Campus de Toledo Centro de Engenharias e Cincias Exatas Curso de Engenharia Qumica

As Quatro Foras da Natureza

Fsica Geral Experimental 1. 1 ano de Engenharia Qumica.

Toledo Agosto de 2011

Sumrio1 - Introduo ............................................................................................................................. 3 2 - A Natureza das Foras Fundamentais .................................................................................. 4 2.1 - Fora Nuclear Forte ........................................................................................................... 5 2.2 - Fora Nuclear Fraca........................................................................................................... 6 2.3 - Fora Eletromagntica ....................................................................................................... 7 2.4 - Fora Gravitacional ........................................................................................................... 8 2.4.1 - A Teoria da Gravitao de Isaac Newton ................................................................... 8 2.4.2 - Teoria da gravitao relativstica ................................................................................ 9 3 - As Foras Unificadas .......................................................................................................... 10 4 - Concluso ........................................................................................................................... 11 5 - Referncias bibliogrficas...................................................................................................13

IntroduoTodas as foras presentes na natureza podem ser explicadas a partir de quatro foras, as chamadas foras fundamentais da natureza. So elas fora nuclear forte, nuclear fraca, eletromagntica e gravitacional. Essas quatro foras determinam o comportamento da matria tanto em escala universal quanto em escala atmica, sendo que se diferenciam em parte pelos seus alcances, que variam de 10-17 m a distncias infinitas para as foras de longo alcance. Para se ter uma compreenso mais completa destas foras necessrio um conhecimento mais aprofundado de algumas reas da fsica, entretanto iremos apresentar neste trabalho uma pequena sntese de como funcionam estas foras em um nvel de compreenso cabvel a graduandos recm ingressados a um curso superior.

A Natureza das Foras FundamentaisSegundo teorias modernas da fsica quntica, as forcas fundamentais so transmitidas entre partculas reais, atravs de partculas virtuais (partculas que no podem ser detectadas diretamente, mas cuja existncia temporria permitida pelo princpio fsico chamado o princpio de incerteza de Heisenberg). As partculas que transmitem a fora (que so conhecidas como bsons calibradores) para cada uma das foras so os seguintes: na fora eletromagntica - ftons; na interao nuclear fraca - partculas muito massivas 'W' e 'Z' (bsons de vetor intermedirio); na interao nuclear forte - entre ncleos, por msons e entre quarks, por glons. Embora no tenho sido possvel ainda conceber uma teoria completamente satisfatria de gravitao que explique o comportamento da gravidade duma maneira semelhante, acredita-se, no entanto que a gravitao, tambm, vir a ter a sua prpria partcula que transmite a fora de gravidade - o grviton.

Fora Nuclear ForteA forca nuclear forte a responsvel pela coeso do ncleo atmico, uma vez que este formada por prtons e nutrons, sendo que entre os prtons, partculas positivamente carregadas, existe uma fora de repulso eletromagntica. Caso no houvesse a forca nuclear forte, a fora predominante seria a forca eletromagntica, havendo assim o afastamento dos prtons. Para que o ncleo se mantenha estvel necessrio que a fora forte nuclear forte seja maior que a repulso, e isso se comprova, a fora forte a mais forte de todas as quatro foras. Entretanto, a forca forte uma forca de curto alcance, cerca de 10-15 m, ou seja, ela atua somente no interior do ncleo, mantendo esta estabilidade. Pode-se dizer que a fora forte a responsvel pelos fenmenos de curto alcance que ocorrem no ncleo atmico. As partculas que transmitem a forca forte so os glons, como j citado anteriormente. Existem oito tipos diferentes de glons. Um prton formado por trs quarks, com a configurao uud, sendo que entre estes quarks ocorre uma intensa troca de glons, ou seja, ao invs de se estudar a interao entre dois prtons como sendo a interao entre duas partculas, deve-se estud-la como sendo a interao entre seis quarks e oito diferentes tipos de glons que interagem incessantemente. Este tipo de interao no nada simples e exige um nvel de conhecimento mais amplo para sua compreenso. O trabalho pioneiro sobre as foras fortes foi realizado pelo fsico japons Yukawa em 1934, mas at meados da dcada de 1970 no havia, realmente, uma teoria capaz de explicar os fenmenos nucleares. Foi ento que surgiu a cromodinmica quntica, a teoria que explica os fenmenos que ocorrem no interior do ncleo atmico.

