Introdução

Importância e início da Física

A Física é a base de toda a Engenharia e Tecnologia. Cientistas de todas as áreas usam os conceitos da Física: paleontologia, biologia, climatologia, medicina, etc.

A Física busca explicar o universo observável (e não tão observável…), desde as partículas mais ínfimas, a ponto de se tornarem ‘apenas’ equações matemáticas, até estruturas cósmicas que estão a bilhões de anos-luz. As teorias sobre o tempo de existência do universo apontam que sua idade é de 13,82 bilhões de anos.

A Física é uma das maiores conquistas da raça humana. Por um lado é base sobre a qual o homem passou a conhecer seu mundo e o universo. Por outro lado, a Física também revela que nosso conhecimento é ínfimo, já que observamos menos de 5% do universo.

Tanto quanto se sabe, Tales (624-556 aC), filósofo grego, da cidade de Mileto, foi o primeiro a tentar entender qual a origem do universo. Diferente de seus contemporâneos, acreditava que as coisas tinham uma explicação natural, e não mística. Ele não era o único filósofo que tinha essa característica que hoje chamaríamos de ‘científica’. Tales é um dos filósofos chamados de ‘pré-socráticos’. Na história da Filosofia, Sócrates (469-399 aC), também grego da cidade de Atenas, é considerado um divisor de águas pela profunda influência que ele exerceu na Filosofia. 

Uma preocupação comum dos filósofos pré-socráticos é a compreensão da origem das coisas, chamado arché (origem). Muito embora suas conclusões possam parecer equivocadas à luz do avanço da ciência, eles têm o enorme mérito de buscar compreender o mundo com base na razão, e não no misticismo. 

A filosofia de Sócrates tinha outro foco. Ele procurava questionar a natureza do homem, seus valores e sua ética. Para tanto, estabeleceu o que hoje chamaríamos de um ‘método’ de questionamento, que levava seus ouvintes, e a nós, ao limite da compreensão do achavam já terem compreendido. Suas perguntas eram do tipo: o que é o bem? O que é justiça? O que é coragem? Por isso as frases “tudo o que sei é que nada sei” e “conhece-te a ti mesmo” são muito ligadas a Sócrates. Sua importância para a ciência está na insistência do questionamento e na investigação constantes. Embora não tenha propriamente ensinado nada - além da importância de questionar-se - ou mesmo proposto respostas para suas perguntas, ele foi condenado à morte, entre outras coisas, por ‘corromper os jovens com suas ideias’. Ao ser condenado à morte, em seu discurso teria dito: ‘uma vida não examinada não vale à pena ser viviva’. 

Sócrates teve dois discípulos que estabeleram duas grandes linhas de pensamento: Platão e Aristóteles. Assim como no caso de Sócrates, seria impossível esgotar a contribuição e influência desses homens. Porém a representação que o pintor italiano renascentista Rafael Sanzio fez de ambos é um excelente resumo. A obra chama-se “A Escola de Atenas”, de 1511, e ilustra vários filósofos gregos. É uma obra muito interessante para uma pesquisa.


Bem no centro da obra, estão representados Platão, o mais velho à esquerda, e Aristóteles à sua direita:

O detalhe a reparar aqui é a posição das mãos: Platão aponta para o céu, e Aristóteles para nosso ambiente, a terra. Nesses gestos, Rafael expressa a essência do pensamento de ambos.

Platão estabeleceu a ideia de que nossa existência é dual, ou seja, o mundo que vemos, chamado por ele de ‘mundo sensível’ é apenas uma representação imperfeita de um mundo perfeito, ou um ‘mundo ideal’ (de ideias). Assim, ele valorizava a razão, o pensamento, as ideias, como o instrumento de compreensão do mundo.

Aristóteles, por outro lado, valorizava a compreensão do mundo por meio da observação. Sua contribuição para a ciência é enorme. Seus escritos abrangem áreas de conhecimento como a Física, Metafísica, Biologia, Música, Geografia, Geometria, Lógica, Política, Química, entre outros. Nem é necessário dizer que ele é de fundamental importância no estabelecimento do que viria ser chamado de método científico, fundamental para todas as áreas do conhecimento, e também para a Física.

