Os 19 ramos da física clássica e moderna

Os 19 ramos da física clássica e moderna

Entre os ramos da física clássica e moderna , podemos destacar a acústica, a óptica ou a mecânica no campo mais primitivo, e a cosmologia, a mecânica quântica ou a relatividade nas de aplicação mais recente.

A física clássica descreve as teorias desenvolvidas antes de 1900, e a física moderna descreve os eventos que ocorreram após 1900. A física clássica lida com matéria e energia, em uma escala macro, sem se aprofundar nos estudos mais complexos de quantum, sujeitos da física moderna.

Max Planck, um dos maiores cientistas da história , marcou o fim da física clássica e o início da física moderna com a mecânica quântica.

Ramos da física clássica

1- Acústico

O ouvido é o instrumento biológico por excelência para receber certas vibrações das ondas e interpretá-las como som.

A acústica, que trata do estudo do som (ondas mecânicas em gases, líquidos e sólidos), está relacionada à produção, controle, transmissão, recepção e efeitos do som.

A tecnologia acústica inclui a música, o estudo de fenômenos geológicos, atmosféricos e subaquáticos.

A psicoacústica estuda os efeitos físicos do som nos sistemas biológicos, presentes desde que Pitágoras ouviu pela primeira vez os sons de cordas vibrantes e martelos atingindo bigornas no século VI aC. C. Mas o desenvolvimento mais impressionante na medicina é a tecnologia de ultra-som.

2- Eletricidade e magnetismo

Eletricidade e magnetismo provêm de uma única força eletromagnética. O eletromagnetismo é um ramo da ciência física que descreve as interações entre eletricidade e magnetismo.

O campo magnético é criado por uma corrente elétrica em movimento, e um campo magnético pode induzir o movimento de cargas (corrente elétrica). As regras do eletromagnetismo também explicam fenômenos geomagnéticos e eletromagnéticos, descrevendo como as partículas carregadas de átomos interagem. 

No passado, o eletromagnetismo era experimentado com base nos efeitos dos raios e da radiação eletromagnética como efeito da luz.

O magnetismo tem sido usado como um instrumento fundamental para a navegação guiada por bússola.

O fenômeno das cargas elétricas em repouso foi detectado pelos antigos romanos, que observavam a maneira pela qual um pente de atrito atraía partículas. No contexto de cobranças positivas e negativas, cobranças iguais se repelem e cobranças diferentes são atraídas.

3- Mecânica

Está relacionado ao comportamento dos corpos físicos, quando submetidos a forças ou deslocamentos, e aos efeitos subsequentes dos corpos em seu ambiente.

No início do modernismo, os cientistas Jayam, Galileo , Kepler e Newton lançaram as bases para o que hoje é conhecido como mecânica clássica.

Esta sub-disciplina lida com o movimento de forças sobre objetos e partículas que estão em repouso ou se movendo a velocidades significativamente mais baixas que a luz. Mecânica descreve a natureza dos corpos.

O termo corpo inclui partículas, projéteis, naves espaciais, estrelas, partes de máquinas, partes de sólidos, partes de fluidos (gases e líquidos). Partículas são corpos com pouca estrutura interna, tratados como pontos matemáticos na mecânica clássica.

Os corpos rígidos têm tamanho e forma, mas mantêm uma simplicidade próxima à das partículas e podem ser semi-rígidos (elásticos, fluidos). 

4- Mecânica dos fluidos

A mecânica dos fluidos descreve o fluxo de líquidos e gases. A dinâmica de fluidos é o ramo do qual emergem subdisciplinas como aerodinâmica (estudo do ar e outros gases em movimento) e hidrodinâmica (estudo de líquidos em movimento).

A dinâmica de fluidos é amplamente aplicada: para o cálculo de forças e momentos em aviões, a determinação da massa de fluido de óleo através de oleodutos, além da previsão de padrões climáticos, a compressão de nebulosas no espaço interestelar e modelagem da fissão de armas nucleares.

Este ramo oferece uma estrutura sistemática que engloba leis empíricas e semi-empíricas derivadas da medição de vazão e usadas para resolver problemas práticos.

A solução para um problema de dinâmica de fluidos envolve o cálculo das propriedades do fluido, como velocidade do fluxo, pressão, densidade e temperatura e funções do espaço e do tempo.