Figura 1: interao entre quarks atravs de glons

Por causa da fora forte unir as partculas nucleares com tanta coeso, d-se uma libertao de quantidades enormes de energia quando ncleos leves so fundidos (reao de fuso nuclear) ou quando ncleos pesados so desfeitos (reao de fisso nuclear). A interao da fora nuclear forte a fonte bsica das quantidades vastas de energia que so libertadas pelas reaes nucleares que alimentam as estrelas.

Fora Nuclear FracaA fora nuclear fraca, tambm atua no interior do ncleo atmico, e a curta distancia, esta fora tambm esta relacionada a estabilidade nuclear, mas difere da fora forte, pois a fraca o fenmeno que explica a radioatividade e o decaimento de partculas nucleares. A atuao desta fora 10^-16 centmetros, ou seja, tem o um alcance menor que a forte. A radioatividade parte integrante da nossa vida. Alguns elementos qumicos possuem a caracterstica especial de emitir, espontaneamente, partculas de altas energias. A este fenmeno damos o nome de radioatividade. Um ncleo radioativo instvel porque ele contm ou prtons demais ou nutrons demais. Como consequncia disso, este ncleo ejeta espontaneamente partculas at se tonar estvel. Ao fazer isto, este tomo pode se transformar em outro elemento qumico. O processo chamado de decaimento, que tambm denominado como desintegraes tipo beta.

Figura 2: decaimento beta do carbono 14

Se esta fora fraca no existisse, muitos tipos de matrias se tornariam muito mais estveis. Elementos como o plutnio e urnio poderiam ser manuseados sem protees especiais, o sol acabaria, pois esta fora responsvel pela fuso de prtons e neutros para formar deutrio, e o excesso de energia resultante dessa fuso a fonte de calor do sol.

Fora EletromagnticaA fora eletromagntica, ou interao eletromagntica, aquela que ocorre quando corpos possuidores de cargas eltricas e/ou corpos magnetizados interagem, esta interao esta presente em praticamente todos os fenmenos fsicos, com exceo da gravidade. Sua influencia maior em micro escala, como ligaes intermoleculares e no ncleo de uma substancia, mas neste ultimo caso, a fora nuclear fraca supera a fora eletromagntica. Inclui as foras eltricas a as foras magnticas. Esta fora existe entre partculas que possuem cargas (eletrizadas) e podem ser atrativas ou repulsivas. Ela explica a ligao entre os eltrons e os ncleos atmicos e tambm a unio entre os tomos para formarem as molculas. Alm disso, a responsvel pela emisso de radiao eletromagntica, quando os tomos passam de um estado excitado para o seu estado fundamental. Como se sabe, corpos com cargas opostas se atraem, no caso, eltrons e prtons, essa atrao resulta em formao de uma estrutura, pois o ncleo de uma substancia positiva (prtons) enquanto eletrosfera negativa (eltrons) assim o ncleo atrai os eltrons para perto, e os eltrons se repelem. A fora eletromagntica tambm governa a emisso e absoro de luz e outras formas de radiao eletromagntica. Luz emitida quando uma partcula com carga eltrica acelerada (por exemplo, quando um eltron passa perto de um on, ou interatua com um campo magntico) ou quando um eltron desce dum nvel de energia mais alto para um mais baixo, num tomo (de uma 'rbita' afastada para uma 'rbita' prxima volta do ncleo do tomo). Esta fora acaba no sendo a mais presente em nosso meio, pois corpos macroscpicos em sua maioria tem carga nula, assim no podemos notar a ao da mesma com tanta facilidade como notamos a fora gravitacional em nosso dia a dia. Mesmo no notando ela, a usamos a cada segundo, como, por exemplo, ao ligar uma lmpada, deixamos que uma corrente eltrica passe, movimentando os eltrons de um lado para o outro, fazendo com que a lmpada acenda, se no fosse pelo diferencial potencial, isso no ocorria.

