A EXPERIENCIA DO FÍSICO FRANCÊS L. FIZEAU

            No século XIX , o físico francês Fizeau conseguiu medir a velocidade da luz com bastante precisão, fazendo um feixe luminoso percorrer uma distância relativamente pequena ( cerca de 16 km) sobre a superfície da Terra. Para isto, ele usou o dispositivo, que lhe permitiu medir o intervalo de tempo muito pequeno que  a luz gastou para percorrer esta distância.

            Fizeau fez um fixe de lua incidir sobre uma lamina de vidro na qual ele era parcialmente refletido , sendo dirigindo para um espelho distante M, após passar no intervalo A entre os dentes de uma roda dentada em rotação. A velocidade desta roda era ajustada de tal maneira que o feixe de luz, após se refletir em M , voltara à roda dentada , passando exatamente pelo intervalo B ( consecutivo de A e ocupando , neste instante , a  posição antes ocupada por A), sendo então recebido pelo observado O. assim , o tempo que a luz gastava para efetuar o percurso de ida e volta , entre a roda e o espelho M. era igual ao tempo, t, que a roda gastava para girar de uma ângulo correspondente à distância entre dois intervalos consecutivos ( arco AB).

            Conhecendo o número de rotação que a roda efetua por segundo e o número de dentes que ela possuía, Fizeau  obteve facilmente o valor de t. Como a distância d entre a roda e o espelho M era conhecido, foi possível obter o valor da velocidade da luz pela relação c = 2d/t. Em 1849 , Fizeau divulgou os resultados de suas experiências, apresentado o valor c= 3,13X 10 ⁸ m/s.

A VELOCIDADE DA LUZ

GALILEU TENTA MEDIR A VELOCIDADE DA LUZ

            Até meados do século XVII acreditava-se ,de maneira geral , que a velocidade da luz era infinita, isto é que ela se transmitia instantaneamente de um ponto a outro. Esta crença foi durante criticada por Galileu que julgava falhos os argumentos apresentados pelos defensores daquela ideia.

            Procurando obter elementos para esclarecer a questão, Galileu realizou várias experiências, tentando obter o valor da velocidade da luz. Basicamente, seu procedimento consistia em se colocarem , ele e um assistente, sobre duas colinas distanciadas de cerca de  2 km, cada um munido de uma lanterna. Galileu descobria sua lanterna e seu assistente , ao perceber a luz enviada por ela , descobria sua própria lanterna. Então, Galileu tentava medir o intervalo de tempo decorrido, entre o instante em que descobria sua lanterna e o instante em que percebia a luz proveniente da lanterna de seu assistente, Em outras palavras, Galileu procurava medir o tempo que a luz gastava para efetuar o percurso de ida e volta entre as duas colinas. Evidentemente, conhecendo o valor da velocidade da luz.

            Apesar de, em princípio, estar correto o método empregado por Galileu, ele não obteve êxito em sua experiência. Como sabemos atualmente , a velocidade da luz é muito grande ( c= 300 000 km/s) e , assim, na experiência de Galileu , a luz gastava cerca de 10^-5 s para efetuar o percurso de ida e volta entre as duas colina. Este tempo , extremamente pequeno, era impossível de ser medido com os parelhos de que dispunha Galileu , sendo esta a causa do fracasso de experiência.

A VELOCIDADE DA LUZ NÃO É INFINITA

            A primeira evidência de que a luz se propaga instantaneamente dói obtida através das observações do astrônomo dinamarquês , Ole Roemer, alguns anos após a morte de Galileu.

Roemer( 1644 – 17100

            Astrônomo dinamarquês que se tornou conhecido por suas observações dos eclipses de um dos satélites de Júpiter, com as quais foi possível concluir que a velocidade da luz não e infinita. Estas observações foram realizadas durante o período em que Roemer trabalhava no Observatório |real de Paris, onde viveu durante nove anos. Retornando á Dinamarca, além de continuar com suas atividades no campo da Astronomia, ele exerceu algumas funções públicas, chegando ao cargo de prefeito de Copenhague.

            Roemer, observando o movimento de um dos satélites de Júpiter em torno deste planeta, verificou que periodicamente ele se ocultava atrás de Júpiter, isto é , o satélite era eclipsado pelo planeta. Mediu, então , o intervalo de tempo entre dois eclipses sucessivos, verificando que era igual a 42,5 h. Supondo que quando a Terra se encontrava na posição A  ( mais próxima de júpiter) Roemer tenha determinado a hora exata em que ocorreu um destes eclipses, Sabendo que o eclipse seguinte ocorreria 42,5 h mais tarde e assim sucessivamente , ele organizou uma tabela de horários dos eclipses que ocorreriam durante o ano inteiro.

