3 erros que penalizaram quem não conhecia as leis da Física

Gostaria de mostrar aqui 3 casos em que as pessoas se deram mal por não terem estudado, entendido, ou respeitado algumas leis da Física. 
1- Conservação da Energia Mecânica
A Energia Mecânica é uma das formas de energia que pode ser entendida como a soma de dois outros tipos de energia, a energia devido à altura (Energia Potencial Gravitacional), e a energia devido à velocidade (Energia Cinética)Por exemplo, se desprezarmos os atritos, quando um pêndulo é solto de uma certa altura, com o fio esticado, durante a descida ele perde energia de altura mas ganha energia de velocidade, e assim a soma das duas permanece constante. Durante todo seu movimento a energia mecânica se conserva, e sendo assim o pêndulo retornará exatamente no ponto de onde foi solto. Reparem no vídeo a seguir como o professor americano Walter Lewin toma o cuidado de permanecer quieto mantendo o queixo no mesmo lugar durante uma experiência feita usando um pesado pêndulo esférico. Note também que não é dado nenhum impulso inicial.
     


Agora veja o que acontece com a moça que tenta repetir a experiência sem se preocupar em manter o rosto na mesma posição. A falha foi antes de tudo do homem que não soube instruí-la corretamente.

2-Primeira Lei de Newton (Inércia)
Esta lei diz que todo corpo no qual a força resultante sobre ele é nula, tende a permanecer no estado em que se encontra. Se está em movimento tende a permanecer em movimento, se está em repouso tende a permanecer em repouso. De certa forma parece óbvio, mas algumas pessoas não se dão conta disto, e ao tentarem descer de um veículo em movimento, esquecem-se de continuar correndo para a frente ao tocarem o solo, levando tombos homéricos, como este cidadão que tenta descer do metrô em movimento. 

3-Terceira Lei de Newton (Ação e Reação)
Esta lei diz que a toda ação corresponde uma reação contrária, e de mesma intensidade. Isto quer dizer que quando alguém, por exemplo, atira com um rifle, a bala recebe um impulso do rifle, mas exerce no rifle a mesma intensidade do impulso que recebeu, só que no sentido contrário. Quem já tem uma certa experiência conhece o chamado "coice" da arma, e procuram encostá-la no ombro, mas veja o que fez este cidadão do vídeo.

Como se pode ver, o conhecimento de alguns conceitos básicos de Física também pode nos preservar de sofrermos alguns acidentes perfeitamente evitáveis.
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Por que os peixes parecem maiores dentro da água?

Este ano resolvi fazer um curso de mergulho que culminou com uma viagem à Ilhabela, litoral de São Paulo (foto), para curtirmos e colocarmos em prática os treinamentos realizados na piscina. 
O sinal que estou fazendo com a mão é de que está tudo OK, linguagem mundialmente usada no mergulho.

Durante a parte teórica do curso, notei que havia muita física aplicada para se entender os problemas que podem surgir devido às variações de pressão do ar, principalmente nos ouvidos e pulmões. Na apostila que eles fornecem, estabelecem-se também as relações entre pressão, volume e temperatura, através de fórmulas bem conhecidas da física.
Outro conceito físico diretamente ligado aos mergulhos envolve a óptica, e diz respeito à refração da luz. Em uma das falas dos mergulhadores que dão o curso, ouvi a respeito da sensação de ampliação que temos dos objetos vistos embaixo da água. Os peixes aparentam ser maiores do que o tamanho real. Na realidade, o que eles estão querendo dizer é que há uma aproximação das imagens, devido ao dioptro plano formado entre o ar contido no interior da máscara e a água, dando uma impressão de que os objetos estão ampliados. 
Vou exemplificar:
O valor do índice de refração do ar que está dentro da máscara do mergulhador é 1, e o da água do mar é de aproximadamente 3/2.
Suponha que um mergulhador (figura) esteja observando um peixe à distância real (D) de 3 metros dele. Para calcularmos a que distância a imagem do peixe será vista (d), basta multiplicarmos (D) por 2, e a seguir dividir por 3:
$\begin{equation*}\large d = D . 2 /3\end{equation*}$
$\begin{equation*}\large d = 3 . 2 /3\end{equation*}$
$\begin{equation*}\large d = 2 m\end{equation*}$
Deste modo, o peixe que está a 3 metros de distância, aparentará estar a apenas 2 metros do mergulhador, ou seja, houve uma "aproximação" de 1 metro, devido ao efeito da refração.
Veja outro caso de uma foto tirada pelo pessoal da escola em que fiz o curso, durante o treinamento na piscina:









Notem a nítida diferença de posições e tamanhos das pessoas, quando vistas pelo ar e pela água. 
Como se vê, estudar física também nos ajuda a entender melhor os efeitos da prática do mergulho autônomo (com cilindro), que eu recomendo a todos, e que pretendo realizar novamente em breve.  
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Infravermelhos podem ser vistos pelos nossos olhos

Até hoje sempre ensinei aos meus alunos  que os nossos olhos não estão capacitados para enxergar os raios infravermelhos, pois eles estão fora do espectro visível, mas descobri lendo um artigo da Discover Magazine que pesquisa recente mostrou que em condições especiais, dois fótons de infravermelho de baixa energia podem se juntar na retina formando imagens visíveis. Experiências realizadas com 30 participantes, mostraram que eles relataram ter visto uma pálida linha verde de luz ao observarem raios infravermelhos. Esta constatação experimental foi considerada inicialmente muito estranha, pois estes raios são demasiadamente fracos para serem vistos pelos seres humanos.
Se quisermos ver todos os raios infravermelhos ainda precisaremos de óculos ou câmeras especiais, mas simulações e cálculos de computador da equipe de pesquisa revelaram um mecanismo que ocorre naturalmente em nossos olhos, e que nos permite vislumbrar a radiação infravermelha de baixa energia, sem o auxílio da tecnologia.