Fora GravitacionalDas foras fundamentais a gravidade e a mais fraca, entretanto a responsvel pela maior parte dos fenmenos observados em escala macroscpica. A forca gravitacional, assim como a eletromagntica, tem um alcance extremamente grande, inclusive pode-se afirmar que seu alcance seja infinito, tanto que a formulao de teorias acerca da fora gravitacional se deu a partir da observao dos corpos celestes. A descoberta da lei que nos mostra de que maneira os corpos celestes interagem foi feita por Isaac Newton. Aplicando uma ferramenta matemtica que ele havia recentemente desenvolvido, chamada fluctions e que hoje conhecida como "clculo diferencial", rbita da Lua em torno da Terra, Newton foi capaz de determinar que a fora da gravidade deva depender do inverso do quadrado da distncia entre a Terra e a Lua. Ao mesmo tempo, hoje sabemos que, segundo a Terceira Lei de Newton, uma vez que a gravidade uma fora exercida por um corpo sobre outro ela deve atuar de modo recproco entre as duas massas envolvidas.

A Teoria da Gravitao de Isaac NewtonNewton deduziu ento que: "A fora de atrao gravitacional entre dois corpos de massas M e m diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distncia que os separa". Para transformar a proporcionalidade em igualdade Newton introduziu uma "constante de proporcionalidade" na sua equao. Esta constante de proporcionalidade a constante de gravitao de Newton, representada pela letra G e que tem o valor G = 6,67 x 10-8 dinas centmetro2/grama2. Na constante acima "dina" uma unidade de medida de foras. Ela corresponde a gramas.centmetro/segundo2. Outra unidade de fora tambm comumente usada o "Newton" que equivale a quilograma.metro/segundo2. Pela lei da gravitao universal a fora de atrao gravitacional entre a Terra e a Lua dada por

onde G a constante gravitacional, M a massa da Terra, m a massa da Lua, e d a distncia entre a Terra e a Lua. Esta equao pode ser usada para calcular a atrao entre dois corpos quais, para os quais M a massa de um dos corpos, m a massa do outro, e d a distncia entre eles.

Figura 3: Esquema da atrao gravitacional entre dois corpos.

Vemos na equao que no existe nenhum limite para a distncia, ou seja, esta fora pode se propagar ao infinito como dito anteriormente. A fora gravitacional sempre atrativa, ou seja, no h fora gravitacional de repulso.

Teoria da Gravitao RelativsticaA fora gravitacional Newtoniana se propaga instantaneamente, o que est em contradio com a relatividade restrita. Einstein demorou dez anos para compatibilizar a relatividade restrita com a gravitao, e como resultado teve a relatividade geral, ou, teoria da gravitao relativstica. A Relatividade Restrita uma maneira de tornar compatvel a Mecnica Newtoniana com o Eletromagnetismo, porm ela s fala de uma classe bem distinta de referenciais, os referenciais inerciais. O que acontece na Relatividade Geral a extenso disso para todos os referenciais atravs do Princpio da Equivalncia, que acaba incluindo a gravidade e se transformando numa teoria de gravitao! O Princpio da Equivalncia diz que impossvel distinguir um campo gravitacional de um referencial acelerado, que eles so equivalentes. Atravs disso Einstein formula uma teoria de gravitao que inclui a Lei da Gravitao Universal do Newton como um caso especial, para campos gravitacionais muito fracos. Uma conseqncia estranha que se um referencial acelerado equivalente a um campo gravitacional, e se o tempo passa mais devagar para quem se move (est acelerado), ento o tempo deve passar mais devagar prximo a objetos muito massivos. A partir disso conclui-se que a gravitao ocorre devido curvatura do espao, e matria causa a curvatura do espao. A curvatura determina o movimento da matria.