5- Óptica

A óptica lida com as propriedades e os fenômenos da luz e da visão visíveis e invisíveis. Estude o comportamento e as propriedades da luz, incluindo suas interações com a matéria, além de criar instrumentos apropriados.

Descreve o comportamento da luz visível, ultravioleta e infravermelha. Como a luz é uma onda eletromagnética, outras formas de radiação eletromagnética, como raios-X, microondas e ondas de rádio, têm propriedades semelhantes.

Este ramo é relevante para muitas disciplinas relacionadas, como astronomia, engenharia, fotografia e medicina (oftalmologia e optometria). Suas aplicações práticas são encontradas em uma variedade de tecnologias e objetos do cotidiano, incluindo espelhos, lentes, telescópios, microscópios, lasers e fibras ópticas.

6- Termodinâmica

Ramo da física que estuda os efeitos do trabalho, calor e energia de um sistema. Nasceu no século 19 com a aparência do motor a vapor. Ele lida apenas com a observação e resposta em larga escala de um sistema observável e mensurável.

Interações de gases em pequena escala são descritas pela teoria cinética dos gases. Os métodos se complementam e são explicados em termos de termodinâmica ou pela teoria cinética.

As leis da termodinâmica são:

  • Lei de Entalpia : relaciona as várias formas de energia cinética e potencial em um sistema com o trabalho que o sistema pode realizar, mais a transferência de calor.
  • Isso leva à segunda lei e à definição de outra variável de estado chamada lei da entropia .
  • A lei zeroth define o equilíbrio termodinâmico em larga escala, da temperatura, em oposição à definição em pequena escala relacionada à energia cinética das moléculas.

Ramos da física moderna

7- Cosmologia

É o estudo das estruturas e dinâmicas do Universo em uma escala maior. Investigue sua origem, estrutura, evolução e destino final.

A cosmologia, como ciência, se originou com o princípio de Copernicus – os corpos celestes obedecem a leis físicas idênticas às da Terra – e a mecânica newtoniana, que nos permitiu entender essas leis físicas.

A cosmologia física começou em 1915 com o desenvolvimento da teoria geral da relatividade de Einstein, seguida por grandes descobertas observacionais na década de 1920. 

Avanços dramáticos na cosmologia observacional desde a década de 1990, incluindo o fundo cósmico de microondas, supernovas distantes e pesquisas de desvio de vermelho da galáxia, levaram ao desenvolvimento de um modelo padrão de cosmologia.

Este modelo adere ao conteúdo de grandes quantidades de matéria escura e energias escuras contidas no universo, cuja natureza ainda não está bem definida. 

8- Mecânica quântica

Ramo da física que estuda o comportamento da matéria e da luz, nas escalas atômica e subatômica. Seu objetivo é descrever e explicar as propriedades de moléculas e átomos e seus componentes: elétrons, prótons, nêutrons e outras partículas mais esotéricas, como quarks e glúons.

Essas propriedades incluem as interações das partículas entre si e com a radiação eletromagnética (luz, raios X e raios gama).

Vários cientistas contribuíram para o estabelecimento de três princípios revolucionários que gradualmente ganharam aceitação e verificação experimental entre 1900 e 1930.

  • Propriedades quantificadas . Às vezes, posição, velocidade e cor podem ocorrer apenas em quantidades específicas (como clicar em número por número). Isso contraria o conceito de mecânica clássica, que diz que essas propriedades devem existir em um espectro plano e contínuo. Para descrever a ideia de que algumas propriedades clicam, os cientistas cunharam o verbo quantificar. 
  • Partículas de luz . Os cientistas contestaram 200 anos de experimentos postulando que a luz pode se comportar como uma partícula e nem sempre “como ondas / ondulações em um lago”.
  • Ondas importantes . A matéria também pode se comportar como uma onda. Isso é demonstrado por 30 anos de experimentos que afirmam que a matéria (como elétrons) pode existir como partículas.

9- Relatividade

Essa teoria abrange duas teorias de Albert Einstein: a relatividade especial, que se aplica a partículas elementares e suas interações – descrevendo todos os fenômenos físicos, exceto a gravidade – e a relatividade geral que explica a lei da gravitação e sua relação com outras forças de a natureza.

É aplicado ao reino cosmológico, astrofísico e astronômico. A relatividade transformou os postulados da física e da astronomia no século 20, banindo 200 anos da teoria newtoniana.

