O Guia Mangá de Física

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A Física tira você do sério?

Já no prólogo o Guia Mangá de Física Mecânica Clássica (Novatec, 2010) faz a pergunta que a maioria dos estudantes nem precisaria responder: bastaria uma olhada em sua expressão talvez idêntica ao desenho acima. É uma das matérias mais odiadas por alunos em todo o planeta, do Japão ao Brasil. Poderia bem ser uma lei da natureza considerar a Física simplesmente “difícil”, mas essa dificuldade é em grande parte devida à falta de contato com os conceitos e ferramentas usados.

capa_ampliada9788575221969 Aqui entra o Guia Mangá de Física, que pode familiarizar o público com os principais conceitos de Física Mecânica, das Leis de Newton à Conservação de Energia, seguindo o modelo popular no Japão de usar quadrinhos para explicar de tudo. Já resenhamos aqui o Guia Mangá de Eletricidade, e o guia de física é ainda melhor.

Talvez mais condizente com o currículo escolar brasileiro, e também por abordar apenas uma das áreas da física, os conceitos são explorados com mais calma. São quatro capítulos: Lei da Ação e Reação; Força e Movimento; Momento Linear e então Energia, abordados enquanto Megumi aprende a matéria com seu colega Ryota. No melhor estilo Mangá, eles logo se tornam mais do que amigos, tudo começando com uma partida de tênis. Afinal é física!

Como nos outros livros da série Guia Mangá, a história é o fio que une uma grande densidade de informação em cada página, com exemplos práticos e ilustrações sensacionais, complementados por textos mais técnicos expondo por exemplo as temidas fórmulas entre cada capítulo. As principais equações, no entanto, como F=ma, são abordadas nos próprios quadrinhos. E, se você reparar bem, a presilha que Megumi usa no cabelo é um sinal de igual, “=”.

São detalhes assim que tornam este guia mangá algo que me pareceu que crianças podem realmente acabar gostando. Não é um livro mágico: se o pimpolho não gostar de ler, se já tiver aversão por física, talvez acabe odiando ainda mais a matéria. Mas para crianças que possam apreciar primeiro a história do mangá enquanto têm um contato com idéias fundamentais na física apresentadas de forma divertida – com conceitos mais complexos separados nos textos que elas poderão pular e conferir depois – talvez… acabem até gostando de física?

Veja como o guia mangá ilustra o conceito da conservação da energia:

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É ou não sensacional? O autor e o desenhista não perdem a oportunidade de brincar depois com a idéia da energia como um sujeito todo musculoso de sunga. Há várias outras ilustrações cheias de imaginação e humor para conceitos físicos que em livros didáticos comuns são apenas palavras ou quando muito fotos.

O Guia Mangá de Física Mecânica Clássica não irá, contudo, substituir um livro didático da matéria com centenas de páginas e exercícios não tão divertidos, mas necessários, para fixação. No entanto, aborda sim todos os principais conceitos da física mecânica que um estudante verá até o final do ensino médio, em uma linguagem realmente divertida e acessível para todos. Mesmo para adultos que tenham esquecido do que viram no ginásio, é uma leitura rápida e divertida com novos exemplos para as idéias. Altamente recomendado.

Você pode conferir o sumário e baixar um trecho (incluindo os homens-energia acima) no site da editora, que enviou um exemplar para resenha por este que escreve aqui. E eu irei sortear esse exemplar para vocês! Acompanhe o 100nexos para mais detalhes em breve.

Sem depender de sorte, o desconto de 20% no site da editora Novatec continua valendo até o dia 30/04/2010! Basta utilizar o código promocional “100NEXO” no carrinho de compras.

Colisão de Anéis de Vórtice: da Clarividência às Supercordas

Colisão Frontal de Anéis de Vórtice Coloridos”. Um título humilde para um vídeo sensacional, via Fluid Mechanics Group da Universidade Nacional de Singapura. E há mais no título!

“Note a formação de pequenos anéis do cruzamento dos filamentos de vórtice ondulados dos anéis maiores”.