Para entender melhor, observe os infográficos que eu traduzi e adaptei do artigo da Discover. Eles mostram primeiramente o processo que se dá na percepção das cores do nosso espectro visível, através da visão normal, e depois o processo de percepção de uma luz verde, a partir de dois raios infravermelhos de baixa energia que incidem no olho, e que após terem atravessado o cristalino, atingem a retina e juntam-se para a formação de uma imagem que pode ser percebida, pois o pulso passa a ter energia suficiente para ser interpretado pelo cérebro como luz visível.

Visão normal
Processo de percepção das cores na visão normal. (Clique na imagem para ampliar)
Visão do Infravemelho
Processo de percepção de luz verde a partir de infravermelhos. (Clique na imagem para ampliar)





Fontes:
http://discovermagazine.com/2015/oct/3-seeing-the-invisible
http://www.pnas.org/content/111/50/E5445.full
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Energia Solar: quase um quatrilhão de kWh por dia.

A energia devido à irradiação solar que atinge o nosso planeta diariamente corresponde a cerca de 970 trilhões de kWh. Poderíamos aproveitar melhor esta energia para a produção de eletricidade, cuja demanda aumenta rapidamente no mundo. Com certeza, os custos ambientais seriam bem menores, comparados às hidrelétricas, termoelétricas, e usinas nucleares, as três maiores responsáveis por quase toda energia elétrica gerada atualmente.
Energia Solar Concentrada
A CSP (sigla em inglês para Concentrated Solar Power) é uma forma de captação de energia solar que usa espelhos ou lentes que concentram a energia térmica luminosa do Sol em um ponto ou uma região focal.  
Há muito tempo que já se conhece e são usados modelos que captam e concentram os raios solares através de espelhos, com a finalidade de se otimizar o efeito provocado pelo aquecimento do Sol. Veja a gravura mostrando um concentrador cilíndrico-parabólico de John Ericsson, datado do ano de 1870. 

Neste semestre, em uma disciplina eletiva sobre energias, estou desenvolvendo modelos com meus alunos, usando duas parabólicas que estavam desativadas na escola. Inicialmente tentamos usar papel alumínio como material refletor, e depois, para melhorar a eficiência, usamos pedaços de espelhos. Nos testes, eles puderam perceber que na região do foco, a temperatura aumenta rapidamente (fotos).

Tipos principais de usinas solares
Há diferentes modelos de usinas solares usadas em diversas partes do mundo, sobretudo na Espanha e nos Estados Unidos. Vou ater-me neste post aos três tipos mais difundidos.

1) Disco Parabólico:
Neste tipo mostrado na foto, no foco do espelho parabólico, é fixado um motor do tipo Stirling. O funcionamento deste motor está simplificado na animação a seguir. As altas temperaturas fazem com que haja uma expansão do gás no interior, deslocando os pistões, que por sua vez provocam o giro de uma roda que gera energia elétrica.  
Este tipo de motor funciona somente com diferenças de pressões e temperaturas, sem explosões, e sem produção de gases de escape, como ocorre nos motores a combustão dos automóveis.

2) Calhas Cilíndricas Parabólicas:
Neste tipo de usina solar, diversas calhas parabólicas se movimentam seguindo o Sol, e na linha do foco delas passa uma tubulação reta preenchida com fluido, que pode ser água, ou uma solução de sal derretido, produzindo vapor à alta pressão que é conduzido a uma turbina acoplada a um gerador de eletricidade. Veja a foto de uma delas:
3) Torre Central com espelhos planos direcionados:
Neste tipo de usina solar inclui-se a maior existente no mundo, que é a de Ivanpah, situada no Deserto de Mojave, Califórnia (EUA), e que foi financiada pela Google. Suas três torres podem gerar uma potência de até 392 MW, e está funcionando desde fevereiro de 2014. Quem quiser conhecê-la um pouco mais sugiro os dois vídeos curtinhos a seguir.


Futuro
Um estudo indicou que a Energia Solar Concentrada pode vir a representar 25% das necessidades de energia no mundo até 2050. A Espanha é líder deste tipo de usina de energia, com mais de 50 projetos aprovados, e exporta sua tecnologia para vários países. O maior crescimento é previsto para áreas de grande insolação, como México, África, sudoeste dos EUA, Oriente Médio, Austrália, entre outros. No Brasil, como sempre, começamos a engatinhar recentemente nesta área, mas apenas com modelos modestos, e ainda em estudos. A região Nordeste de nosso país seria a mais indicada para implantação, da mesma forma como acontece com as usinas eólicas, pois lá, assim como venta muito, também há muita insolação durante o ano.

Efeitos à vida selvagem
Como em todas as inovações tecnológicas, já há grupos de ecologistas que alertam para os danos que podem ser causados à flora e fauna das regiões onde funcionam estas usinas. Estudos feitos por eles indicam que insetos podem ser atraídos pela luz brilhante, e como resultado, as aves que se alimentam deles podem ser mortas queimadas pelo intenso calor, caso elas voem próximas dos focos de luz concentrada pelos milhares de espelhos (foto). Isto também pode afetar aves de rapina que se alimentam destas aves.
Mas ao contrário do que foi alardeado por alguns adversários da usina de Ivanpah, que produziram um relatório exageradamente catastrófico sobre os efeitos, enumerando dezenas de milhares de mortes de aves que vivem próximas àquela usina, um relatório rigoroso feito em mais de seis meses mostrou que apenas 133 aves foram chamuscadas pelo calor, número relativamente baixo, comparado com as centenas de milhões que morrem anualmente devido às colisões com janelas de vidro, veículos, e linhas de energia.

