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Primeiros Passos da Física
(Parte1)

leobarretos@uol.com.br 

Aqui, examinando a história dos primeiros passos dos diversos ramos da física, explicaremos o processo do despertar da ciência exposto no trabalho precedente, isto é, o processo segundo o qual os fatos experimentados desordenadamente foram sendo descritos, inicialmente sem qualquer tratamento, depois, gradativamente, foram sendo classificados em vários ramos miúdos e, em seguida, propriedades comuns desses ramos foram sendo abstraídas e, finalmente, os ramos maiores das ciências foram sendo formados pelas abstrações das propriedades mais gerais das leis especializadas assim obtidas.

1- Passos da Mecânica

Estática. Há muitos registros de que as alavancas já eram usadas na época do Egito. Visto que o método da utilização da balança romana já era descrito num livro de medicina da mesma época, imagina-se que o seu princípio também era, até certo ponto, compreendido. Embora não exista nenhuma descrição, pensa-se que as polias talvez já fossem usadas, uma vez que foram construídas estátuas de quase 400 toneladas. As descrições sobre a estática da Idade Antiga podem, portanto, ser vistas espalhadamente às vezes em livros de medicina, às vezes em livros religiosos, ou ainda em registros de obras de engenharia civil.

Esses ramos, como no caso de outros, começaram a ser descritos classificadamente também na época da Grécia, e Aristóteles, Arquimedes, e outros. deixaram obras relacionadas com a estática. Aristóteles deu a seguinte condição de equilíbrio (ilustração abaixo, esquerda): m/m’ v’/v, onde m e m’ são, respectivamente, as massas de cada peso e v e v’ são as velocidades com que ambas as pontas da barra se movem quando o equilíbrio for quebrado. Heron (século II A.C.) fez uma descrição mais completa do assunto e deixou a conclusão correta do equilíbrio da polia, (ilustração abaixo, direita) dada por d.m = d'.m'.

Foi bem mais tarde que a lei mais geral sobre equilíbrio das forças foi abstraída. No século XV, Leonardo da Vinci (1452-1519) já teria compreendido, até certo ponto, o paralelogramo de forças, mas a compreensão verdadeira deve-se a Stevin (1548-1620), que, entretanto, não a descreveu sob a forma de uma lei rigorosa. A conclusão da estática no sentido verdadeiro foi feita por Varignon (1654-1722), depois de Newton.

Dinâmica. Ao contrário da estática, que era conhecida relativamente bem desde a Idade Antiga, a dinâmica permaneceu confusa até a Idade Moderna. Existem algumas descrições classificadas, mas incorretas, na maioria. Aristóteles descreveu, por exemplo, que o corpo pesado cairia mais rapidamente que o leve, e que uma pedra jogada ao ar percorreria uma reta até um certo ponto, e depois cairia verticalmente. Foi Galileu (1564-1642) quem primeiramente corrigiu esses erros através de experiências. Examinando, com um relógio d’água, o movimento de corpos esféricos que percorriam vagarosamente um plano inclinado, ele obteve que, no caso de existir uma aceleração constante a, a relação entre a velocidade v e o tempo t era dada por v = at e a distância percorrida s por s = at2/2. Além disso, descobriu o isocronismo do pêndulo e compreendeu o movimento circular e o da queda de um corpo. 
Entretanto, na classificação atual, o seu trabalho estaria inclinado mais para a cinemática que para a dinâmica, porque a relação entre a força e a aceleração era ambígua. De qualquer modo, a estática e a cinemática pertenciam a categorias diferentes.

O conceito de atração terrestre apareceu somente no fim do século XVII, depois que os astrônomos descobriram que um relógio de pêndulo, calibrado em um determinado ponto da Terra, não indicava o tempo rigorosamente correto em outro ponto. Com base nesse fato, parece que Huygens (1629-1695) considerou, embora obscuramente, a existência da atração terrestre. Quem compreendeu o fato de modo extremamente claro e discriminou a massa do peso foi Newton. Os vários fenômenos independentes e suas respectivas interpretações que eram conhecidos até então foram por ele unidos sob a forma de três leis da mecânica.

Astronomia. As descrições relativas aos fenômenos de astronomia foram realizadas desde idade bastante antiga, devido às necessidades relacionadas com a agricultura, ao espanto ingênuo ante um eclipse ou ao seu aproveitamento para religiões. Já na época do Egito, o ano possuía 365 dias. O estabelecimento do ano bissexto em cada 4 anos, por causa da sua inexatidão, deu-se em 46 A.C.. Na Babilônia, já havia sido descoberto o período de Saros de 6585 dias e a precessão da Terra também já era conhecida por volta de 300 A.C.. As observações dos cinco planetas, Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno, ficaram registradas por longo tempo, e, nessa época, já existia uma tabela quase exata das previsões das posições dos planetas. Assim, quando essas observações passaram para as mãos dos gregos, já se encontravam no estágio de descrições classificadas, mas, na época da Alexandria, esses dados foram compilados do modo mais ordenado possível, surgindo a tabela das estrelas, Almagest, de Ptolomeu (85-165).

