7/27/2019 As quatro forças da natureza

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As Quatro Forças Básicas Da Natureza 

Atualmente, podemos reduzir todos os tipos de forças conhecidas a apenas quatro tipos

de interações fundamentais e destas, as forças derivadas. Podemos descrever: as

Interações Gravitacionais, Interações Eletromagnéticas, Interações Fortes e as

Interações Fracas.

1 – Interações Gravitacionais 

[Sistema Solar: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_sys.jpg] 

A lei da força mais antiga conhecida é a Lei de Newton da Gravitação Universal, que

exprime as forças de interação gravitacional entre duas partículas 1 e 2, com massas

iguais a m1 e m2 respectivamente, cujo deslocamento relativo é r  12:

Onde:

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Desta forma, a equação (1) diz que a magnitude da força gravitacional é proporcional à

massa de cada uma das partículas e inversamente proporcional ao quadrado da distância

que as separa. A força está dirigida ao longo da reta que passa pelas duas partículas e é

atrativa, ou seja, a força F 2(1) exercida por 1 sobre 2 está dirigida para 1, em sentido

oposto ao vetor r 12: daí o sinal negativo na equação (1).

A constante de proporcionalidade G é uma “constante Universal”, denominada por 

Constante Gravitacional e seu valor numérico em unidades no SI é:

Isto quer dizer que a força de atração gravitacional entre duas partículas de massas de

1kg à distância de 1m é e 6,67 x 10 – 11 N , ou seja, é de aproximadamente 10 – 5 vezes o

 peso de um fio de cabelo! Isto mostra como é fraca a interação gravitacional: é a mais

fraca de todas as interações fundamentais conhecidas.

Mas apesar de ser tão fraca, é a mais importante interação nas aplicações astronômicas,

devido às seguintes razões:

a) Continua atuando entre corpos eletricamente neutros, ou seja, que contém igual

quantidade de carga elétrica positiva e negativa, eliminando as interações de origem

elétrica entre eles;

 b) Ao contrário das forças elétricas, a interação gravitacional é sempre atrativa;

c) As massas dos corpos que interagem, na escala astronômica, são extremamente

grandes.

2 – Interações Eletromagnéticas 

[Força eletromagnética: http://osfundamentosdafisica.blogspot.com] 

Embora as forças elétricas já fossem conhecidas desde a antiguidade, a lei de forçasentre duas partículas carregadas em repouso só foi obtida em 1785 por Coulomb. Para

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duas partículas de cargas elétricas q1 e q2 com deslocamento relativo r 12 , a lei de

Coulomb dá:

Embora a analogia com a equação (1) seja grande, a carga, ao contrário da massa, pode

ser positiva ou negativa. A constante k é positiva, de modo que duas cargas de sinais

contrários se atraem:

ao passo que cargas de mesmo sinal se repelem:

 No SI , a unidade de carga elétrica é o Coulomb [C ]. Uma corrente de 1 A num fio

corresponde à passagem de 1C por segundo através da secção transversal do fio. Nestas

unidades, a constante k é dada por:

Assim, a magnitude da força elétrica entre duas cargas de 1C à distância de 1m entre si é

de 9 x 109 N , que corresponde ao peso de 9 x 108kg . Isto dá uma idéia de quão mais forte

é a interação elétrica em confronto com a gravitacional. Como a carga do elétron é de

1,6 x 10 – 19C (igual e contrária ao próton), um corpo macroscópico contém em seus

átomos uma carga total negativa de pelo menos alguns milhares de C , mas ela éneutralizada por uma carga positiva igual e contrária, e é por isso que os efeitos da força

elétrica não se fazem sentir, neste caso.

Quando uma partícula carregada se move num campo magnético, atua sobre ela uma

força conhecida como força de Lorentz (forças desse tipo que atuam sobre um fio que

transporta uma corrente elétrica situada num campo magnético, fazendo girar um motor,

 por exemplo). A força de Lorentz é proporcional à velocidade da partícula, mas sua

direção é perpendicular à de v. Como uma partícula carregada em movimento também

 produz um campo magnético existem forças de interação tanto elétricas como

magnéticas entre duas cargas em movimento qualquer. Estas forças eletromagnéticas,

que são bastante complicadas, não obedecem em geral à 3ª lei de Newton, ou seja, neste

caso:

Entretanto, o princípio da conservação do momento permanece válido, embora sob um

forma consideravelmente generalizada: o sistema considerado em geral emite radiação

eletromagnética, e é preciso levar em conta que a radiação também transporta momento.