Concluindo
Já passamos da hora de aproveitarmos melhor a energia que o Sol nos manda todos os dias. Penso que devemos incentivar e divulgar cada vez mais as vantagens de uma diversificação da matriz energética mundial, buscando alternativas como estas. Eu tento fazer a minha parte, informando aos meus alunos sobre os benefícios que podem ser trazidos, principalmente se levarmos em consideração o grande aumento do consumo de eletricidade. As consequências trazidas por meios de obtenção de energia elétrica que se utilizam da queima de combustíveis fósseis, ou outras formas não sustentáveis do ponto de vista do meio ambiente, como na produção de resíduos radiativos, ou através da inundação de grandes áreas que poderiam ser destinadas à produção de alimentos, podem ser fatais para a vida futura no nosso planeta. 
E para finalizar, deixo um interessante (e curtinho) vídeo publicitário, mostrando os valores da energia solar de uma forma bem criativa.
  
Fontes:
https://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power
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Perdido em Marte e as críticas às explorações espaciais

O filme Perdido em Marte, que estreou dia 1º de outubro nos cinemas, é uma bela obra de ficção científica, mas como ocorre frequentemente em todos os filmes, algumas situações fogem um pouco do que seria possível acontecer ou existir na realidade. Em alguns casos a intensão é tornar a trama mais interessante, a fim de prender a atenção do público desde o início até o final. A grande tempestade de areia, por exemplo, segundo entendidos no assunto, jamais poderia ter sido formada naquele planeta em tamanhas proporções. Há também outras pequenas incoerências perceptíveis para alguns olhos mais exigentes, como a ausência dos efeitos que a gravidade bem menor de Marte provocaria nos movimentos e caminhadas dos astronautas. 
Algumas filmagens foram feitas em um local do sul da Jordânia, conhecido como Vale da Lua (foto). Talvez pelas dificuldades técnicas, a produção do filme optou por não tentar fazer com que os exploradores marcianos aparentassem ter um peso correspondente a 38% do que teriam na Terra. Para exemplificar, isto significa  que uma pessoa de 70 kg, lá em Marte, teria a sensação de se movimentar como se tivesse apenas 27 kg.

Água e plantas
Algumas missões robóticas enviadas a Marte já encontraram sinais de água no subsolo marciano que poderia ser usada por astronautas para cultivar plantas, as quais serviriam de alimento e também para produção de combustíveis para os foguetes.
O satélite que orbita Marte desde 2006, chamado de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) da NASA, com sua poderosa câmera de alta resolução de imagens, mapeou o planeta, o que permitiu compreender melhor o relevo, o clima, a atmosfera e também os possíveis locais que poderiam indicar a presença de água. 
Na verdade, como ainda não há comprovação de que há uma quantidade de água que pudesse ser aproveitada suficientemente, no filme, fizeram com que o astronauta perdido optasse por obtê-la de outra maneira, a partir da hidrazina, um tipo de combustível usado em foguetes.

Radiação
O jipe Curiosity (imagem), que na época de seu lançamento, no final de 2011, foi tema de um post deste blog, levou consigo o detector RAD, projetado para medir a radiação do ambiente marciano.
O jipe Curiosity, que pousou em 2012 em Marte, levou um medidor da radiação do ambiente.
Esses dados são essenciais para a compreensão de como os astronautas precisariam estar protegidos ao fazerem uma caminhada ao ar livre por lá. Com certeza, o protagonista do filme, Mark Watney, interpretado pelo ator Matt Damon, não poderia ficar tanto tempo exposto às radiações de Marte sem que corresse o risco de sofrer mais tarde algumas sequelas, como câncer, por exemplo.

Naves, Habitações e Veículos 
O Curiosity, com massa de uma tonelada, foi o objeto mais pesado enviado a Marte até agora, e pensando no futuro, o laboratório JPL está desenvolvendo tecnologias para conseguir pousar cargas ainda maiores e mais pesadas. Uma delas é o projeto do Desacelerador Supersônico de Baixa Densidade (foto).
O Desacelerador Supersônico de Baixa Densidade, durante as fases de testes e construção.
Trata-se de um grande disco que teria a função de inflar-se durante a entrada da atmosfera de Marte, aumentando o atrito e diminuindo a velocidade, para que os paraquedas pudessem resistir ao se abrirem em seguida, pousando com segurança, por exemplo, um veículo grande, parecido com o do filme (imagens a seguir) e posteriormente equipamentos e partes de uma estação habitável, ou uma nave tripulada, que é o objetivo futuro da NASA. O desembarque auto controlado do Curiosity em 2012 foi um marco importante no caminho para essa capacidade.


Comunicações
Além das missões espaciais a Marte, o JPL administra o Deep Space Network da NASA. Esta rede também seria usada para estabelecer comunicações vitais com a nave espacial através do sistema solar, e manter contato com os futuros astronautas em viagens entre a Terra e Marte.

