Conceitos Básicos de Física

1. DEFINIÇÕES E CONCEITOS IMPORTANTES
Acredito que para uma boa compreensão da Física e das possibilidades que seu entendimento pode nos trazer para nosso dia-a-dia passam, necessariamente, por compreender que a Física tem uma linguagem e representação matemática própria, com decodificação de significados que exigem um rigor diferente da língua portuguesa.
Assim, para este início de trabalho, apresentaremos uma série de definições e conceitos que serão de extrema importância para nós.
1.1 FÍSICA
Em grego significa "natureza", logo estudar Física, é buscar entender a natureza e todos os seus fenômenos.

1.2 NATUREZA
Conjunto de todas as coisas criadas; o universo, é tudo aquilo que está ao redor do Homem.
1.3 MEIO
Corpo ou ambiente onde se passam fenômenos especiais, substância sólida, líquida ou gasosa, dentro da qual vivem os seres. Aquilo que existe entre dois corpos.
Pode ser:
Meio material – tem moléculas (Sólido; Líquido; Gasoso; Plasma; etc.).
Meio não-material – não tem moléculas (vácuo).
1.4 ENERGIA

É aquilo que é necessário ter para se realizar algo, é a capacidade dos corpos para produzir um trabalho ou desenvolver uma força.

1.4.1 Tipos de Energia
Alguns dos principais tipos de energia são:
Energia Elétrica:
É uma forma de energia baseada na geração de diferenças de potencial elétrico entre dois pontos, que permitem estabelecer uma corrente elétrica entre ambos. Mediante a transformação adequada é possível obter que tal energia mostre-se em outras formas finais de uso direto, em forma de luz, movimento ou calor, segundo os elementos da conservação da energia.
É uma das formas de energia que a humanidade mais utiliza na atualidade, graças a sua facilidade de transporte, baixo índice de perda energética durante conversões.
A energia elétrica é obtida principalmente através de geradores:
- mecânicos (usinas):
Termoelétricas (combustíveis fósseis, carvão, nuclear);
Hidrelétricas ou Hidroelétricas (curso de rios);
Eólicas (ventos);
Marés.
- químicos
Pilhas;
Baterias (associação de várias pilhas);
Placas solares.
Obs. A energia solar, é uma subdivisão dos geradores químicos, mas importante termos uma análise mais aprofundada, que faremos agora:
Energia Solar

É um termo que se refere à energia proveniente da luz e do calor do Sol. É utilizada por meio de diferentes tecnologias em constante evolução, como o aquecimento solar, a energia solar fotovoltaica, a energia heliotérmica, a arquitetura solar e a fotossíntese artificial.
Tecnologias solares são amplamente caracterizadas como ativas ou passivas, dependendo da forma como captura, converte e distribui a energia solar. Entre as técnicas solares ativas estão o uso de painéis fotovoltaicos, concentradores solares térmicos das usinas heliotérmica e os aquecedores solares. Entre as técnicas solares passivas estão a orientação de um edifício para o Sol, a seleção de materiais com massa térmica favorável ou propriedades translúcidas e projetar espaços que façam o ar circular naturalmente.
Na geração fotovoltaica, a energia luminosa é convertida diretamente em energia elétrica. Nas usinas heliotérmicas, a produção de eletricidade acontece em dois passos: primeiro, os raios solares concentrados aquecem um receptor e, depois, este calor (350ºC - 1000ºC) é usado para iniciar o processo convencional da geração de energia elétrica por meio da movimentação de uma turbina. No aquecimento solar, a luz do Sol é utilizada para aquecer a água de casas e prédios ( 80ºC), o objetivo aqui não é a geração de energia elétrica.

Energia Térmica (Q):
Também chamada de Calor é uma forma de energia que está diretamente associada à temperatura absoluta de um sistema, e corresponde classicamente à soma das energias cinéticas microscópicas que suas partículas constituintes possuem em virtude de seus movimentos de translação, vibração ou rotação. Assume-se um referencial inercial sob o centro de massa do sistema. Em sistemas onde há radiação térmica confinada, a energia de tal radiação também integra a energia térmica. A energia térmica de um corpo macroscópico corresponde assim à soma das energias cinéticas de seus constituintes microscópicos e das energias atreladas às partículas de radiação (fótons térmicos) por ele confinadas. À transferência de energia, impelida por uma diferença de temperaturas, de um sistema termodinâmico a outro, dá-se o nome de calor.

Energia Atômica:
Energia liberada por alterações no núcleo de um átomo (como, por exemplo, pela fissão de um núcleo pesado por um nêutron ou pela fusão de núcleos leves em mais pesados), acompanhada de perda de massa; também chamada energia nuclear.