Dois vórtices maiores colidindo, resultando em uma série de vórtices menores. Lembra a colisão de partículas, e de fato, a lembrança é apropriada porque a associação não é nada nova. Muito antes que cordas se tornassem moda na física de partículas, um dos primeiros modelos propostos para o átomo por William Thomson, mais conhecido como Lorde Kelvin, sugeriu que átomos eram anéis de vórtice propagando-se pelo éter.

Como Michael Fowler especula, Kelvin foi provavelmente inspirado em sua idéia revolucionária por demonstrações da estabilidade de vórtices como esta:

O vídeo é uma simulação de Paul Nylander, mas vórtices toroidais podem mesmo fazer esse truque, passando um através do outro, e em condições ideais perpetuariam essa dança eternamente. E o éter luminífero, acreditava-se, ofereceria estas condições ideais. Nylander também oferece esta visualização que ajuda a enxergar o que ocorre e como esta estabilidade se mantém (clique na imagem para outro vídeo):

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Tudo muito belo, mas infelizmente, vórtices não são estáveis em muitas outras formas além de simples anéis, e não são assim realmente um bom modelo para átomos como propôs Kelvin. Mais do que uma boa analogia (“átomos são cordas como as de um instrumento musical!”, ou “são como pequenos sistemas solares!”, ou “são como anéis de fumaça!”), o que realmente vale em ciência, e particularmente na física, são boas ferramentas matemáticas, e a dinâmica de fluidos ao final não pôde oferecer muito avanço para predizer o comportamento de átomos e partículas.

A idéia inspirada de Kelvin sim impulsionou muito o avanço da própria dinâmica de fluidos e mesmo da matemática, com a teoria da nós na topologia.

Curiosamente, até ocultistas ao final do século 19 abraçaram a idéia de Kelvin. Pseudociência: sempre parasitando a ciência real, ao mesmo tempo em que alega estar além da entidade de que depende. O caso aqui não foi diferente, enquanto há evidência de que os ocultistas não só copiaram a idéia de Lorde Kelvin, como também dados de livros didáticos bem científicos para fundamentar suas visões supostamente místicas.

J. Michael McBride conta toda a história das “Lições Científicas Sérias da Observação Direta de Átomos por Clarividência”.

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Mas não sejamos tão duros, pelo menos com o Lorde Kelvin, aquele que proclamou que o avião seria impossível. A idéia de átomos de vórtice foi mesmo revolucionária, ela encontra sim uma correlação com teorias de cordas modernas, e pode não ter sido uma idéia ruim.

Assim é a ciência, e é mesmo possível que teorias de supercordas acabem se aproximando ainda mais da proposta original de Kelvin.

O que podemos dizer ao certo é que vórtices são fascinantes, estejam ou não por trás das partículas fundamentais da física. Como fumaça já são mais do que sensacionais.

Montanhas Aleluia e os Óculos de Schrödinger (I)

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“Um amigo meu saiu maravilhado depois de assistir a Avatar. Não parava de falar das montanhas flutuantes. E eu disse a ele: ‘Cara, seu planeta tem montanhas gigantescas de água. De água. Que flutuam em cima da sua cabeça todos os dias e quando viram chuva contribuem para o ciclo do líquido mais importante da sua existência’. A maioria vai de um lugar para o outro sem se dar conta da complexidade, maravilha e encantamento que é uma nuvem”. – Ibrahim César, 1001 Gatos de Schrödinger

E se eu lhe disser que ainda mais impressionante que os efeitos tridimensionais dos smurfs gigantes, são os próprios óculos que você deve ter usado no cinema, e como eles podem elevar o “mistério central” da física quântica a algo verdadeiramente absurdo… mas completamente real? Tão real que pode estar agora mesmo frente a seus olhos, e no entanto, como uma montanha de água com a massa de dez mil aviões 747 flutuando no céu, passa despercebido?

Depois de um breve lapso, é mais uma coluna Dúvida Razoável, iniciando uma série na continuação.

Newton e os Universos Paralelos

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“Sempre que pensamos em universo paralelos, tendemos a imaginar um muito semelhante ao nosso, onde apenas alguns detalhes mudam. E se imaginássemos um universo tão diferente que até as leis físicas são distintas da nossa? Por exemplo, como seriam as órbitas planetárias num universo onde a Lei da Gravidade não variasse com o quadrado da distância, mas sim com alguma outra expressão qualquer?”
BrainDump: Newton e os universos paralelos

Comece bem o ano com esse texto rápido e sensacional, misturando história da ciência, física e fantasia.