Finalizando com uma reflexão
Diante das notícias recentes sobre as evidências de água em Marte, e da relação estabelecida com as condições que indicam a possibilidade de o planeta abrigar algum tipo de vida, mesmo que microscópica, vi no facebook, em um compartilhamento de uma amiga, uma certa crítica à procura por vida em Marte, sugerindo que deveríamos melhorar primeiramente as condições de vida existente em nosso próprio planeta. Veja a imagem. 
Eu concordo plenamente que poderíamos cuidar melhor de todos os seres vivos da Terra, mas os gastos com as corridas espaciais atualmente correspondem a uma fração muito pequena do que se gasta, por exemplo, em armamentos de guerra, que provocam diversos problemas, entre eles o de uma quantidade enorme de refugiados que não encontram abrigos adequados em outros países. O que me deixa muito triste é pensar que muitas destas guerras têm uma parcela de causas religiosas. Então, já que é para se fazer perguntas, por quê não pensamos todos em acabar com religiões que adotam práticas tão radicais? Por quê não procurarmos algum meio de parar de produzir ou financiar tantos armamentos de guerra? 
Se pensarmos como uma espécie que já alcançou um elevado estágio evolutivo, e que pretende se manter, não podemos esquecer que por enquanto há uma certeza: o Sol, como toda estrela, teve seu começo, é atualmente vital para nós, mas em um momento, daqui a bilhões de anos, começará a se inflar, atingindo Mercúrio, Vênus e provavelmente queimando também o nosso planeta, e se resolvermos que devemos permanecer sempre grudados aqui no nosso mundinho, fatalmente seremos uma espécie extinta. Isto sem falar do que pode acontecer muito antes disso, com o surgimento de catástrofes naturais, pragas ou mudanças repentinas no clima. (assista o filme Interestelar).  
Eu não sei (mas imagino) qual é a finalidade destas campanhas que tentam nos convencer de que cancelando os gastos e aspirações envolvidos nestas explorações espaciais, automaticamente o dinheiro e as atenções ficariam voltadas para a melhoria das condições de vida dos povos do nosso planeta. Espero sinceramente que não esteja havendo mais uma vez na história, uma tentativa das religiões cristãs de desestimularem a descoberta de vida em outro planeta, o que se fosse constatado, as obrigaria a fazer uma revisão dos livros que tanto veneram, e cujas passagens aceitam como verdades divinas e inquestionáveis. De novo, como ocorreu no episódio do Heliocentrismo versus Geocentrismo eles correm o risco de "quebrarem a cara", mas possivelmente venham se retratar alguns séculos depois, como por exemplo a desculpa oficial feita durante o papado de João Paulo II, em  1992, por terem condenado Galileu à prisão no século 17.

Fontes:
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4731#martian-skip
http://idgnow.com.br/internet/2015/10/01/5-tecnologias-reais-da-nasa-que-estao-no-filme-perdido-em-marte/
http://revistagalileu.globo.com/Ciencia/noticia/2015/10/9-erros-e-acertos-de-perdido-em-marte.html
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O uso de diamantes no estudo do magnetismo terrestre

Um dos mistérios ainda não decifrados pela Ciência diz respeito ao comportamento do campo magnético da Terra. Como e quando ele teria surgido ao longo da história de nosso planeta? Quais as mudanças na sua direção que ocorreram e que ainda podem ocorrer no futuro?

Mudanças dos polos magnéticos   
Alterações na posição dos polos magnéticos já ocorreram e ocorrem frequentemente. Entre os anos de 1580 e 1820, notou-se uma variação de 35° na direção apontada pela agulha das bússolas. 
Através de estudos de rochas do fundo do oceano, esfriadas a partir de material de lava quente vinda do núcleo terrestre, pode-se concluir que a polaridade da Terra inverte-se mais ou menos a cada um milhão de anos.

Várias teorias têm surgido para tentar explicar como funciona o que seria uma espécie de dínamo gerador de magnetismo no interior do planeta. A hipótese mais aceita é de que esta geração se dá por causa de um fluxo de material derretido, principalmente de ferro no núcleo central da Terra, criando uma corrente de elétrons. E já se sabe de longa data (Experiência de Oersted - 1819) que uma corrente elétrica produz próxima a ela um campo magnético.

Pressionando com diamantes
De acordo com as informações que obtive deste artigo recente da Science News, o físico Kei Hirose, especialista em minerais sob alta pressão, no laboratório do Instituto de Tecnologia de Tóquio, juntamente com seus colegas, para recriar as condições de altíssimas pressões e temperaturas do núcleo da Terra, comprimiu pequenos discos de ferro, com apenas cerca de 20 micrômetros de diâmetro, e 10 micrômetros de espessura (cerca de um décimo da espessura de uma folha de sulfite) com auxílio de dois cones de diamante, de 0,2 quilates, como mostrado na figura. O diamante foi usado por possuir a propriedade de dureza maior do que a do aço.
Os discos de ferro, comprimidos durante 30 minutos foram então aquecidos através de um laser infravermelho, chegando a atingir temperaturas de vários milhares de graus. Já que os elétrons no ferro transportam carga elétrica e calor, pode-se medir a condutividade elétrica, e depois estimar a condutividade térmica. Os pesquisadores da equipe de Hirose, usaram eletrodos de ouro e platina, para o ferro transportar corrente elétrica através da amostra. A queda de tensão possibilitou saber quão fortemente o ferro resiste ao fluxo de elétrons.

Provavelmente, ainda demorará um tempo para entendermos por completo como funciona o mecanismo gerador do campo magnético da Terra, mas a cada dia surgem novidades e descobertas neste sentido. Para quem quiser saber mais detalhes destas novidades, sugiro a leitura completa do artigo da Science News (em inglês) cujo link está relacionado nas fontes a seguir.