            Seis meses mais tarde quando a Terra se encontrava na posição B ( mais afastada de Júpiter), Roemer verificou , com surpresas, que is eclipses não estavam ocorrendo no horários previstos por ele. A ocorrência de um determinado eclipse era constatada vários minutos após o horário indicado na tabela. Interpretou corretamente o motivo do atraso da seguinte maneira: em seis meses , enquanto a Terra passa da posição A  para a posição B , Júpiter desloca-se muito pouco , permanecendo praticamente na mesma posição em sua órbita, Então, a luz proveniente do satélite tem de percorrer em certa distância para chegar à Terra na posição A  a uma distância adicional, AB  para alcançar nosso planeta na posição B . desta maneira , o atraso observado nos eclipses seria igual ao tempo que a luz gasta para percorrer a distância correspondente ao diâmetro do órbita da Terra ( distância AB).

            Conhecendo-se este tempo e dispondo de uma estimativa do valor do diâmetro da órbita da Terra , foi possível , ainda no século XVII, determinar um valor pra a velocidade da luz, encontrando-se c = 200 000 km/s.Estes valor difere bastante daquele que conhecemos atualmente. Entretanto ,as observações de Roemer tivera, o mérito de mostrar que a velocidade da luz apesar de muito grande , não é infinita.

Louiz Fizeou ( 1819 – 1896)

            Físico francês cujo trabalho mais notável consistiu em determinar, com boa precisão, o valor da velocidade da luz m realizando experiência na superfície da Terra ( não astronômicas). Desenvolveu diversos trabalhos sobre o calor e a luz sendo o primeiro a interpretar corretamente o efeito Doppler observado com a luz proveniente de estrelas, Em 1860 tornou-se membro da Academia Francesa de Ciências d foi indicado, em 1863, para professor de Física da Escola Politécnica de Paris. 

   

Fonte: Luiz,Antônio Máximo Ribeiro da,Beatriz Alvarenga Álvares, Física 1 vol 2- São Paulo;Scpione,2006

O ESPELHO DE ARQUIMEDES

O CIENTISTA E INVENTOR GREGO Arquimedes viveu no séc. III a.C., na cidade de Siracusa, a Sicília ( sul da Itália). Uma preocupação constante do rei de Siracusa era a proteção de sua cidade contra as ameaças de invasão pelas tropas romanas. Por isso , ele contratou Arquimedes para projetar  e construir dispositivos de guerra , destinados a defender a contra-atacar o inimigo.

            Entre as armas que Arquimedes teria preparado para defender Siracusa, contam os historiadores que havia grandes espelhos côncavos para fazer convergir os raios solares sobre os navios da esquadra romana. A concentração da luz solar provoca uma grade elevação de temperatura e , assim, teria sido possível incendiar a esquadra inimiga.

            Alguns historiadores têm dúvida sobre se realmente Arquimedes conseguiu realizar essa façanha. Tentando mostrar que a havia possibilidade práticas para que ela pudesse ter acontecido, um engenheiro grego, em 1973, procurou reproduzir-lá . colocou 70 espelhos planos ( cada um com cerca de 1,5 m x 1 m) dispostos em um semicírculo, de modo a fazerem convergir os raios solares sobre um barco de madeira , situado a 50 m da costa ( o conjunto de espelhos planos atuava como um espelho convergente). Procedendo dessa maneira , em um dia ensolarado, o engenheiro conseguiu incendiar o barco, que em poucos segundo foi consumido pelas chamas!

CÂMARA ESCURA DE ORIFÍCIO

Uma câmara  escura de orifício , muito simples , consiste de uma caixa fechada, na qual uma das faces laterais é feita de um papel semitransparente ( papel vegetal ou de seda, por exemplo). Na face oposta é feito o pequeno orifício, com uma agulha ou alfinete. Com este dispositivo pode-se obter a imagem de um objeto, usando o fato de que a luz se propaga em linha reta.