Energia Mecânica (Em):
É, resumidamente, a capacidade de um corpo produzir trabalho que pertence aos corpos que tem massa e que pode ser transferida por meio de força. A energia mecânica total de um sistema é a soma da energia potencial com a energia cinética. Se o sistema for conservativo, ou seja, apenas forças conservativas atuam nele, a energia mecânica total conserva-se e é uma constante de movimento. A energia mecânica "Em" que um corpo possui é a soma da sua energia cinética Ec mais energia potencial Ep.
Energia Cinética (Ec):
É a energia mecânica dos corpos em movimento.

Energia potencial (Ep):
É a "armazenada" em um corpo, isto é, que pode a qualquer momento manifestar-se, por exemplo, sob a forma de movimento, também é chamada de energia latente. A energia potencial é derivada de forças conservativas, ou seja, a trajetória do corpo não interfere no trabalho realizado pela força, o que importa são: a posição final e a inicial, então o percurso não interfere no valor final da variação da energia potencial. A energia potência pode se manifestar de duas formas diferentes:
Energia Potencial Elástica (Epe) é a energia relacionada à deformação de uma mola ou de um elástico;
Energia Potencial Gravitacional (Epg) é a energia associada ao estado de separação entre dois objetos que se interagem por meio de um campo gravitacional, onde ocorre a atração mútua ocasionada pela força gravitacional, ou seja, quando elevamos um corpo de massa m a uma altura h, estamos transferindo energia para o corpo na forma de trabalho, esta energia se armazena em relação à altura.
Energia Potencial Elétrica é a energia que cria a capacidade que um corpo energizado realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas.

Energia Ondulatória:
É a energia que se propaga sem o transporte de matéria, se manifesta de diversas formas. Os tipos mais comuns de energia ondulatória são:
Energia Luminosa: é uma forma de energia radiante ondulatória do tipo eletromagnética que se situa entre a radiação infravermelha e a radiação ultravioleta.
Energia Sonora: é uma forma de energia ondulatória de natureza mecânica longitudinal elástica que causa compressões e descompressões sucessivas do meio, que se propaga de forma circuncêntrica, apenas em meios materiais (que têm massa e elasticidade), como os sólidos, líquidos ou gases.
Energia radiante: é uma forma de energia ondulatória liberada por campos eletromagnéticos como as de rádio, raios infravermelhos, luz visível, raios ultravioleta, raios X e raios gama, podendo ser ionizantes (causando danos ao DNA) e não ionizantes.

Energia Química:
É a energia liberada ou formada em uma reação química.

Energia Elétrica:


1.5 FORÇA
Podemos dizer que força é uma grandeza vetorial sendo que força é:
uma ação que se faz ou que se sente;
o veículo de transporte da energia.
É o produto da massa pela aceleração de um corpo (F = m.a)

1.6 RESULTANTE
É como chamamos força resultante, ou seja, Resultante é:
o resultado que se observa da ação de todas as forças sobre um corpo;
a soma das forças atuantes em um corpo.
Obs. A resultante nula não significa que não há forças atuantes, mas sim que a somas das forças atuantes não produz mudanças no estado do corpo, mantendo o corpo em "inércia".
1.7 MASSA
É a medida da inércia de um corpo;
É medido por uma balança.

1.8 INÉRCIA
É o estado que os corpos tendem a estar quando a resultante sobre eles é nula;
"Todo corpo tende a permanecer no estado em que se encontra, até que uma ação modifique este estado" (enunciado do PRINCÍPIO DA INÉRCIA – 1ª lei de Newton).
1.9 PESO
É a força com que os corpos que têm massa são atraídos para o centro do planeta;
É sinônimo de força da gravidade;
É uma força;
É medido por um dinamômetro.

1.10 NORMAL
É Uma força perpendicular à superfície quando há um corpo em contato com esta.
É uma força exercida sobre a superfície e não sobre o corpo.
2. GRANDEZAS
Medir uma grandeza é compará-la com outra grandeza de mesma espécie, apresentando esta comparação através de um valor numérico em determinado padrão - que é a unidade de medida - verifica-se, então, quantas vezes a unidade está contida na grandeza que está sendo medida.
Em resumo, Grandeza Física é tudo aquilo que pode ser medido e associado um valor numérico e a uma unidade. Exemplos: tempo, comprimento, velocidade, aceleração, força, energia, trabalho, temperatura, pressão.