Fontes:
https://www.sciencenews.org/article/magnetic-mystery-center-earth 
http://www.coladaweb.com/fisica/fisica-geral/magnetismo-terrestre-campo-magnetico-da-terra
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A influência das diferenças de gravidade no atletismo

No atletismo, durante as provas de arremesso de dardo, peso, disco, e martelo, há diversos fatores que influem na obtenção de uma boa marca. No que se refere aos atletas, estes fatores se resumem à velocidade inicial (Voimprimida ao objeto lançado, e o ângulo de inclinação de saída (θ), que deverá ser o mais próximo possível de 45º. Mas há outros dois fatores externos que não dependem dos lançadores: a resistência do ar e a aceleração da gravidade (g) do local onde as provas estão sendo realizadas. No caso da gravidade, quanto maior o seu valor, menor será o alcance (A) obtido.
Figura indicando o ângulo de inclinação (θ), a velocidade inicial (Vo) e o alvance (A).

Variações da gravidade
O valor da gravidade varia de acordo com a latitude e altitude do local do nosso planeta. Neste artigo há uma tabela que mostra diversos valores da gravidade calculados a partir de latitudes e altitudes pré determinadas. Pelo fato de a Terra ser levemente achatada nos polos, a gravidade nos locais mais próximos deles é um pouco maior, como é o caso de Toronto, onde estão sendo realizados os Jogos Pan-Americanos de 2015.   
A título de comparações, farei aqui algumas simulações simplificadas, utilizando o valor do alcance obtido na prova feminina de arremesso de dardo, onde a nossa atleta Jucilene de Lima (foto no início do post), conquistou recentemente a medalha de bronze, com a marca de 60,42 m. Fiz um cálculo para determinar a velocidade com que o dardo teria saído da mão dela, usando a fórmula:
$$\begin{equation} \large Vo = \sqrt {\frac{A.g}{sen(2θ)}} \end{equation}$$
onde (A) corresponde ao alcance, (g) à gravidade, e (θ) ao ângulo de inclinação. Desprezei a diferença de altura entre o chão e o ponto de lançamento e a ação do atrito com o ar, adotei g = 9,806 m/s², correspondente à latitude (43º40'N) e altitude (76 m) de Toronto, e considerei que Jucilene tivesse lançado o dardo com inclinação exata de 45º. A velocidade encontrada desta forma foi de 24,34 m/s (87,63 km/h).
Se ela tivesse arremessado o mesmo dardo exatamente nas mesmas condições, no Rio de Janeiro, cidade que sediará os Jogos Olímpicos de 2016, onde g = 9,786 m/s², correspondente à latitude de 22º54'S, e altitude de 2 m, o alcance obtido teria sido de 60,54 m, 12 cm a mais do que em Toronto.

No artigo que pesquisei, há uma informação de que um certo professor Kirkpatrick, na qualidade de físico, tentou sensibilizar autoridades do esporte nos Estados Unidos, alertando sobre estas diferenças, mas com surpresa teria observado um grande desinteresse pelo assunto. Diante da condição de que os recordes, com o tempo, irão necessitar de dígitos cada vez mais precisos, talvez algumas destas especificações que levem em consideração determinadas variáveis como a gravidade do local possam ser enfim consideradas no futuro. 

Fontes
http://sites.unisanta.br/teiadosaber/apostila/fisica/a_fisica_no_esporte-fisica1109.pdf

http://zh.clicrbs.com.br/rs/esportes/olimpiada/noticia/2015/07/jucilene-de-lima-e-bronze-no-lancamento-de-dardo-4806320.html


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Dificuldades da missão a Plutão

Em se tratando de exploração do espaço há várias possibilidades de que algo dê errado. E é por isso que ao ler a notícia da sonda New Horizons (foto), passando tão perto de Plutão, fiquei admirado com a grandeza do feito, em termos de precisão nos cálculos da equipe de cientistas e engenheiros. Esta foi uma verdadeira lição de planejamento que conseguiu eliminar diversas adversidades políticas e administrativas, sem falar nos próprios riscos inerentes à navegação, em um processo que levou mais de 40 anos para se desdobrar completamente. Os problemas de software ocorridos recentemente na New Horizons não foram as únicas falhas que quase comprometeram a missão. Alguns políticos, dificuldades financeiras e desinteresse popular também contribuíram.

Histórico
A história da missão iniciou-se na década de 1970, um tempo conturbado durante a administração do presidente Richard Nixon. Na época, os astrônomos e demais cientistas espaciais perceberam que uma configuração rara dos planetas exteriores tornaria possível enviar uma nave espacial de forma eficiente rumo a uma grande turnê pelo sistema solar exterior, usando a gravidade dos planetas gigantes para impulsioná-la. Tal alinhamento acontece apenas uma vez a cada 176 anos. Veja na imagem que obtive deste site que Júpiter, por estar alinhado com Plutão, favoreceu muito a missão através de seu impulso gravitacional, fazendo com que a sonda atingisse a velocidade de 65.740 km/h .

No início de 1972 o destino político da NASA estava mudando drasticamente. Nixon havia cancelado duas missões à Lua, a Apollo 18 e a Apollo 19. O apoio público do Congresso à exploração espacial estava decaindo, o país estava em recessão e atolado na Guerra do Vietnã. Cerca de um bilhão de dólares extras que seriam destinados às frotas de sondas espaciais foram cancelados. 
Apesar de tudo, podemos citar como um benefício desta dificuldade financeira o aumento e valorização da criatividade dos engenheiros da missão que viram-se forçados a desenvolver alternativas mais baratas, usando naves espaciais mais leves. Desta maneira, a sonda leve New Horizon, que decolou em janeiro de 2006, a bordo de um grande foguete, o Atlas V, acabou se tornando o objeto espacial mais rápido já lançado até então. Neste contexto, teria sido ainda mais trágico se a New Horizons tivesse sido prejudicada recentemente por um simples erro de software.