           

                                                                                              ’

                                                                                              

Para que você entenda como isso ocorre, um objeto AB é colocado em frente ao orifício de uma câmara escura. Cada ponto do objeto, como o ponto A, emite luz em toda as direções. Um estrito feixe que parte de A , passa através do orifício e incide na parede oposta , dando origem a uma pequena mancha luminosa A’. De mo semelhante, o feixe que sai do ponto b e passa pelo orifício dará origem à  mancha B’. É fácil perceber que à qualquer outro ponto do objeto corresponderá sobre a parede semitransparente uma pequena mancha luminoso. Assim, o objeto é reproduzido ponto a ponto, dando origem sobre aquela parede a uma imagem A’B’ semelhante a ele. Observe, que esta imagem é invertida em relação ao objeto e que uma pessoa poderá observá-la, uma vez que a parede é semitransparente.

            Usando uma caixa de papelão e orientando-se pela figura, você poderá construir facilmente uma câmera escura, Se usar como objeto a chama de uma vela e realizar a experiência em um quarto escurecido, a imagem projetada sobre a parede semitransparente será visível com muita clareza.

            Quando o orifício da câmera é muito pequeno, a imagem obtida pode ser bastante nítida, mas como os feixes de luz que passam através dele são muito estreitos, a imagem apresenta pouca luminosidade. Para que ela seja percebida, o objeto precisa estar fortemente iluminado. Um recurso para aumentar a luminosidade da imagem seria aumentar a área do orifício. Entretanto, neste caso, cada ponto do objeto dará origem a uma mancha luminosa de dimensões maiores ( que não poderá ser assimilada a um ponto) , prejudicando, então, a nitidez da imagem.

            Nas câmaras que fornecem imagens nítidas de luminosidade razoável, a parede semitransparente poderá ser fechada e adaptada em seu interior um filme fotográfico. Nestas condições e com um tempo suficiente de exposição, é possível obter boas foto de um objeto.

CÂMARA ESCURA DE ORIFÍCIO

Uma câmara  escura de orifício , muito simples , consiste de uma caixa fechada, na qual uma das faces laterais é feita de um papel semitransparente ( papel vegetal ou de seda, por exemplo). Na face oposta é feito o pequeno orifício, com uma agulha ou alfinete. Com este dispositivo pode-se obter a imagem de um objeto, usando o fato de que a luz se propaga em linha reta.

ECLIPSE DO SOL E DA LUA

Quando a Lua passa entre o Sol e a Terra, a Lua sombra é projetada sobre i,a região da Terra que deixa,então de receber a luz solar. Como o Sol é uma fonte externa, a sombra da Lua não é bem definida, apresentando uma região totalmente escura, envolvida por uma penumbra. Para pessoa situada a região totalmente escura. Temos um eclipse total do Sol ( o disco solar é totalmente coberto pela Lua). Outra pessoa , situada na região de penumbra, veria apenas parte do Sol eclipsada pela Lua ( eclipse parcial do Sol).

VAPOR D’ÁGUA NA ATMOSFERA

O ar atmosférico, como você deve saber, é uma mistura de alguns gases tais como o oxigênio, o anidrido carbônico e vapor d’água. A quantidade de vapor d’água existente em um dado volume de ar é um fator importante para a nossa vida, pois está relacionado com a ocorrência das chuvas, com o clima em geral e até mesmo com a sensação de conforto que experimentamos em um determinado ambiente ( o desconforto PE causado tanto por excesso quanto Poe baixo percentual de vapor na atmosfera). Para caracterizar a quantidade de vapor existente em uma dada massa de ar define-se a unidade absoluta, u_a,  da atmosfera , da seguintes maneia: sendo m a massa de vapor presente em um volume V  de ar, temos

           

                                    u_a = m/V

            Esta grandeza é pouco usada, porque os técnicos e cientistas preferem trabalhar com o conceito de unidade relativa  que analisaremos a seguir.         

            A pressão atmosférica é a soma das pressões exercidas por todos os gases presente no ar.  A pressão que cada um destes gases exerce isoladamente é de nominada  pressão parcial  do gás .   A pressão parcial qe o vapor d’água exerce é , em geral , muito baixa, estando situada em torno de alguns milímetro de Hg.