O quadro a seguir resume alguns dos filósofos gregos e seus principais conceitos:



A Física é uma ciência experimental

A Física não é uma ciência especulativa, ou mística. Sua principal ferramenta é a razão. A “matéria prima” da Física são os fenômenos. Fenômenos são observados na busca de padrões. Para estes padrões tenta-se estabelecer uma ‘explicação’, que pretende ser verdadeira. Porém, o derradeiro teste do conhecimento obtido é a experiência. 

Fenômenos: na Física, significa o mundo como nós o experimentamos, isto é, os fatos como são percebidos por nossos sentidos. Por exemplo, o movimento dos corpos celestes, a queda dos corpos, o movimento das marés, a força exercida pelo vento.

Padrões: tenta-se detectar um padrão de repetição nos fenômenos, ou uma relação causa-efeito. Por exemplo, próximos ao Sol, os planetas movem-se mais rápido, a velocidade da queda não depende da massa, as marés estão relacionadas à Lua, a força captada do vento depende da área, etc.

“Explicação”:com base em observação, experimentos e repetições, estabelece-se uma explicação, ou lei, matemática para o fenômeno. Isso permitirá que a lei seja aplicada a fenômenos semelhantes (por exemplo, uma ponte de palitos, ou uma ponte ‘de verdade’), ou permitirá prever o que ocorrerá no futuro, como quando uma nave é enviada a outro planeta.

Apesar do cuidado na busca de explicações que representem a ‘verdade’, isso quase nunca ocorre. A rigor, nem sempre as leis são uma expressão absoluta da verdade. Por exemplo, por muito tempo, pelo menos desde Newton, tinha-se como verdade que a massa de um corpo, uma propriedade muito conhecida, era totalmente independente da velocidade. A princípio, a massa de alguém em repouso é a mesma que ele tem quando está em um carro a 80 km/h. Para todos os fins práticos, essa afirmação é correta. Porém, Einstein postulou (teoricamente a princípio) que a massa aumenta com a velocidade. Isso está correto, e é possível de ser observado, caso a velocidade seja muito alta, próxima à da luz. Assim, a primiera afirmação, de que a massa não muda, não pode ser considerada absolutamente verdadeira, embora funcione bem em nosso ambiente, e nós continuemos tomando-a como verdadeira. Seria a afirmação de Einstein a verdade derradeira sobre o comportamento da massa? 

Bem, essa é a beleza da Física como ciência! Embora ela pareça ser ‘verdadeira’ até onde foi possível chegar, talvez ela, um dia, tenha que ser ampliada, como ela mesma ampliou a afirmação anterior. A Física, é, portanto, uma incessante busca da compreensão de como o Universo funciona, embora nunca ficou tão evidente que nós o conheçamos tão pouco.

A maneira de ingressar nesse mundo da Física, porém, não precisa ser pelo confronto com fenômenos complexos. Por isso, usamos de modelos, explicados a seguir.


A importância dos modelos

Os fenômenos, em geral, são bastante complexos. Para estudá-los constroem-se modelos. Um modelo é uma construção que simplifica o fenômeno observado, isolando as características e variáveis que se deseja estudar. 

Galileu Galilei, que pode ser considerado o ‘pai’ da Física Moderna, foi um dos primeiros a utilizar esse método. Ao observar um fenômeno, ele construía um modelo, realizava experimentos, e buscava estabelecer uma lei matemática com base neles.

Ele disse: “O livro do universo não pode ser entendido sem primeiro se aprender a compreender o alfabeto que o compõe. Ele é escrito em linguagem matemática, e seus caracteres são triângulos, círculos e outras figuras geométricas, sema as quais é humanamente impossível entender uma única palavra dela; sem eles, fica-se vagando em um labirinto escuro”. Galileu, O Ensaiador, 1623.