Chegou o dia
Nesta terça-feira, dia 14, por volta de 9h e 49 min, a nave, viajando a 50.000 km/h, finalmente estará passando pelo ponto mais próximo de Plutão, a 12.500 km de sua superfície, e com isso espera-se conhecer um pouco mais sobre este planeta, que foi rebaixado de categoria, pela União Astronômica Internacional em agôsto de 2006, no mesmo ano do lançamento da New Horizons.
A sonda irá coletar imagens e dados de Plutão e das suas cinco luas conhecidas: Caronte, Styx, Nix, Kerberos e HyA. O tempo de transmissão dos dados até nós é de quatro horas e meia.

Fontes


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Cinema, ciências e modelos do Universo

No primeiro semestre deste ano, eu, em parceria com o professor de Química, resolvemos criar na nossa Escola de Tempo Integral, uma disciplina eletiva que nomeamos de Cinema & Ciências, e que acabou tendo boa aceitação por parte dos alunos do Ensino Médio. 
Exibimos ao todo 5 filmes, dentre eles, A Teoria de Tudo, e Interestelar, estes dois abordando temas relacionando conceitos da Física Moderna, que acabaram despertando a curiosidade dos jovens, a fim de buscar entender um pouco mais sobre Buracos Negros e Buracos de Minhoca
No final do bimestre realiza-se na escola a chamada Culminância, um dia escolhido para que todas as disciplinas eletivas mostrem os resultados dos trabalhos desenvolvidos em cada uma delas. Neste dia, decidimos mostrar um modelo simples desenvolvido pelos alunos, simulando em 3D a deformação do "tecido" representando o Espaço-Tempo, provocada por um corpo massivo sobre ele.
Para sugerir este modelo aos alunos, inspirei-me em um vídeo que vi na internet sobre os efeitos da gravidade, apresentados por um professor de uma escola americana (foto). Pensamos que não seria fácil construir um nas mesmas dimensões, e então achamos por bem fazer um menor, usando um bambolê que encontrei na escola e um tecido fino, que foi costurado sobre o aro por algumas alunas.
Fica aqui a dica deste modelo para os colegas professores também construírem um. É muito fácil de fazer, e dá pelo menos uma noção aos alunos sobre estes assuntos. Vejam:
Aluno explicando aos colegas como um corpo massivo deforma o "tecido" do Espaço-Tempo.
Alunos mostrando a simulação de um Buraco Negro.
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Experiência de dilatação do latão

Na escola em que dou aulas de Física recebemos uma grande quantidade de aparelhos de medida e materiais para experimentos destinados aos laboratórios. Um deles, fornecido pelo CIDEPE, é um dilatômetro que veio acompanhado de três tubinhos metálicos, um de aço, outro de cobre e outro de latão, que devem ser aquecidos para que se possa medir o coeficiente de dilatação linear de cada um, e compará-los. O vapor de água gerado em um recipiente fechado, colocado em cima de um aquecedor elétrico, é transportado para dentro do tubinho, aquecendo-o e fazendo com que um relógio medidor indique, com precisão de centésimos de milímetro (0,01 mm), o quanto o metal dilatou.
Montagem do experimento no laboratório da escola. A extremidade direita é fixada no ponto 500 mm.


Na montagem do experimento, fixamos a extremidade direita do tubinho de latão exatamente no ponto da régua marcando 500 mm. (foto)
Na outra extremidade, colocamos um extensor de metal conectando o tubinho à ponta do relógio medidor, exatamente no ponto da régua marcando 0 mm (foto).
A temperatura ambiente, medida no termômetro da sala, no início do experimento, era de 20ºC (foto). Consideramos que o tubinho de latão estaria nesta mesma temperatura inicial.
Quando a temperatura da água no interior do recipiente aquecido, atingiu 97ºC, o vapor começou a ser produzido e chegou ao interior do tubinho de latão, e então anotamos a variação do seu comprimento, que foi de 0,75 mm (foto).
Com estes dados, fizemos então o cálculo do coeficiente de dilatação do latão.
Sabemos que a dilatação linear de um material (ΔLdepende basicamente de três fatores, do comprimento inicial (Lo), do tipo de material, representado pelo coeficiente de dilatação linear (α), e da variação da temperatura (Δt):
ΔL = Lo . α . Δt
Aplicamos nesta fórmula os valores medidos na experiência:
0,75 = 500. α.(97-20)
Com isso,encontramos:
α = 0,0000194805

Comparando este valor com o valor encontrado na internet, pudemos verificar que chegamos muito próximo do esperado. No site http://www.webcalc.com.br/engenharia/dilat_alfa.html, por exemplo, o valor informado é:
α = 0,000019

Eu já havia realizado com os alunos o mesmo experimento, utilizando o aço e o cobre, e também chegamos a valores bem próximos do esperado.
Vejam o vídeo que fiz, mostrando a velocidade da dilatação através da variação no relógio medidor:

No meu tempo de colegial, eu aprendi dilatação somente através de giz e lousa, e não tinha a mínima noção do que ocorria na prática, à respeito da velocidade do processo. Agora estou tendo o privilégio de entender, juntamente com meus alunos, exatamente como estes materiais se comportam. Isto me leva a pensar em como a Física foi, e tem sido tão maltratada na maioria das escolas particulares, onde o aluno aprende a matéria apenas para fazer cálculos em questões pedidas nos vestibulares. Uma pena.
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Matemática: nossa conexão com as estrelas

Você  já deve ter ouvido falar sobre a conexão existente entre a matemática e o Cosmos. É realmente fantástico conhecer a forma como esta ciência contribuiu e continua contribuindo para uma melhor compreensão do que somos e da nossa real posição no universo, possibilitando um entendimento sobre suas forças e movimentos. Hoje, através dela, podemos até mesmo simular ou estudar eventos espetaculares, como por exemplo um colapso estelar, ou uma colisão galáctica. Sem a matemática, o universo ainda estaria envolto em trevas. Ela desenvolveu a linguagem que usamos para nos comunicarmos com as estrelas.
Antes de Galileu apontar sua luneta para o céu, ou Kepler ter descoberto que os planetas se movem em torno do Sol em elipses, e Newton ter encontrado uma constante gravitacional, a matemática usada permitia apenas uma compreensão bem limitada do universo. Para entendermos como chegamos a um nível tão elevado de descobertas através dela, é preciso primeiramente fazer um breve relato de como estas conexões foram se estabelecendo ao longo do tempo.