As Foras UnificadasNas temperaturas e energias que existem no universo do presente, as quatro foras so distintas umas das outras e tm potncias diferentes. Em energias muito altas, contudo, a situao muda. Nas energias mais altas alcanveis com os aceleradores atuais de partculas (as quais correspondem a temperaturas de cerca de 10e15 graus Kelvin), as foras fraca e eletromagntica perdem as suas identidades separadas e unificam-se numa nica fora electro-fraca. Segundo o que se chamam as Grandes Teorias Unificadas (Grand Unified Theories - GUTs, em ingls), as foras forte e eletromagntica comportar-se-o como uma nica fora unificada em energias e temperaturas que so cerca dum trilho de vezes mais altas ainda (isto est muito para alm da tecnologia presente na Terra). Embora uma teoria completa (uma teoria de tudo, em ingls, "Theory of Everything TOE") que abrange todas as quatro foras no tenha sido ainda alcanada; muitos cientistas de fsica acreditam que a nveis de energia ainda mais altos, a gravitao unir-se- com as outras formando uma nica 'superfora'. Se esta hiptese est correta, ento, durante os primeiros instantes do 'big bang', o universo era dominado pela superfora unificada. De a em diante, conforme o universo expandiu e arrefeceu (e as energias das partculas diminuram), as foras separaram-se e adquiriram as suas identidades individuais, a gravitao a cerca de 10-43 segundos depois do comeo do tempo, a fora forte a cerca de 10-35 segundos, e as foras fraca e eletromagntica a cerca de 10-11 segundos. Os Cosmlogos, que se ocupam com a origem, evoluo e as estruturas de grande escala do universo inteiro fundamentam-se no trabalho dos fsicos que estudam partculas de alta energia para tentarem explicar os estgios-chave na evoluo do universo. Por no haver na Terra maneira de se poderem fazer experincias que possam gerar as energias tremendas que so necessrias para testar diretamente as Grandes Teorias Unificadas, os fsicos que estudam partculas de alta energia procuram observaes cosmolgicas para tentarem verificar a veracidade, ou doutro modo, das suas teorias. O mundo microscpico de partculas de alta energia e foras fundamentais est indissociavelmente ligado ao mundo das largas escalas de astrofsica e cosmologia.

ConclusoA fora nuclear forte a responsvel pela coeso do ncleo atmico e consequentemente, pelo universo como conhecemos. A forca forte permite que a matria se organize da forma como se encontra. Sem ela a matria seria organizada de forma diferente, quarks se movimentariam quase que livremente pelo universo, sem formar nenhuma estrutura organizada. Se no ocorresse a fora nuclear fraca, no seria possvel a vida no planeta terra, pois sem ela, o sol no existiria, afinal atravs da fuso de prtons e nutrons que ocasiona o deutrio, que a energia resultante dessa fuso a energia que mantm o planeta terra aquecido, logo sem ela no teramos uma fonte de calor para nos manter vivos, mas tambm por esta razo no podemos mexer com uma serie de elementos radioativos (que so radioativos por causa do decaimento beta). E do mesmo jeito, sem a fora eletromagntica, possivelmente nada existiria, ou o que existisse no teria uma forma especifica, seria uma formao ao acaso, pois essa interao influencia nas ligaes intermoleculares de cada molcula, assim atuando na sua formao estrutural, deixando uma linearidade, pois como h vrios prtons e eltrons, eles se arranjam de forma a ocupar a maior distancia entre as mesmas cargas, e o mais prximo das cargas opostas. A fora gravitacional nos permite mantermo-nos firmes ao planeta e governa o movimento a nvel macroscpico, uma vez que em escala macroscpica a maior parte dos corpos no tem carga eltrica.

Referncias Bibliogrficas1 GAROTTI, H. As quatros foras fundamentais da natureza, UFRGS. Disponivel em; . Acessado em: 25 de agosto de 2011 2 - . Acessado em: 24 de agosto de 2011. 3 - . Acessado em 25 de agosto de 2011. 4 - . Acessado em 23 de agosto de 2011. 5 NUSSENZVEIG, H. Moyss. Curso de Fsica Bsica, 1a edio, Volume 3. Editora Edgard Blcher LTDA.