A FIBRA ÓTICA

A fibra ótica é um material que utiliza a reflexão total da luz para transmiti-la através dele. A possibilidade de construí-la surgiu com o desenvolvimento da tecnologia do quartzo, que propiciou a obtenção de fios muito finos e perfeitamente transparentes, que podem ser encurvados sem se romperem. Assim, por reflexão total nas paredes da fibra, a luz, ou outra radiação eletromagnética qualquer, pode ser conduzida por qualquer trajetória. A transparência quase absoluta do quartzo de grande pureza é uma propriedade fundamental para a construção destes dispositivos. Um fio de vidro, por exemplo, pode ser utilizado, mas não serviria a estes propósitos pois não apresenta a transparência desejada para  as aplicações mais comuns da fibras  ótica: o fio de quartzo muito fino ( cerca de 5 milionésimos do metro) é envolvido por duas camadas, uma de vidro e outras de plástico , para sua proteção.

            Os principais usos da fibra ótica são encontrados na Medicina e em comunicação (televisão e telefone). Na Medicina, são usadas nos endoscópios, aparelhos que facilitam o exame de órgãos internos, ou em cirurgias. São usados dois feixes de fibras óticas, introduzidos através da garganta do paciente, Um leva o sinal luminoso e, o outro, traz a imagem do órgão para ao médico. A fonte de luz utilizada é sempre de laser, por sua grande potência e por poder ser transmitida por meio de feixes muito finos.

            Na comunicação, a fibra ótica é usada para transmitir sinais por meio de pulsos de radiações eletromagnéticas (quase sempre luz ou radiação infravermelha), substituindo os cabos submarinos na transmissão telefônica a grandes distâncias, que ainda é freqüentemente feia por corrente feita por corrente elétrica, através de dos de cobre. A fibra ótica permite transmitir informações com maior de fios de cobre.  A fibra ótica permite transmitir informações com maior eficiência e maior economia do que os fios de cobre ( podem , em igualdade de condições, enviar 100 000 vezes mais informações). Entretanto, a velocidade da transmissão dos sinais na fibra ótica( 200 000 km/s) é menor do que a dos sinais na corrente elétrica nos fios de cobre ( cerca 300 000km/s). Outra vantagem da fibra ótica, em relação dos fios de cobre, é que os repetidores e amplificadores dos sinais se fazem necessários apenas a distâncias de cera de 100 km, enquanto, para o fios de cobre, eles devem ser instalados de 4 km em 4 km, aproximadamente. Outra desvantagem é sua menor resistência ( quebram com facilidade), pois os de fios de cobre resistem melhor a depredações de peixes , da própria água a de outros fatores. Na fonte de sinais, quase sempre são radiações infravermelhas ( menos absorvidas pelo quartzo ) e na forma de laser ( pelos motivos já citados).

            As fibras óticas têm sido utilizadas, também, em um tipo especial astros. O aparelho possui vários braços mecânicos, controlados por motores independentes , e a cada um é adaptado uma fibra ótica ( no projeto Argus , um dos mais modernos já construído, instalado no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, existem 24 desses braços e no Hydra , projeto americano  desenvolvido no Arizona, há 96 braços). Com uma câmera de TV, cada fibra ótica é apontada para a posição onde se supõe existir uma galáxia, reduzido a superposição com a luz de estrelas mais próximas e da própria atmosfera. Com este processo está sendo possível construir uma mapa do Universo que, por enquanto, consta de poucos milhares de galáxias, número ainda muito pequeno diante do calor estimado, que é de 100 bilhões ( até o ano 2000 os astrônomos prevêem que cerca de  1 milhão de galáxias estarão catalogadas). Estes trabalho permitirá aos cientistas compreender melhor como o Universo está evoluindo e , a partir daí , construir um modelo mais adequado de sua origem.

            No nosso dia-a-dia, as fibras óticas são pouco usadas, podendo ser encontradas na confecção de certos tipos de lâmpadas de mesa, apenas com efeito decorativo. Em algumas casas de brinquedos, costumam ser encontradas lanternas, às quais foram adaptadas fibras óticas.

SNELL( 1591-1626)

Matemático e astrônomo holandês que, além de descobrir a lei da refração, desenvolveu um método para medir o raio da Terra.  A lei de Snell da refração, apesar de ter sido descoberta em 1620, só veio a ser amplamente divulgada através da obra Diopatrica , publicada em 1703 pelo físico , também holandês , C. huyghens.

                        Procure perceber o enorme valor dessa unidade, lembrando-se de que em praticamente 1s, a luz se desloca da Terra à Lua e, em 1 ano temos aproximadamente 30 milhões de segundos.