Na Idade Média, não houve nenhum desenvolvimento importante. Deve-se notar somente que a precisão das observações aumentou bastante, tendo sido publicada, em 1252, por Afonso X (1221-1284), corrigindo o Almagest, uma tabela de estrelas em que se podia confiar muito mais que na primeira. Posteriormente a precisão de observações foi aumentando cada vez mais, de tal modo que, na época de Tycho Brahe (1546-1601), mestre de Kepler (1571-1630), tinha-se tornado possível prever quase perfeitamente a posição dos planetas a partir de dados observados no passado. 
No campo teórico, foram apresentadas várias teorias desde a época da Grécia. Contudo, devido à noção inexata da distância entre os planetas, estas eram mais dogmas do que teorias. Com relação à estrutura do sistema solar, Aristarco (310-230 A.C.) defendeu a teoria heliocêntrica, mas a maioria era geocêntrica, como, por exemplo, a teoria de circulo excêntrico de Hiparco (190-125 A.C.) e a teoria de epiciclos de Apolônio (265-200 A.C.). Na última, especialmente, como se mostra na ilustração abaixo, os planetas percorriam uma órbita circular pequena com o centro percorrendo, em velocidade escalar constante, uma circunferência cujo centro era a Terra, e portanto era muito conveniente para a explicação do fenômeno de progressão e retrocesso dos planetas.

Se a explicação não fosse conseguida, introduzia-se uma terceira circunferência cujo centro b percorresse a segunda, depois mais uma quarta... Assim, com melhoramentos contínuos, conseguiu sobreviver até a época moderna. Mas, no século XV, com o aumento da precisão de observação, era preciso considerar um total de 79 epiciclos para se conseguir explicar o movimento dos planetas com a hipótese de epiciclos.

A primeira consideração, de que somente a hipótese heliocêntrica conseguiria interpretá-los de modo simples, foi apresentada por Copérnico (1473-1543). Mas mesmo ele não chegara, ainda, à idéia de órbita elíptica, e usou a circular, de modo que precisou ainda considerar os epiciclos para explicar os valores observados. Foi Kepler quem primeiramente propôs a órbita elíptica. Apresentou essa primeira lei em 1609 (hoje, lei das órbitas), juntamente com a lei que ele descobrira por volta de 1603 (atualmente denominada segunda lei ou lei das áreas) em que a área varrida pelo raio vetor que liga o Sol ao planeta é proporcional ao tempo necessário para percorrê-la. A terceira lei foi apresentada em 1619, e diz que o quadrado do período dos planetas é proporcional ao cubo da distância média entre estes e o Sol.

Completamento da mecânica. A partir da terceira lei de Kepler, muitos imaginaram a existência de uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre o Sol e os planetas. R. Hooke (1635-1703) era um deles, porém não conseguiu resolver o problema matematicamente. Foi mencionado anteriormente que se pensou na existência da atração terrestre devido a variação no período do pêndulo, mas Newton, notando que essa variação não era muito grande entre um lugar plano e uma montanha, imaginou que deveria ter um alcance mais longo e, levando em conta a terceira lei de Kepler, supôs que seria igual a uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância; aplicando-a ao caso da translação da Lua, obteve sua lei de gravitação universal, por volta de 1666. Entretanto, como nessa época, a medição da distância correspondente a um grau de latitude não era muito precisa, ao calcular a distância entre a Terra e a Lua apareceu um erro muito grande, e portanto os resultados não foram satisfatórios, sendo sua apresentação adiada até 1687.

Desse modo, os problemas relacionados com a alavanca, a polia, a trajetória de uma pedra atirada, o pêndulo, a localização dos planetas, o eclipse etc., que existiam independentemente no começo, gradativamente foram sendo classificados em ramos miúdos, como a estática, a cinemática, a astronomia, que se desenvolveram independentemente e, pelos trabalhos de Newton, um ramo maior chamado mecânica tornou-se completo. Desde então, pela sua aplicação a vários ramos especializados, essa mecânica foi sendo re-dividida em mecânica celeste, hidrodinâmica, mecânica de construção etc.

Primeiros Passos da Ciência (Geral)
Primeiros Passos da Física (parte 1)
Primeiros Passos da Física (parte 2)
Primeiros Passos da Física (parte 3)
Primeiros Passos da Física (parte 4)

 


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