Por exemplo, foi assim com o movimento pendular. Segundo se conta, Galileu era católico devoto, e durante uma missa na Catedral de Pisa, Itália, observou que um candelabro balançava de modo regular. Ele constatou isso comparando suas pulsações cardíacas com o período de oscilação do candelabro. A partir dessa observação, ou fenômeno, ele identificou que seu padrão de ocorrência se devia principalmente ao comprimento do pêndulo. Posteriormente, elaborou-se essa explicação matematicamente, e ela foi aplicada à construção dos relógios de pêndulo.



Os modelos não precisam ser, necessariamente, construções mecânicas. Muitas vezes o são, e esse recurso é muito usado no laboratório. Porém, um problema pode ser modelado matematicamente também, ou, como é cada vez mais comum, a modelagem pode se dar em ambientes virtuais, com o uso da tecnologia educacional.


Método científico

Os conceitos acima podem ser organizados no que chamamos de método científico. Muito embora nem todos os pesquisadores, filósofos e cientistas concordem na definição do que seja o método científico nem como dividi-lo e caracterizá-lo, para os fins de uma aproximação e estudo inicial da Física é possível identificar e aplicar as seguintes fases principais no método científico:


Identificação e observação do fenômeno: aqui o pesquisador irá encontrar algo a ser explicado ou compreendido, a partir de um fato ou conjunto de fatos. Ele tenta isolar o fenômeno de modo a isolar exatamente o fato que quer compreender.

Elaboração de uma ou mais hipóteses: com base em pesquisas anteriores ou em seu conhecimento prévio sobre um assunto, o pesquisador elabora possíveis explicações para o fato observado.

Configuração de modelos e experimentos: para testas as hipóteses, o pesquisador idealiza modelos que reproduzam o fato observado sob condições que possam ser medidas e controladas. Busca identificar as grandezas e variáveis que interferem no comportamento estudado, e quantificar essa interferência por meio de modelos matemáticos.

Verificação: as hipóteses serão testadas de modo a verificar se elas podem explicar ou prever o comportamento observado.

Conclusão e divulgação: o pesquisador aqui irá organizar, resumir ou sistematizar sua proposta numa teoria que possa ser publicada e discutida com outros pesquisadores. Para isso, existem as revistas científicas, seminários e congressos. A pesquisa e resultados serão divulgados de modo que outros pesquisadores irão repetir o experimento e referendar ou não as conclusões.

Esse processo nem sempre é linear. Em vários momentos pode ser necessário retornar à etapa anterior, ou mesmo ao início, com base nas conclusões a que se vai chegando no decorrer do estudo.


Áreas da Física

À medida que o conhecimento sobre o universo e a natureza foi aumentando, naturalmente foram surgindo campos de especialização. Esses campos não têm limites claros, pois na natureza não há divisões claras entre os fenômenos, e para compreende-los é necessário usar conhecimentos de várias áreas, inclusive fora da Física. Pense, por exemplo, na quantidade enorme de fenômenos que torna possível o voo de um pássaro, por exemplo. Mesmo um fato aparentemente muito simples, como a queda de uma gota d’água, por exemplo, envolve um número enorme de conhecimentos: temperatura, densidade, viscosidade, tensão superficial, calor, aerodinâmica, força gravitacional, mecânica de fluidos, mecânica clássica, etc, etc.

Tampouco há consenso em como exatamente a Física (ou qualquer ciência) deve ser dividida. Ainda assim, para fins didáticos e mesmo de estudo e especialização, é interessante que haja pelo menos algum tipo de categorização. A divisão ilustrada abaixo é apenas um exemplo de classificação, e não é, em absoluto, completo. Serve como uma primeira visualização de algumas das grandes áreas da Física. 


Há ainda muitos campos interdisciplinares, de grande impacto na sociedade, e alguns exemplos são:

Astronomia: o estudo do universo e do movimento dos corpos celestes. A astrofísica mais ligada estudo dos corpos propriamente, usando os conhecimentos de Física e Química, e a cosmologia, voltada para a história e desenvolvimento do universo, são algumas das suas áreas. Novamente, não há divisão rígida entre elas

Biofísica: estudo da interação entre as leis da Física e os seres vivos.

Geofísica: estudo da interação entre as leis da Física e o planeta

Física médica: estudo e aplicação das leis da Física no campo da saúde humana.


© Marco Antonio Simoes 2018