Antenas que falam: na Nature

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Há alguns meses abordamos o popular vídeo do “rádio de plasma” na Rússia, e buscamos explicar o curioso efeito da melhor forma possível: de rádios galena na Segunda Guerra a bobinas de Tesla cantando o tema de Super Mario Bros, chegamos finalmente ao vídeo de uma antena falante, confirmando o fenômeno.

Em um follow-up fascinante, o SciBling do Massa Crítica indica esta nota da revista Modern Mechanix de 1933 (!) que descreve exatamente o mesmo fenômeno:

“Um incidente na estação de Hilversum (Holanda), relatado pela autoridade de ninguém menos que o Dr. Balthasar van der Pol, em uma carta à Nature, é bem autenticada por observação competente. Energia adicional, durante um tempo demasiadamente seco, foi seguido pela aparição de uma descarga ‘coronal’ – isto é, luz cercando os fios da antena, produzida, claro, pela ionização do gás afetado pela saída de elétrons dos fios. A corono, no entanto, apareceu na forma de bolas de luz, de algumas polegadas de diâmetro, primeiro em uma extremidade do fio externo, e então interno. Quando a energia na estação foi reduzida a um valor normal – em torno de 10 kilowattts, 296 metros – a luz desapareceu. Além de ser luminosa, a antena era bem audível.

O programa da estação foi ouvido por transeuntes, como som vindo da antena, a uma distância de uma milha, em experimentos com alta voltagem posteriores. A ação é sem dúvida similar ao alto-falante de descarga elétrica, com o qual experimentos interessantes foram realizados no passado, mas precisa de voltagem muito alta para uso comum”.

Exatamente como o vídeo no Youtube da antena sobrecarregada, mas em um incidente na Holanda em 1933, devidamente relatado pelo doutor van der Pol à Nature! Não é só na Rússia que Plasma, rádio VOCÊ!! [Modern Mechanix, via Luis Brudna]

Super-Homem: Uma Teoria Unificada para seus Superpoderes

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“Desde tempos imemoriais o homem tem buscado explicar os poderes de Kal-El, também conhecido como Super-Homem. Siegel et al. sugeriram que sua superforça seja consequência de sua origem em outro planeta cuja densidade e, assim, gravidade, é muito maior do que a nossa. A seleção natural no planeta de Krypton teria desta forma dotado Kal El com músculos mais eficientes e maior densidade óssea; explicando, em primeira ordem, os poderes extraordinários do Super-Homem. Embora concisa, esta teoria provou-se inacurada. É agora claro que o Super-Homem de fato voa ao invés de apenas pular bem alto; e seu sopro congelante, visão de raio-X e de calor também não seriam respondidos pela teoria de Siegel.
Neste trabalho, propomos uma nova teoria unificada para a fonte dos poderes; isto é, todos os poderes extraordinários do Super-Homem seriam a manifestação de uma única habilidade sobrenatural, ao invés de um conjunto de várias. É nossa opinião a de que todos os poderes reconhecidos de Super-Homem podem ser unificados caso seu poder seja a habilidade de manipular, da escala atômica à de quilômetros, a inércia de sua própria matéria e a de qualquer outra com que esteja em contato”.
[Ben Tippett: A Unified theory of Superman’s Powers (PDF)]

Inércia. Esta seria a chave para todos os superpoderes de Super-Homem, na Grande Teoria Unificada elaborada por Ben Tippett e descrita no estilo e formato de um paper científico. O trabalho tem causado furor desde que foi divulgado há pouco mais de uma semana, e parece uma das teorias mais promissoras no entendimento deste enigma imemorial.

Considere, por exemplo, que se Super-Homem fosse apenas um sujeito com muita, muita força, capaz de levantar dezenas de toneladas – com apenas um braço – isso ainda assim não explicaria bem o comportamento observado em inúmeros quadrinhos, séries e filmes. Uma figura do trabalho de Tippett ilustra o problema (read on para a continuação):

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Como andar de bicicleta? Uma bicicleta com rodinhas… dentro da roda

ResearchBlogging.org

Algum dia a próxima geração poderá rir de nossas histórias de como aprendemos a andar de bicicleta, com rodinhas e arranhões. Este não é um informecial, ou mesmo um post pago, mas a Gyrowheel parece uma idéia simples e fabulosa.