2.1 Classificações das Grandezas Físicas
2.1.1 Grandezas escalares
Grandezas físicas, como o tempo (por exemplo, 5 segundos), ficam perfeitamente definidas quando são especificados o seu módulo (5) e sua unidade de medida (segundo). Estas grandezas físicas (que são completamente definidas quando são especificados o seu módulo e a sua unidade de medida) são denominadas grandezas escalares. A temperatura, área, e volume, são também grandezas escalares.

2.1.2 Grandezas vetoriais
São aquelas que, para serem caracterizadas, necessitam de um número e uma unidade (valor algebraico), direção e sentido.

2.2 Grandezas fundamentais
São as grandezas ditas primitivas de que não dependem de outras para serem definidas. Exemplos: comprimento, massa, tempo.

2.3 Grandezas derivadas
São definidas por relação entre as grandezas fundamentais. Exemplos:
velocidade,
aceleração,
força
potência.

2.4 Unidades de Medida
No estudo da física é importante saber um pouco mais das unidades de medidas, que são medidas de determinadas grandezas.
O Sistema Internacional de Unidades (SI) é um conjunto de informações sobre as unidades de mediadas convencionadas pelo mundo inteiro.
No SI existem algumas unidades fundamentais, delas surgem outras unidades derivadas.
Observe a tabela abaixo, nela está representado o conjunto de unidades de medidas (consideradas unidades fundamentais) das grandezas mais importantes no estudo da física.
O símbolos das unidades de medida são sempre em letras minúsculas, com exceção das unidades advindas de nome de cientistas, nesse caso o nome, por extenso é escrito em letra minúscula e o símbolo com letra maiúscula (ex. pascal Pa, newton (N), tesla (T), weber (Wb))

2.5 SISTEMAS DE UNIDADES
2.4.1 Sistema Usual
É o sistema usado no dia a dia, de acordo com a conveniência da necessidade de medida.
Ex.
Comprimento: cm, m ou Km.
Massa: mg, g ou kg
Tempo: s, min ou h

2.4.2 Sistema Inglês ou USCS (United States Customary System) baseado no BUS (Britsh Unity System) em que:
Comprimento:
yard (yd) jardas,
milles (mi) milhas
inch (i) polegadas
Massa:
pounds (p) libras,
oz onças
Tempo:
s
min
h
Energia:
Elétron-volt 1 eV = 1,602177733.10-19 J
BTU (Britsh Thermal Unit) 1 BTU = 1 055,05585 J

2.4.3 Sistema c g s
Massa: g
Força: dyn (dyna)
Tempo: s

2.4.4 Sistema M kg s:
Comprimento: m
Massa: kg
Força: N
Tempo: s

2.4.5 Sistema M kgf s
Comprimento: m
Massa: u.t.m (unidade técnica de massa)
Força: kgf
Tempo: s


2.5 Prefixos (múltiplos e submúltiplos)
 
PREFIXO
SÍMBOLO
POTENCIA EQUIVALENTE
MÚLTIPLOS
Tera
T
1012

Giga
G
109

Mega
M
106

Quilo
K
103

Hecto
h
102

Deca
da
101
 
unidade
SUBMÚLTIPLOS
Deci
d
10-1

centi
c
10-2

Mili
m
10-3

micro
µ
10-6

Nano
n
10-9

Pico
p
10-12

femto
f
10-15

Atto
a
10-18

zepto
z
10-21

yocto
y
10-24

2.6 Sistema internacional de unidades S.I.
2.6.1 Grandezas Fundamentais e suas unidades de medida
Grandeza
Unidade
Símbolo
Comprimento
metro
m
Massa
quilograma
kg
Tempo
segundo
s
Corrente elétrica
ampère
A
Temperatura termodinâmica
kelvin
K
Quantidade de matéria
mol
mol[8]
Intensidade luminosa
candela
cd

Definiram-se sete grandezas físicas postas como básicas ou fundamentais. Por conseguinte, passaram a existir sete unidades básicas correspondentes — as unidades básicas do SI — descritas na tabela, na coluna à esquerda. A partir delas, podem-se derivar todas as outras unidades existentes. As unidades básicas do SI — posto que dimensionalmente axiomáticas — são dimensionalmente independentes entre si.
2.6.2 Grandezas Derivadas e suas unidades de medida
Todas as unidades existentes podem ser derivadas das unidades básicas do SI. Entretanto, consideram-se unidades derivadas do SI apenas aquelas que podem ser expressas através das unidades básicas do SI e sinais de multiplicação e divisão, ou seja, sem qualquer fator multiplicativo ou prefixo com a mesma função. Desse modo, há apenas uma unidade do SI para cada grandeza. Contudo, para cada unidade do SI pode haver várias grandezas. Às vezes, dão-se nomes especiais para as unidades derivadas.
Segue uma tabela com as unidades SI derivadas que recebem um nome especial e símbolo particular:

Grandeza
Unidade
Símbolo
Dimensional analítica
Dimensional sintética
Ângulo plano
radiano
rad
1
m/m
Ângulo sólido
esferorradiano1
sr
1
m²/m²
Frequência
hertz
Hz
1/s
---
Força
newton
N
kg·m/s²
---
Pressão
pascal
Pa
kg/(m·s²)
N/m²
Energia
joule
J
kg·m²/s²
N·m
Potência
watt
W
kg·m²/s³
J/s
Carga elétrica
coulomb
C
A·s
---
Tensão elétrica
volt
V
kg·m²/(s³·A)
W/A
Resistência elétrica
ohm
Ω
kg·m²/(s³·A²)
V/A
Capacitância
farad
F
A²·s²·s²/(kg·m²)
A·s/V
Condutância
siemens
S
A²·s³/(kg·m²)
A/V
Indutância
henry
H
kg·m²/(s²·A²)
Wb/A
Fluxo magnético
weber
Wb
kg·m²/(s²·A)
V·s
Densidade de fluxo magnético
tesla
T
kg/(s²·A)
Wb/m²
Temperatura em Celsius
grau Celsius
°C
---
---
Fluxo luminoso
lúmen
lm
cd
cd·sr
Luminosidade
lux
lx
cd/m²
lm/m²
Atividade radioativa
becquerel
Bq
1/s
---
Dose absorvida
gray
Gy
m²/s²
J/kg
Dose equivalente
sievert
Sv
m²/s²
J/kg
Atividade catalítica
katal
kat
mol/s
---

2.6.3 Sistema MKS de unidades
É um sistema de unidades de medidas físicas, ou sistema dimensional, de tipologia LMT (comprimento, massa tempo), cujas unidades-base são o metro para o comprimento, o quilograma para a massa e o segundo para o tempo.

2.6.4 Fundamentos
MKS é um Acrônimo maiúsculo para metro–kg (quilograma)–segundo. É o sistema de unidades físicas essencial que originou o Sistema Internacional de Unidades (SI), por este sendo substituído. O SI baseou-se, em essência, no Sistema MKS de unidades, algumas vezes dito (embora impropriamente) "sistema métrico de unidades".
Conquanto haja tendência de unificação internacional por meio do Sistema Internacional de Unidades, o Sistema CGS de unidades e outros ainda são bastante usados em várias áreas e há algumas razões de ordem lógica, outras de fundo histórico, outras ainda de respaldo tradicional.



2.6.5 Unidades mecânicas MKS
Unidades mecânicas MKS
Grandeza
Unidade
Definição (Dimensional)
CGS
comprimento
metro
m
10² cm
massa
quilograma
kg
10³ g
tempo
segundo
S
força
newton
N = 1kg.m/s²
105 dyn
energia
joule
J = 1kg.m²/s²
107 erg
potência
watt
W = 1kg.m²/s³
107 erg/s
pressão
pascal
Pa= 1kg/m.s2
10 5 Bar

3. Análise Dimensional
Tem sua grande utilidade na previsão, verificação e resolução de equações que relacionam as grandezas físicas garantindo sua integridade e homogeneidade. Este procedimento auxilia a minimizar a necessidade de memorização das equações. Em análise dimensional tratamos as dimensões como grandezas algébricas, isto é, apenas adicionamos ou subtraimos grandezas nas equações quando elas possuem a mesma dimensão.
A Analise Dimensional é a área da física que se interessa pelas unidades de medida das grandezas físicas. Notavelmente, o fato de todas as unidades serem arbitrárias faz com que todas as equações sejam homogêneas, para isto buscamos reduzir todas as grandezas às três grandezas básicas – comprimento (L), massa (M) e tempo (T) – escritos pela equação dimensional, representada por:
G=Lx.My.Tz
Onde:
G é a grandeza que se deseja analisar;
L é o comprimento;
x é o número de medidas feitas para o comprimento;
M é a massa;
y é o número de mediadas feitas para a massa;
T é o tempo;
z é o número de medidas feitas para o tempo.

Em nosso trabalho abordaremos a análise dimensional através da fórmula matemática e das unidades de medida do SI.

Exemplos de análise dimensional.
Apresente as grandezas abaixo em sua forma dimensional, a partir de suas fórmulas e unidades matemáticas:
a) velocidade;
v= x(m) t(s)

b) aceleração;
a= v(m/s) t(s)

c) força;
F =m.a

d) energia;
a partir do trabalho: τ=F. x

e) presão;
p=FA