            È fácil perceber que, para uma dada temperatura, a pressa parcial do vapor d’água não pode ser maior do que a sua pressão de vapor ,pois , como vimos nessas condições o vapor se condensaria. Quando a pressão parcial se iguala á pressão de vapor (ele está prestes a se condensar), dizemos que o vapor esta  saturando  e, quando ela é inferior a este valor, o vapor é denominado  vapor seco ou saturado. A unidade relativa, u_a  do ar PE definida da seguinte maneira:

           

                        Pressão parcial do vapor d’água

u_r = _____________________________________________

            pressão de vapor d’água na mesma temperatura

            Vejamos um exemplo suponhamos que em um ambiente, á temperatura de 20°C, a pressão parcial do vapor d’água fosse de 10 mmHg. A pressão de vapor d’água é de 17,5 mmHg ( isto é , o vapor estaria saturado se um pressão tivesse este valor). Então,e umidade relativa do ambiente seria:

           

                                               u_r  = 10/17,5 = 0,57

            Usualmente o valor de  u_r é representado sob forma percentual, isto é

                                               u_r = 100x0,57 ou  u_r = 57%

            Evidentemente,se o vapor no ambiente estivesse saturado, sua umidade relativa seria  u_r = 100%  e se não houvesse vapor presente na atmosfera teríamos  u_r = 0 . Nesta última situação a velocidade de evaporação de água colocada em um recipiente aberto seria muito alta e no primeiro caso ( u_r = 100%) á água não se evaporaria.

            Pressão de vapor da água

Temperatura (°C)                     Pressão de vapor (mmHg)

0                                                          4,6     

5                                                          6,5

10                                                        8,9

15                                                        12,6

20                                                        17,5

40                                                        55,1

60                                                        150    

100                                                      760    

120                                                      1490

140                                                      2710

           

            A medida da umidade relativa do ar é feita por meio de aparelhos denominados  higrômetros.  Um modelo muito simples de higrômetro pode ser construído se dispusermos de um termômetro  e de um recipiente metálico liso ( ou até mesmo de um copo de vidro comum). Colocando-se água no recipiente e acrescentando-se a ela, lentamente pequenos pedaços de gelo, sua temperatura irá descrevendo gradualmente. Em certo momento observa-se que a superfície externa do recipiente torna-se embaçada, em virtude da condenação, sobre esta superfície, do vapor da água existente na atmosfera. A temperatura em que isto ocorre é denominada ponto de orvalho. Suponha e que esta condensação tenha corrido quando a temperatura do recipiente atingiu 10°C .  A tabela nos fornece o valor da pressão de vapor da água a 10°C, que é de 8,9 mmHg. Sabe-se que o vapor se condensa quando sua pressão parcial se iguala á pressão do vapor. Logo , a pressão parcial de vapor d`água na atmosfera é igual a 8,9 mmHg. O termômetro nos fornece também a temperatura do ar ambiente. Suponha que ela seja de 20°C, obtemos a pressão de vapor a esta 

CRISTAIS LÍQUIDOS – MATERIAIS DE ESTRUTURA POUCO COMUM

Os cristais líquidos   são substancias cujas moléculas se escoam, uma sobre as outras , como ocorre nos líquidos, mas que em certas situações, mantêm uma estrutura organizada como os cristais. Estes fato, apresentando-se como uma certa contradição, costuma ocorre na própria natureza. Os cristais líquidos apresentam esta característica dual , possuindo, porém, propriedades bem-definidas.

            Há pouco menos de 100 anos um fato estranho foi observado com o benzoato de colesterol: ao ser aquecido e fundir-se ,a 135° C, observou-se e um líquido viscoso e turvo. Ao atingir 178° C, esse líquido tornou-se transparente e perdia a viscosidade. Ao se resfriar, as mesmas duas fases eram observadas até que a substância se solidificasse. Esta constatação permaneceu, durante muito tempo, como uma curiosidade de laboratório. Entretanto, um conhecimento mais profundo da estrutura de substâncias como o  colesterol permitiu perceber que elas possuíam propriedades interessantes, que poderiam ser usadas em novas e úteis aplicações. As forças moleculares que mantém suas estruturas são muito fracas sendo, então, facilmente afetada por campos eletromagnéticos, tensões mecânicas e temperaturas aplicadas ao material. Esses conhecimentos só se fizeram possível recentemente ( década de 40 e 50).

            Hoje em dia, são conhecidas centenas de materiais orgânicos sólidos, naturais ou produzidos sinteticamente, que, ao se fundirem, apresentam duas ou mais fases intermediárias. Essas sã chamadas fases mesomórficas e as substâncias que as apresentam são denominadas  cristais mesomórficas  ou  cristais líquidos.