Incorporando uma roda dentro de outra roda de bicicleta padrão aro 12, a roda interna gira movida por um motor e bateria – todos embutidos – e então… mágica, ou melhor, física! O conjunto passa a estabilizar a bicicleta, facilitando com que a criança aprenda a andar com duas rodas sem depender das rodinhas, dominando a bicicleta muito mais naturalmente até não precisar mais do auxílio tecnológico. Confira o vídeo acima para ver bicicletas andando sozinhas.

O que faz a Gyrowheel estabilizar a bicicleta, ou mesmo andar sozinha sem cair por um bom trajeto, é o efeito giroscópico, o mesmo que faz o pião manter-se estável mas… que não é a explicação para que andemos de bicicleta!

Ao contrário do que muitos materiais didáticos afirmam, o efeito giroscópico criado pelas rodas de uma bicicleta comum é quase desprezível e não explica a bicicleta. As rodas não são tão pesadas e bicicletas não andam tão rápido. Muitas demonstrações didáticas do efeito giroscópico utilizando rodas de bicicleta talvez contribuam para a noção, que no entanto já foi refutada com experimentos incluindo a idéia engenhosa do professor David Jones em 1970 (PDF) de incluir uma roda que gire em sentido contrário, anulando assim os efeitos giroscópicos… mas ainda permitindo que se ande de bicicleta!

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Na imagem acima, o doutor Hugh Hunt da Universidade de Cambridge anda em sua bicicleta equipada com o anulador de efeito giroscópico, conhecido também como “roda verde sem contato com o chão girando no sentido contrário”. Duas rodas girando em sentidos contrários anulam o efeito giroscópico uma da outra. E mesmo sem ele, não há nenhuma diferença notável em conduzir a bicicleta.

A primeira parte do segredo para não cairmos está na verdade em outro fenômeno comumente mal interpretado, a força centrífuga. Quando você sente que vai cair para a esquerda, você gira o guidão para o mesmo lado, começando assim a fazer uma curva para esquerda. Assim, aproveita instintivamente sua velocidade, seu momento, para jogá-lo pela força centrífuga na direção contrária. É assim que, girando o guidão para onde está caindo, evita cair! Puristas físicos, por favor, perdoem os erros conceituais nesta explicação (e os corrijam nos comentários!).

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Há muito mais efeitos em ação no simples fato de andar de bicicleta, e fiquei surpreso com a quantidade, certa polêmica e como estudos importantes da dinâmica de bicicletas sejam tão novos quanto “A Estabilidade de Bicicletas” (PDF), de Lowell e McKell, publicado em 1982, onde modelam matematicamente os experimentos de Jones, mostrando como o efeito centrífugo descrito acima é utilizado em nossas bicicletas graças ao “caster”, o ângulo entre o eixo do guidão e o ponto de contato da roda dianteira com o chão.

Seus modelos da estabilidade indicam que esta é de fato a segunda, e principal parte do segredo para andar de bicicletas. Já se perguntou por que o garfo dianteiro das bicicletas é inclinado para frente? É o ângulo de caster, que faz justamente com que a roda vire na direção em que a bicicleta está caindo, garantindo que o “efeito centrífugo” funcione mesmo sem um condutor! Nunca imaginei que aquele ângulo pudesse ser o principal fator para a estabilidade de uma bike, permitindo que andemos mesmo “sem as mãos”.

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Aliás, sem um condutor, sozinha, a bicicleta também consegue andar um tanto. Como? Ela se torna muito mais leve, com um centro de gravidade muito mais baixo, e isso faz com que efeitos giroscópicos se tornem relevantes, somando-se também ao caster. Efeitos giroscópicos também podem ser relevantes em outras situações, principalmente em motocicletas a maiores velocidades, e se a esta altura você já está confuso com todos os efeitos em ação, leve para a casa a idéia de que o efeito giroscópico não é o que nos permite andar sobre duas rodas, e sim a foça centrífuga que aproveitamos mexendo no guidão enquanto andamos, e não se aborreça muito com o resto da complicação. Rigorosamente, ainda não há um entendimento científico pleno e consensual sobre como andamos de bicicleta!

