto) e corpos em queda, foram desenvolvidas e declaradas por pesquisadores anteriores, tanto o então recente Galileu quanto os predecessores medievais menos conhecidos. O crédito preciso às vezes é difícil ou controverso porque a linguagem científica e os padrões de prova mudaram, portanto, se as afirmações medievais são equivalentes às afirmações modernas ou prova suficiente, ou, ao contrário, semelhantes às afirmações e hipóteses modernas é frequentemente discutível.

Idade modernaEditar

Dois principais desenvolvimentos modernos na mecânica são a relatividade geral de Einstein e a mecânica quântica, ambas desenvolvidas no século XX com base em parte nas ideias do início do século XIX. O desenvolvimento da moderna mecânica contínua, nomeadamente nas áreas da elasticidade, plasticidade, dinâmica dos fluidos, eletrodinâmica e termodinâmica dos meios deformáveis, teve início na segunda metade do século XX.

Tipos de corpos mecânicosEditar

O termo corpo, comumente usado, precisa representar uma ampla variedade de objetos, incluindo partículas, projéteis, espaçonaves, estrelas, partes de máquinas, partes de sólidos, partes de fluidos (gases e líquidos), etc.

Outras distinções entre as várias subdisciplinas da mecânica dizem respeito à natureza dos corpos descritos. Partículas são corpos com pouca estrutura interna (conhecida), tratados como pontos matemáticos na mecânica clássica. Os corpos rígidos têm tamanho e forma, mas mantêm uma simplicidade próxima à da partícula, adicionando apenas alguns chamados graus de liberdade, como a orientação no espaço.

Caso contrário, os corpos podem ser semirrígidos, ou seja, elásticos, ou não rígidos, ou seja, fluidos. Esses assuntos têm divisões de estudo clássicas e quânticas.

Por exemplo, o movimento de uma nave espacial, em relação à sua órbita e atitude (rotação), é descrito pela teoria relativística da mecânica clássica, enquanto os movimentos análogos de um núcleo atômico são descritos pela mecânica quântica.

SubdisciplinasEditar

A seguir estão duas listas de vários assuntos que são estudados em mecânica.

Observe que também existe a "teoria de campos", que constitui uma disciplina separada na física, tratada formalmente como distinta da mecânica, seja clássica ou quântica. Mas, na prática real, os assuntos pertencentes à mecânica e aos campos estão intimamente ligados. Assim, por exemplo, as forças que atuam sobre as partículas são frequentemente derivadas de campos (eletromagnéticos ou gravitacionais), e as partículas geram campos agindo como fontes. Na verdade, na mecânica quântica, as próprias partículas são campos, conforme descrito teoricamente pela função de onda.

ClássicaEditar

As seguintes são descritas como formadoras da mecânica clássica:

QuânticaEditar

As seguintes são descritas como integrantes da mecânica quântica:

Organizações profissionaisEditar

Ver tambémEditar

Referências

  1. Dugas, Rene. A History of Classical Mechanics. Nova Iorque, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.
  2. Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, Nova Deli. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.
  3. Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2.
  4. "A history of mechanics". René Dugas (1988). p.19. ISBN 0-486-65632-2
  5. "A Tiny Taste of the History of Mechanics". The University of Texas at Austin.
  6. Espinoza, Fernando (2005). «An analysis of the historical development of ideas about motion and its implications for teaching». Physics Education. 40 (2): 141. Bibcode:2005PhyEd..40..139E. doi:10.1088/0031-9120/40/2/002 
  7. Seyyed Hossein Nasr & Mehdi Amin Razavi (1996). The Islamic intellectual tradition in Persia. [S.l.]: Routledge. p. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2 
  8. Aydin Sayili (1987). «Ibn Sīnā and Buridan on the Motion of the Projectile». Annals of the New York Academy of Sciences. 500 (1): 477–482. Bibcode:1987NYASA.500..477S. doi:10.1111/j.1749-6632.1987.tb37219.x 
  9. Espinoza, Fernando. "An Analysis of the Historical Development of Ideas About Motion and its Implications for Teaching". Physics Education. Vol. 40(2).
  10. a b Sayili, Aydin. "Ibn Sina and Buridan on the Motion the Projectile". Annals of the New York Academy of Sciences vol. 500(1). p.477-482.
  11. Pines, Shlomo (1970). «Abu'l-Barakāt al-Baghdādī , Hibat Allah». Dictionary of Scientific Biography. 1. New York: Charles Scribner's Sons. pp. 26–28. ISBN 0-684-10114-9  (cf. Abel B. Franco (October 2003). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Journal of the History of Ideas 64 (4), p. 521-546 [528].)
  12. Franco, Abel B.. "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory". Journal of the History of Ideas. Vol. 64(4): 543.
  13. Gutman, Oliver (2003), Pseudo-Avicenna, Liber Celi Et Mundi: A Critical Edition, ISBN 90-04-13228-7, Brill Publishers, p. 193 
  14. "A Tiny Taste of the History of Mechanics". The University of Texas at Austin.

BibliografiaEditar

Ligações externasEditar