            Com essa unidade, podemos expressar mais comodamente as distâncias que no separam de alguns corpos celestes:

- para vir do Sol à Terra , a luz gasta cerca de  8 minutos; podemos , então dizer que a distância Terra-Sol é de 8 minutos-luz. Isto significa que, quando ocorre uma explosão na superfície do Sol, somente após minutos os astrônomos podem observá-la aqui na Terra;

-a estrela visível a olho nu mais próxima  da Terra é a estrela alfa da constelação do Centauro. Sua distância até nós é de 4,2 anos-luz, Portanto, a luz gasta 4,2 anos para vir da alfa Centauro até a Terra. Sendo assim, quando olhamos para essa estrela , nós a estamos vendo como ela era 4,2 anos atrás.

- os astrônomos verificaram que as estrelas encontram-se agrupadas em enormes aglomerações, denominadas  galáxias.  Cada uma dessas galáxias é constituída por muitos bilhões de estrelas. O nosso sistema solar, por exemplo, pertence a uma galáxia denominada  Via-láctea,  cujo diâmetro vale cerca de100000 anos-luz.

-o número de galáxias já observadas pelos cientistas é muito grande ( avalia-se que existem mais galáxias no Universo que habitantes na Terra) . Uma da mais próxima da Via- láctea é a galáxia ( ou nebulosa) de Andrômeda . Os astrônomos conseguiriam determinar nossa distância até Andrômeda e verificaram que ela é de, aproximadamente, 2 milhões de anos-luz! . Portanto, se subitamente todas as estrelas dessa galáxia se extinguissem, somente após 2 milhões de anos esse fato seria percebido aqui da Terra.

-usando aparelhagem e método atualizados, os astrônomos têm conseguido localizar novas galáxias, muito mais afastadas do que Andrômeda. Algumas delas encontram-se a uma distância de dezenas ( ou centenas) de milhões de anos-luz. Corpos celestes, afastados de nós alguns bilhões de anos-luz, já foram detectados, mostrando que o Universo tem dimensões extraordinariamente elevada, muito maiores do que se poderia imaginar;

-uma observação astronômica que teve grande repercussão quando foi  anunciada, no início do século XX , refere-se à expansão   do Universo , analisando a luz emitida por galáxias distantes, os cientistas verificaram ,por meio do efeito Doppler, que essas galáxias estão se afastando rapidamente umas das outras, de modo que as dimensões do Universo estão se tornando maiores a cada momento. Este resultado mostravam, com bastante clareza, que o Universo  não era estacionário,  como acreditava, até não, uma grande parte da comunidade científica.

            È interessante destacar que a concepção de um Universo não-estacionário está de acordo com as idéias proposta pelo famoso físico Albert Einstein, e sua Teoria da Relatividade Geral, na qual ele apresentou novas idéias sobre a gravitação universal, alterando profundamente o trabalho de Newton nesse campo. ( Imaginando um Universo em duas dimensões) , para que você possa ter uma idéia das concepções de Einstein: a superfície do balão representa o próprio Universo em que vivemos, e as pintas são galáxia distribuídas nesse Universo. Sua expansão corresponde ao aumento das dimensões do balão ao ser soprado, Quando isso acorre,as “ galáxias “ se afastam umas da outras.

            A observação do Universo em expansão  levou os cientistas a novas teorias sobre a origem do Universo. Entre elas. A mais conhecida e de maior   aceitação é a teoria da grande explosão ou tória da big-bang ( em inglês, big- bang significa “ grande explosão).  De acordo com essa teoria , há cerca de 15 bilhões de anos toda a matéria e energia do Universo estariam concentradas em uma região muito pequena.  Após uma enorme e súbita explosão, a matéria e a energia foram se espalhando, dando origem a um Universo em expansão. A situação atual nada mais seria do que um momento desse processo.

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

AS ENORMES DIMENSÕES DO UNIVERSO

            A velocidade da luz é usada na definição de uma unidade de comprimento, denominada 1 ano-luz, muito empregada na medida de distância que a luz astronômicas, O valor de 1 ano-luz é definido como sendo a distância que a luz percorre, no vácuo, em 1 ano ( esta distância vale cerca de  10¹³ km!).

            Para que você tenha uma idéia das enormes dimensões do Universo conhecido pelo homem, apresentaremos, a seguir, alguns exemplos de distâncias entre corpos celestes, expressando-as em anos-luz e procurando interpretar o seu significado.