É notável que em pouco mais de um século tenhamos refinado na prática, antes de compreendê-la na teoria, esta pequena grande maravilha tecnológica a ponto de que em sua simplicidade, a bicicleta esconda uma série de efeitos e fenômenos dinâmicos e complexos… que mesmo uma criança pode controlar intuitivamente!

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Assim, ao ensinar seus filhos a andar de bicicleta, não confie no efeito giroscópico: para que ele fosse significante você provavelmente teria que empurrar a bicicleta a dezenas de km/h. Deixe que ela aprenda intuitivamente, sentindo a tendência natural da bicicleta a virar o guidão no sentido da queda, para que a força centrífuga deixe tudo nos eixos novamente.

Ou confie no efeito giroscópico em uma bugiganga de certa tecnologia, que é a Gyrowheel. E não, você não ouviu o barulho de moedas caindo por aqui porque como repito este não é um post pago, só calhou de ser um texto inesperadamente longo a partir de uma quinquilharia curiosa relacionada com a inesperada complexidade física de andar de bicicleta. Foi uma surpresa para mim ao menos. Há uma lista completa de referências sobre a dinâmica de bicicletas aqui.

O efeito giroscópico é fascinante em si mesmo, tão fascinante que já chegou a ser confundido, e mesmo promovido, como anti-gravidade! Mas esta já é outra história. [via Neatorama, HypeScience, imagem final sxc.hu]

Referências

  • Jones, D. (2006). From the Archives: The Stability of the Bicycle Physics Today, 59 (9) DOI: 10.1063/1.2364246
  • Lowell, J. (1982). The stability of bicycles American Journal of Physics, 50 (12) DOI: 10.1119/1.12893

SciCats de Segunda [04]

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SciCats de Segunda [03]

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Um SciCat com um gato, atendendo a pedidos, e mais um punhado na continuação!

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A Física contra-intuitiva das Caixas de Cereais

tradução autorizada do fenomenal Fogonazos, de Antonio Martínez Ron

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Imagem:
Universidade de Stanford

Se é um consumidor habitual de cereais, já deve ter observado mais de uma vez um estranho fenômeno: os pedaços maiores e pesados ficam na parte mais alta do saco, ao invés do fundo, como seria de se esperar. Este fenômeno, batizado na´física como o “efeito muesli”, é também conhecido como “efeito castanha-do-pará”, uma vez que em latas de castanhas é esta variedade (a maior) que costuma aparecer na parte superior.

O efeito tem uma importância vital para algumas indústrias dedicadas ao empacotamento e foi descoberto na década de 1930 ao se observar que os objetos mais pesados tendiam a ascender no interior de uma mistura se esta era agitada. Para comprová-lo, basta tomar um recipiente cilíndrico, enchê-lo de alguma substância homogênea, introduzir um objeto mais pesado em seu interior e agitá-lo. O resultado, como verá no vídeo de Sixty Symbols, é o contrário do que nos diz a intuição:

Mas por que os objetos mais pesados sobem ao invés de descer? A explicação obedece a uma variedade de fatores físicos que vão desde a aceleração que o movimento produz, a corrente de convecção (o movimento relativo das partículas em relação a outras) bem como a temperatura ou a densidade dos materiais.

Mas não é o único fenômeno físico inspirado pelo mundo dos cereais. Na mecânica de fluidos também se conhece o “efeito Cheerios” (em referência a uma conhecida marca deste produto) como a propriedade de certos objetos flutuantes de atrairem-se mutuamente. Um exemplo muito ilustrativo ocorre ao verter alguns cheerios sobre uma tigela com leite e observar que muitos se atraem e terminam juntando-se no centro do recipiente.

A explicação está na tensão superficial, que permite à superfície de um líquido atuar como uma espécie de fina membrana e pela qual flutuam alguns insetos. Em função da densidade do objeto esta superfície se deforma e faz com que se desloquem um em direção aos outros (mais exemplos). [via Reddit]

Veja também: Diez reacciones de la materia que quizá no te esperabas | Be maicena, my friend! (Fogonazos)

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