A matemática surgiu nas primeiras tribos humanas, anteriores à cultura babilônica, onde se encontram os seus primeiros registros organizados. Ela foi usada como uma forma de manter o controle dos ciclos lunares ou solares, e fazer a contagem de animais, alimentos ou pessoas. A aritmética simples parece estar entrelaçada em nossa própria natureza. Aqueles que dizem não ter talento para a matemática estão redondamente enganados porque, assim como todos nós temos uma mente para respirar, ou piscar, temos também a capacidade inata para entender a aritmética.
A matemática foi sendo construída ao lado do desenvolvimento humano, e continuou da mesma forma com cada cultura que estava criando-a simultaneamente. É maravilhoso observar que culturas que não tinham contato umas com as outras estavam desenvolvendo construções matemáticas semelhantes sem se comunicarem entre si.

Quando Galileu começou a medir as taxas com que os objetos caem, em uma tentativa de mostrar matematicamente que a massa tinha pouco a ver com a velocidade e tempo de queda, o futuro da humanidade seria alterado para sempre.

Essa ideia de o universo nos motivar para entendernos mais através da matemática pode ser notada na forma como Johannes Kepler observou as posições dos planetas, e em seguida, como ele teria aplicado a matemática para desenvolver um modelo bastante preciso do sistema solar, bem como um método para prever os movimentos planetários.
Esta é uma das muitas manifestações que ilustram a importância da matemática dentro de nossa história, especialmente dentro da astronomia e da física.

Ela se torna ainda mais incrível mais a frente quando se depara com um dos pensadores mais inspirados que a humanidade já conheceu: Sir Isaac Newton. Ao ponderar sobre os movimentos do cometa Halley, ele chegou à conclusão de que a matemática utilizada até então para descrever o movimento físico de corpos maciços, simplesmente não era suficiente.
Em uma demonstração de genialidade, Newton desenvolveu cálculos capazes de não só modelar com precisão o movimento do cometa Halley, mas também de qualquer outro corpo celeste que se movesse pelo céu:
                                                  

Nesta fórmula é possível ver a 3ª Lei de Kepler, mas com os valores adicionais da constante gravitacional G, M e m representando as massas dos dois organismos em questão, a equação não ficaria mais restrita apenas ao nosso sistema solar.
O que Newton percebeu foi que quando as coisas se movem de forma não-linear, a álgebra básica não iria produzir a resposta correta. 

Aqui reside talvez uma das principais diferenças entre álgebra e cálculo. Álgebra permite encontrar a inclinação (taxa de variação) de linhas retas (taxa constante de mudança), enquanto o Cálculo permite encontrar a inclinação de linhas curvas (taxa variável de mudança). Existem, obviamente, muitas outras aplicações do Cálculo, mas esta é uma diferença fundamental entre os dois, que mostra o quão revolucionário se tornou este novo conceito. Os movimentos dos planetas e outros objetos que orbitam o sol tornaram-se mais precisamente mensuráveis. 

A versão da Terceira Lei de Kepler de Netwon podia agora ser aplicada a quase tudo que estivesse orbitando outra coisa. A partir de outros dados, era possível determinar a massa de qualquer um dos objetos, a distância entre eles, a força da gravidade exercida, e outras qualidades físicas construídas a partir destes cálculos simples.
Com sua compreensão da matemática, Newton foi capaz de derivar a constante gravitacional para todos os objetos do universo:  (G = 6,672 × 10 - ¹¹ N m²/ kg²). Esta constante lhe possibilitou unificar astronomia e física, e então permitiu previsões sobre como as coisas se moveriam no universo. Podíamos medir as massas dos planetas (e do sol), mais precisamente, simplesmente de acordo com a física newtoniana, e a partir disso, poderíamos aplicar esta língua recém-descoberta para o cosmos, e começar a desvendar e divulgar seus segredos. Este foi um momento decisivo para a humanidade, em que todas essas coisas que impossibilitavam os nossos entendimentos anteriores a esta nova forma de matemática estavam agora ao nosso alcance, prontas para serem descobertas.