            Todas as substâncias que apresentam estas fases possuem moléculas em forma de um bastão alongado, que tendem a se colocar paralelamente entre si ( sendo a espessura de cada bastão de uma ou duas moléculas apenas) m formando camadas nas quais as moléculas podem apresentar-se ordenada ou desordenadamente . A agitação térmica tende a desorientar as moléculas e, assim, a estrutura real que o cristal líquido apresenta irá depender do equilíbrio entre a tendência à desordem, provocada por aquela agitação. A baixas temperaturas predomina a ordenação pois a agitação térmica é pequena e o material apresenta estrutura cristalina. Quando a temperatura cresce ( ou uma voltagem é aplicada ao cristal), as moléculas tendem à desordem, aproximando-se da estrutura líquida . Enquanto esta mudança ocorre, varias fases intermediárias são percebidas nos cristais líquidos, ao contrário do que ocorre com as substâncias comuns ( como a água por exemplo) que passam bruscamente da fase sólida para a líquida.

Aplicações dos cristais líquidos

            Alguns cristais líquidos podem ter sua estrutura cristalina perturbada por pequenas variações de temperatura, levando-os, por exemplo, a mudar sensivelmente de cor. Esta propriedade é aproveitada na construção de termômetros de cristais líquidos, podendo-se encontrar outros objetos feitos com materiais dessa natureza. Atualmente, até tecidos costumam ser confeccionados com este material. Eis alguns desses materiais:

-suportes de corpo: possuem uma camada de cristal líquido sensível temperatura, apenas com o objetivo de torná-la agradável à vista do usuário, em virtude da variedade de cores que pode apresentar. Isto pode ser facilmente percebido aquecendo-o ( com a própria mão_ e resfriando-o( colocando sobre ele um copo com bebida gelada)

- termômetros de cristais líquido: são construídos com um conjunto de pequenas lâminas deste material, cada um adquirindo determinada cor, quando sua temperatura  atinge um certo valor. Isto corre porque, ao atingir aquela temperatura, a estrutura a lâmina é alterada levando-a ao receber a luz branca, a refletir uma dada cor e a absorver as demais apresentando-se , portanto, com a cor reletiva, Em outra temperatura, a estrutura do material é tal que ele absorve toda a luz recebida, apresentado-se praticamente preto. Tende obter um termômetro deste tipo e verifique este fatos ( costumam ser encontrados em lojas especializadas em materiais para aquários).

- cartão ( ou anel) medidor de estresse: contém um pequeno retângulo de cristal líquido ( no anel, a pedra é feita com este material) estão apresentados como capazes de indicar o estresse ( tensão psíquica) de uma pessoa, em determinado momento. Segundo as instruções contidas no cartão, a pessoa deverá colocar seu polegar sobre o retângulo mencionado, deixando-o ali alguns segundos. Ainda no cartão há uma relação de possíveis estados a serem identificados, de acordo com a cor apresentada pelo retângulo de cristal líquido, quando a pessoa retia seu polegar. Você percebe a farsa no uso desse cartão? A cor apresentada pelo cristal líquido irá depender exclusivamente da temperatura da mão da pessoa. Em dia muito frio, toda pessoa mal agasalhada se apresenta estressada!? E bastaria esfregar bastante as mãos para que seu estado de tensão desaparecesse!

- display de cristal líquido ( LCD – liquid crystal display) : este tipo demonstrador vem sendo usado no lugar de LED (light emitting díade), comum em aparelho digitais, cujo uso é feito com ligação a uma tomada. O LCD funciona com potência muito inferior ao LED ( cerca de 1 000 vezes menor) .Sendo seu uso mai econômico, é mais adequado para aparelho portáteis, que utilizam pequenas pilhas ou baterias, pois permite maior duração dessas fontes. É usado como frequência em relógios de pulso, calculadoras de bolso etc.

            Para discriminar se um display de qualquer aparelho é de tipo LCD ou LED, basta observá-lo através de um polaroide. Girando o polaroide, se para uma dada inclinação do display os dígitos não puderem se vistos, trata de um LCD. Se for um  LED não haverá alteração na luminosidade dos dígitos.

- televisão colorida: há tentativas, que ainda não alcançaram completo êxito, de usar os cristais líquidos na confecção de telas de aparelhos de TV. Aproveitando as propriedades destes materiais utilizados nos exemplos já descritos ( efeitos de cores sob variação de temperatura e desvio do pano de polarização da luz por aplicação de pequenas variações voltagem). Estes aparelhos evitariam a necessidade de uso dos turbos de raios catódicos para desviar os feixes de elétrons, tornando o aparelho mais compacto pois sua espessura poderia ser muito reduzida.

            Por enquanto os fabricantes de pequenas dimensões, mas alguns problemas técnicos de nitidez da imagem e outros ainda não foram resolvidos.