Ele introduziu conceitos como espaço-tempo como entidade unificada, relatividade de simultaneidade, dilatação cinemática e gravitacional do tempo e contração do comprimento.

No campo da física, a ciência das partículas elementares e suas interações fundamentais melhoraram, juntamente com a inauguração da era nuclear.

A cosmologia e a astrofísica previam fenômenos astronômicos extraordinários, como estrelas de nêutrons, buracos negros e ondas gravitacionais.

10-Física nuclear

É um campo da física que estuda o núcleo atômico, suas interações com outros átomos e partículas e seus constituintes.

11-Biofísica

É formalmente um ramo da biologia, embora esteja intimamente relacionado à física, pois estuda biologia com princípios e métodos físicos.

12-Astrofísica

Formalmente, é um ramo da astronomia, embora intimamente relacionado à física, pois estuda a física das estrelas, sua composição, evolução e estrutura.

13-Geofísica

É um ramo da geografia, embora esteja intimamente relacionado à física, pois estuda a Terra com os métodos e princípios da física.

Ramos interdisciplinares da física

14-Agrofísica

Híbrido de física e agronomia. Seu principal objetivo é resolver os problemas dos ecossistemas agrícolas (nutrição do solo, colheitas, poluição, etc.) usando métodos físicos.

15-Física Computacional

Ramo da física focado em modelos algorítmicos de computador. É uma disciplina perfeita para simulação em ramos da física que trabalham com magnetismo, dinâmica, eletrônica, astrofísica, matemática, etc.

16-Física social

Ramo clássico desenvolvido por Auguste Comte no século XIX. Concentrou-se em dar um conceito teórico e científico à sociologia, evitando assim o conteúdo moral ou subjetivo.

17-Econofísica

Filial encarregada de aplicar conceitos físicos para resolver problemas da economia. Neste campo científico, são estudados aspectos da dinâmica não-linear, estocástica ou fenômeno, como escala e transações.

18-Física médica

Ramo que aplica os fundamentos físicos ao estudo e desenvolvimento das ciências da saúde, fornecendo uma nova proposta de terapias e diagnóstico. Por sua vez, participa do desenvolvimento tecnológico de novas ferramentas médicas.

19-Oceanografia física

Ramo da física e subárea da oceanografia focada nos processos físicos que ocorrem no mar (marés, ondas, dispersão, absorção de diferentes tipos de energia, correntes, acústica, etc.).

Exemplos de pesquisa de cada ramo

1- Acústica: investigações da UNAM

O laboratório de acústica do Departamento de Física da Faculdade de Ciências da UNAM realiza pesquisas especializadas no desenvolvimento e implementação de técnicas que permitem o estudo de fenômenos acústicos.

As experiências mais comuns incluem diferentes meios com estruturas físicas diferentes. Esses meios podem ser fluidos, túneis de vento ou o uso de um jato supersônico.

Uma investigação que está ocorrendo atualmente na UNAM é o espectro de frequências de uma guitarra, dependendo de onde ela é tocada. Os sinais acústicos emitidos pelos golfinhos também estão sendo estudados (Forgach, 2017).

2- Eletricidade e magnetismo: efeito de campos magnéticos em sistemas biológicos

A Universidade do Distrito Francisco José Caldas está realizando pesquisas sobre o efeito dos campos magnéticos nos sistemas biológicos. Tudo isso para identificar todas as pesquisas anteriores que foram feitas sobre o assunto e emitir novos conhecimentos.

Pesquisas indicam que o campo magnético da Terra é permanente e dinâmico, com períodos alternados de alta e baixa intensidade.

Eles também falam sobre as espécies que dependem da configuração desse campo magnético para se orientar, como abelhas, formigas, salmões, baleias, tubarões, golfinhos, borboletas, tartarugas, entre outras (Fuentes, 2004).

3- Mecânica: corpo humano e gravidade zero

Por mais de 50 anos, a NASA realizou pesquisas sobre os efeitos da gravidade zero no corpo humano.

Essas investigações permitiram que numerosos astronautas se movessem com segurança na Lua ou vivessem por mais de um ano na Estação Espacial Internacional.

A pesquisa da NASA analisa os efeitos mecânicos que a gravidade zero tem no corpo, com o objetivo de diminuí-los e garantir que os astronautas possam ser enviados para locais mais remotos do sistema solar  (Strickland & Crane, 2016).