Descoberta de Netuno
Talvez o melhor exemplo do poder que a matemática nos concedeu, deu-se logo em seguida, na descoberta do planeta Netuno. Até sua descoberta em setembro de 1846, planetas tinham sido descobertos simplesmente observando a maneira estranha como eles se moviam contra o pano de fundo das estrelas.
Trajetória de movimentro retrógrado de Marte observado durante várias noites
O termo planeta em grego significa "errante". Essas "estrelas" peculiares atravessam o céu em padrões visíveis em diferentes épocas do ano. Depois que Galileu mirou seu telescópio pela primeira vez para cima, começamos a pensar na hipótese de que estes outros mundos poderiam parecer-se com o nosso.
De fato, alguns desses mundos pareciam ter eles próprios pequenos sistemas solares, como Galileu constatou, quando começou a observar, relatar e desenhar as órbitas das luas de Júpiter.
Ilustração feita por Galileu, de Júpiter e seus 4 maiores satélites,publicada no Sidereus Nuncius (1610)
Depois que Newton apresentou suas equações da física para o mundo, os matemáticos estavam prontos e animados para começarem a aplicá-las. Era como se estivéssemos com sede de conhecimento e, finalmente, alguém tivesse aberto a torneira. Começamos a medir os movimentos dos planetas e construir modelos mais precisos para explicar como eles se comportavam. Usamos também essas equações para estimar a massa do Sol.
Fomos capazes de fazer previsões notáveis que foram validadas por observações. Não havia precedentes para o que estávamos fazendo. Usávamos a matemática para fazer previsões dos movimentos dos planetas, que em seguida eram comprovadas na realidade. No entanto, também começamos a descobrir algumas discrepâncias ímpares a respeito de certos movimentos. Urano, por exemplo, não estava se comportando como deveria de acordo com as leis de Newton.

O que faz com que a descoberta de Netuno tenha sido  tão extraordinária foi a forma como ele foi descoberto. Olhando para os números, tinha que haver algo para mais além da órbita de Urano, perturbando sua trajetória regular.
O problema chegou ao matemático francês Urbain Le Verrier (figura), que debruçou-se meticulosamente sobre as equações matemáticas da órbita de Urano. Ele estava usando as equações para concluir que deveria haver um objeto além da órbita de Urano, que também estava orbitando o sol, a uma distância específica, com uma determinada massa que provocaria as irregularidades na órbita de Urano. Confiante em seus cálculos matemáticos, ele levou seus números para o Observatório de New Berlin, onde o astrônomo Johann Gottfried Galle olhou exatamente no ponto onde mostravam os cálculos, e lá estava o oitavo planeta do nosso sistema solar, menos de 1 grau fora de onde os cálculos de Verrier diziam que deveria estar. O que tinha acontecido era uma confirmação incrível da teoria da gravitação de Newton e provou que a sua matemática estava correta.
Netuno é mais do que apenas o oitavo planeta do nosso sistema solar; é uma lembrança celestial do poder que a matemática pode nos conceder. (veja a foto mais próxima até hoje tirada de Netuno, enviada pela espaçonave Voyager 2, em 20 de agosto de 1989)
Estes tipos de ideias matemáticas continuaram por muito tempo depois de Newton. Eventualmente, começamos a aprender muito mais sobre o universo com o advento da tecnologia. A partir da virada do século 19 para o século 20, a teoria quântica começou a tomar forma, e logo percebemos que a física e matemática newtoniana pareciam não ter nenhuma influência sobre o que observamos ao nível quântico. 
Em outro acontecimento importante na história da humanidade, mais uma vez trazido pelo avanço da matemática, Albert Einstein apresentou suas Teorias da Relatividade Especial e Geral, que era uma nova forma de olhar não só para a gravidade, mas também sobre a energia e o universo em geral.
O que a matemática de Einstein fez foi permitir-nos mais uma vez estabelecer um diálogo mais profundo com o universo, em que nós começamos a entender suas origens. 
Ocorre que agora existem dois ramos da física que não se alinham. A física Newtoniana ou física clássica, que funciona extraordinariamente bem com as coisas muito grandes (planetas, galáxias, etc...) e a física quântica que explica o mundo das coisas extremamente pequenas (as interações das partículas sub-atômicas, luz, etc...). Atualmente, essas duas áreas da física têm se constituído em dois dialetos diferentes de uma mesma língua. São semelhantes e ambos funcionam, mas eles não são facilmente conciliáveis um com o outro. Um dos maiores desafios que enfrentamos hoje está sendo tentar criar uma grande "teoria de tudo" matemática que une tanto as leis do mundo quântico com o do mundo macroscópico, ou explicar tudo apenas em termos da mecânica quântica. Esta não é uma tarefa fácil, mas os físicos têm-se esforçado muito neste sentido.

Como você pode ver, a matemática é a linguagem do universo, e ao aprendê-la, você estará abrindo caminhos para se aproximar dos mecanismos fundamentais pelos quais o Cosmos atua. É o mesmo que viajar para uma nova terra, e, lentamente, ir entendendo a língua nativa do povo de tal forma que você comece a aprender com eles. É através deste esforço matemático que nós, uma espécie ligada ao nosso sistema solar, poderemos explorar as profundezas do universo. 
Não há simplesmente nenhuma possibilidade de irmos até o centro da nossa galáxia e observarmos o buraco negro supermassivo que se supõe existir lá para confirmarmos esta previsão.  Não há também nenhuma maneira de nos aventurarmos em uma nebulosa escura e assistirmos em tempo real, uma estrela nascendo. No entanto, através da matemática, somos capazes de entender como essas coisas existem e funcionam. Quando você decide aprender matemática, não está apenas expandindo sua mente, mas conectando-se com o universo em um nível fundamental.
É incrível a nossa capacidade de traduzir os números para entender melhor os acontecimentos que todos nós gostamos de aprender. Então, quando você tiver a oportunidade de aprender matemática, lembre-se que ela nos aproxima e conecta com as estrelas.

Fontes:
http://www.todooceu.com/detalhamento/generalidades_plutao.html
http://www.universetoday.com/120681/mathematics-the-beautiful-language-of-the-universe/
http://fisicadiscutida.blogspot.com.br/2012/05/gravidade-newton-x-einstein.html
http://pt.wikipedia.org/wiki/Netuno_(planeta)
http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/aulas_11/Galileu_observacoes_tel_v3.htm
http://www.fisica-interessante.com/biografia-isaac-newton.html
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