            Assim, a distância que nos separa da estrela visível a olho nu, mais próxima de nós ( alfa do Centauro), é de 4,2 anos, para chegar à Terra. Em outras palavras, quando observamos esta estrela, estamos realmente vendo-a como ela era há 4,2 anos atrás . Então , se uma nave espacial partisse da Terra ,em direção à alfa do Centauro, e pudesse desenvolver uma velocidade igual à luz ( a máxima velocidade que, de acordo com a Teoria da Relatividade, poderia ser alcançada por um corpo material), ela somente chegaria ao seu destino após ter viajando durante mais de 4 anos ( a título de comparação, informamos que a luz do Sol gasta de 8 minutos para chegar à Terra).

            Os astrônomos verificaram que as estrela encontram-se , no espaço, agrupadas em enormes aglomerações, denominadas galáxias, constituídas, cada uma , por bilhões de bilhões de estrelas, O nosso sistema solar, por exemplo, pertence a uma galáxia, denominada Via - láctea, cujo diâmetro vale cerca de 100 000 anos-luz. O Sol está situado a 30 000 anos-luz do centro da Via láctea.

            O número de galáxias já observadas no Universo é muito grande. Entre elas, uma das mais próximas da Via - láctea é a galáxia ( ou nebulosa) de Andrômeda, que se encontra a um distância de  2 milhões de anos-luz. Portanto m quando ocorre uma explosão em alguma estela desta galáxia, somente após 2 milhões de anos fato ser percebido aqui na Terra.

            Outras galáxias encontram-se muito mais afastadas de nós , já tendo sido detectados corpos celestes a distâncias de centenas de milhões de anos-luz.

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

OS TRABALHODE FOUCAILT E MICHELSON

Outro cientista francês, Foucault , aprimorou substancialmente o método usado por Fizeau, substituindo a roda dentada por um sistema de espelhos em rotação. Com este processo, ele conseguiu realizar medidas bem mais precisa do que aquelas feitas por Fizeau. Já em 1862 Foucault obtinha , para a velocidade de luz , o valor c = 2,98 x 10⁸ m/s , bastante próximo do calor que hoje se conhece.

            Leon Foucaut ( 1819-1868)

            Cientista francês que, sido educado inicialmente para ser médico , acabou tornando-se um físico experimental de grande habilidade. Trabalhou com Fizeau, desenvolvendo técnicas de grande precisão para a medida da velocidade da luz. Um de sues trabalhos mais conhecidos é aquele realizado com m pêndulo, no panteon de Paris , demonstrando experimentalmente a rotação da Terra em torno de seu eixo ( pêndulo de Foucault). Por este trabalho , ele recebeu um prêmio da Real Academia de Ciências de Londres , sendo designado físico do Observatório Imperial de Paris.

            Outro resultado muito importante dói obtido por Foucaout: usando seu método dos espelhos girantes , e conseguiu medir a velocidade da luz fazendo-a percorrer distancias muito menores do que as usadas por Fizeau. Desta maneiram fói possível , pela primeira vez, medir o valor da velocidade da luz em materiais, Foucault, fazendo um feixe de luz propagar-se na água, verificou que a luz se deslocava neste líquido com a velocidade v = 2,23x10⁸ m/s , valor este, portanto, inferior a c. Este resultado causou um enorme impacto na época, pois muitos cientistas ( adeptos da ideias dobre a natureza da luz lançadas por Newton muitos anos antes) acreditavam que a luz se propagava, nos meios materiais , com velocidade maior do que no vácuo.

            Após os trabalhos de Foucault, vários cientistas, em diversos países  usando outras, técnicas de medidas, dedicaram-se á tarefa de determinar a velocidade da luz, procurando obter valores cada vez mais precisos, Entre ele devemos destacar o cientista americano A. Michelson, que, durante cerca de 50 anos, realizou as mais cuidadosas experiências com este objetivo. O resultado das últimas medidas realizadas por Michelson , c = 2,9977x10⁸ m/s, publicado em 1932, mostra a grande precisão alcançada por ele em suas experiências.

            Graças à oportunidade destes trabalhos, a velocidade da luz é um dos valores que se conhece com maior precisão ao campo da Física. Analisando cuidadosamente os trabalhos dos inúmeros cientistas que se dedicaram à medida desta grandeza , os físicos chegaram `a conclusão de que , atualmente , o melhor valor para representar a velocidade da luz é :

                                               C = 2,997925x10⁸ m/s

            Este números são fornecido a título do ilustração e não devemos nos preocupar em memoriza-los.  Entretanto, para a maioria das situações em que o valor da velocidade da luz deve ser usado , é suficiente considerar c = 3,00 x10⁸ m/s.

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!