4- Mecânica dos fluidos: efeito Leidenfrost

O efeito Leidenfrost é um fenômeno que ocorre quando uma gota de fluido toca uma superfície quente, a uma temperatura superior ao seu ponto de ebulição .

Os estudantes de doutorado da Universidade de Liège criaram um experimento para descobrir os efeitos da gravidade no tempo de evaporação de um fluido e seu comportamento durante esse processo.

A superfície foi inicialmente aquecida e inclinada quando necessário. As gotículas de água utilizadas foram rastreadas por meio de luz infravermelha, ativando servomotores cada vez que se afastavam do centro da superfície (Research and Science, 2015).

5- Óptica: observações de Ritter

Johann Wilhelm Ritter era um farmacêutico e cientista alemão, que conduziu inúmeras experiências médicas e científicas. Entre suas contribuições mais notáveis ​​ao campo da óptica está a descoberta da luz ultravioleta.

Ritter baseou sua pesquisa na descoberta da luz infravermelha por William Herschel em 1800, determinando assim que a existência de luzes invisíveis era possível e conduzindo experimentos com cloreto de prata e diferentes feixes de luz (Cool Cosmos, 2017) .

6- Termodinâmica: energia solar termodinâmica na América Latina

Esta pesquisa se concentra no estudo de fontes alternativas de energia e calor, como a energia solar, sendo o principal interesse a projeção termodinâmica da energia solar como fonte de energia sustentável (Bernardelli, 201).

Para esse fim, o documento de estudo é dividido em cinco categorias:

1- Radiação solar e distribuição de energia na superfície da Terra.

2- Usos de energia solar.

3- Antecedentes e evolução dos usos da energia solar.

4- Instalações e tipos termodinâmicos.

5- Estudo de caso no Brasil, Chile e México.

7- Cosmologia: Pesquisa sobre energia escura

O Dark Energy Survey, ou Dark Energy Survey, foi um estudo científico realizado em 2015, cujo objetivo fundamental era medir a estrutura em larga escala do universo.

Com essa pesquisa, o espectro foi aberto a inúmeras pesquisas cosmológicas, que buscam determinar a quantidade de matéria escura presente no universo atual e sua distribuição.

Por outro lado, os resultados produzidos pelo DES são opostos às teorias tradicionais sobre o cosmos, emitidas após a missão espacial Planck, financiada pela Agência Espacial Européia.

Esta pesquisa confirmou a teoria de que o universo é atualmente composto por 26% de matéria escura.

Também foram desenvolvidos mapas de posicionamento que mediam com precisão a estrutura de 26 milhões de galáxias distantes (Bernardo, 2017).

8- Mecânica quântica: teoria da informação e computação quântica

Esta pesquisa procura investigar duas novas áreas da ciência, como informação e computação quântica. Ambas as teorias são fundamentais para o avanço dos dispositivos de telecomunicações e processamento de informações.

Este estudo apresenta o estado atual da computação quântica, apoiado nos avanços do Grupo de Computação Quântica (Grupo de Computação Quântica – GQC) (López), instituição dedicada a dar palestras e gerar conhecimento sobre o assunto, com base no primeiro Os postulados de Turing sobre computação.

9- Relatividade: experimento Ícaro

A pesquisa experimental Icarus, realizada no laboratório de Gran Sasso, na Itália, trouxe segurança ao mundo científico, verificando se a teoria da relatividade de Einstein é verdadeira.

Esta pesquisa mediu a velocidade de sete neutrinos com um feixe de luz concedido pelo Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), concluindo que os neutrinos não excedem a velocidade da luz, como havia sido concluído em experimentos anteriores do mesmo laboratório.

Esses resultados foram opostos aos obtidos em experimentos anteriores do CERN, que em anos anteriores concluíram que os neutrinos viajavam 730 quilômetros mais rápido que a luz.

Aparentemente, a conclusão anteriormente dada pelo CERN foi devido a uma conexão GPS ruim no momento em que o experimento foi realizado (El tiempo, 2012).

Referências

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  5. Óptica. Definição. Recuperado de dictionary.com.
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  8. O que é termodinâmica? Recuperado em grc.nasa.gov.
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  10. Will, Clifford M (2010). Relatividade. Enciclopédia multimídia Grolier. Recuperado em wikipedia.org.
  11. Qual é a evidência para o Big Bang? Recuperado em astro.ucla.edu.
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