Embora as forças elétrica e magnética apareçam de forma bastante diferente na

discussão acima, a teoria da relatividade restrita mostra que se trata na realidade deaspectos diferentes da mesma força, que poderíamos chamar de força eletromagnética.

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3 – Interações Fortes 

[Núcleo atômico: http://blogdafisica4.zip.net/arch2009-08-30_2009-09-05.html] 

Estas são as interações responsáveis pelas forças nucleares. Um núcleo atômico é

formado de prótons e nêutrons, localizados numa região cujas dimensões são da ordem

de 1 F = 10 – 15m. A força de repulsão coulombiana entre prótons à distâncias tão

 pequenas é muito grande. Apesar disso, temos não somente núcleos estáveis, mas

sabemos que é preciso bombardeá-los com partículas de energias elevadas para

fragmentá-los. Estes fatos já conduzem a algumas das características das interações

fortes: são de intensidade ainda bem maior que as interações eletromagnéticas – de fato,

são as mais intensas conhecidas – mas, ao mesmo tempo, tem um alcance extremamente

curto, da ordem de dimensões nucleares.

As interações fortes somente atuam entre as “partículas elementares” conhecidas como

hádrons, que possuem “carga hadrônica” (da mesma forma que interações

eletromagnéticas atuam entre partículas com carga elétrica). Os hádrons compreendem

os bárions, entre os quais figuram os núcleons (nêutron e próton), bem como outras

 partículas mais pesadas, e também partículas mais leves chamadas de mésons. Muitas

destas partículas são instáveis, desintegrando-se espontaneamente em outras, com

meias-vidas extremamente curtas, geralmente menores que 10 – 8 s.

As forças nucleares que resultam das interações fortes são muito complexas: tem caráter 

atrativo para distâncias maiores que 0,4 F e repulsivo para distâncias menores. Seu

decréscimo com a distância é extremamente rápido, caem exponencialmente adistâncias maiores que as dimensões nucleares. Os fenômenos que ocorrem na escala

nuclear só podem ser tratados pela mecânica quântica, em que o próprio conceito de

 força perde boa parte de sua aplicabilidade.

 Nas últimas décadas, bárions e mésons passaram a ser analisados em termos de

constituintes mais elementares, os quarks, interagindo com partículas chamadas gluons.

Desenvolveu-se o modelo padrão da física de partículas, cujas predições concordam

com os fatos experimentais conhecidos até agora nessa área.

4 – Interações Fracas 

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[Desintegração beta: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Beta-minus_Decay.svg] 

As interações fracas, como as fortes, atuam somente na escala nuclear. Seu alcance é

ainda menor que o das interações fortes. Entretanto, sua intensidade é muito menor, não

apenas a das interações fortes, mas também do que a das eletromagnéticas, situando-se

num nível intermediário entre as eletromagnéticas e as gravitacionais. As interações

fracas são responsáveis pelo processo de desintegração beta, a emissão de elétrons

 pelos núcleos de certas substâncias radioativas.

Em 1956, foi descoberto que as interações fracas violam o que se acreditava ser uma

simetria fundamental das leis físicas, a conservação da paridade (associada com

simetria entre direita e esquerda, ou para reflexão num espelho). Como as interações

fortes, as interações fracas também só podem ser tratadas pela mecânica quântica.

Entre os progressos recentes mais interessantes nas teorias das interações fundamentais,

destacam-se as tentativas de unificação dessas interações. Uma das mais bem sucedidas

é a da teoria unificada das interações eletromagnéticas e fracas, segundo a qual elasrepresentam aspectos diferentes de uma mesma interação fundamental. Está-se

 procurando juntar a esta teoria unificada também as interações fortes. Um

desenvolvimento ainda mais recente, que ainda tem caráter especulativo, unificaria

todas as interações juntando também a gravidade, são as teorias chamadas de

 supercordas. Todas estas teorias encontram-se em fase de rápido desenvolvimento.

Referências: 

[1] Curso de Física Básica V1 – Mecânica – H. Moysés Nessenzveig