Introdução à Física: entenda o que é e todos os principais conceitos

Ana Lucia Souto

Professora de Física e Ciências

A Física é a ciência que nos ajuda a entender como o mundo funciona. Imagine que você está olhando para tudo ao seu redor: o carro que passa na rua, a luz que ilumina o seu quarto, o som da música que você escuta e até mesmo a sensação de estar firme no chão. Tudo isso pode ser explicado pela Física!

Ela estuda desde coisas simples, como o movimento de uma bola, até coisas complexas, como a estrutura minúscula de um átomo.

A Física está dividida em vários campos de estudo, sendo que cada um é focado em diferentes aspectos do universo:

• Mecânica: estuda o movimento dos corpos e as forças que atuam sobre eles.
• Termodinâmica: analisa o calor, a temperatura e as transformações de energia.
• Óptica: investiga a luz e seus fenômenos, como reflexão e refração.
• Eletromagnetismo: estuda a eletricidade, o magnetismo e suas interações.
• Ondulatória: examina as ondas, como as sonoras e as eletromagnéticas.
• Física Moderna: aborda temas mais avançados, como a teoria da relatividade e a mecânica quântica.

Conceitos fundamentais da Física

Os principais conceitos da Física são:

• Grandezas e unidades de medida
• Cinemática
• Dinâmica
• Energia e trabalho
• Gravitação universal
• Termodinâmica
• Óptica
• Ondulatória
• Eletricidade e magnetismo
• Física moderna

Grandezas e unidades de medida

As grandezas físicas são tudo aquilo que pode ser medido ou contado. Por exemplo, quando você mede o comprimento de uma mesa, o peso de uma fruta ou o tempo que leva para chegar à escola, está lidando com grandezas físicas. Elas são super importantes porque nos ajudam a descrever e entender o mundo ao nosso redor de forma precisa.

Para medir essas grandezas, usamos unidades de medida. Imagine que você está construindo algo e precisa saber o tamanho de uma peça. Se cada um usar uma medida diferente, como "palmo" ou "passo", tudo fica confuso, certo? Por isso, existe um sistema padrão chamado Sistema Internacional de Unidades (SI), que todo mundo usa para se entender. Algumas unidades básicas são:

• Metro (m): para medir comprimento, como a altura de uma pessoa.
• Quilograma (kg): para medir massa, como o peso de um pacote de arroz.
• Segundo (s): para medir tempo, como a duração de uma música.
• Kelvin (K): para medir temperatura, como a temperatura de um dia de verão.

Às vezes, os números que usamos na Física são muito grandes ou muito pequenos. Por exemplo, a velocidade da luz é 300.000.000 metros por segundo! Para facilitar, usamos a notação científica, que é um jeito de escrever esses números usando potências de 10. Assim, a velocidade da luz fica

Cinemática: o estudo do movimento

Todos os corpos estão parados ou em movimento, alternando entre esses dois estados. Nós caminhamos, ficamos parados de pé nas filas de cinema, corremos, sentamos, deitamos, dançamos, nos exercitamos, etc.

A cinemática estuda os movimentos de corpos extensos e muito pequenos (pontos infinitesimais). Como esses movimentos podem ser muito complexos, os estudos da cinemática iniciam com modelos de movimentos simples como, por exemplo, um movimento em linha reta com uma velocidade constante, e vai ao poucos aumentando a complexidade até chegar a simular movimentos reais.

São infinitas as possibilidades de movimentos. Eles podem ser retos, curvos, como o dos carros, circulares como os das rodas da bicicleta ou uma combinação entre eles como nas montanhas russas dos parques de diversão. Podem também ocorrer com velocidade constante ou variável, sendo acelerado ou retardado. Podem ocorrer na horizontal, vertical ou em qualquer ângulo.

Apesar disso, todos eles são caracterizados pelas mesmas grandezas, que são:

• Referencial: ponto a partir do qual se determina se um corpo está em repouso ou em movimento;
• Trajetória: caminho percorrido pelo corpo em movimento;
• Posição (): ponto da trajetória que o corpo ocupa;
• Repouso: estado em que a posição do corpo não varia em função do tempo em um dado referencial;
• Movimento: mudança da posição do corpo em função do tempo em um dado referencial;
• Deslocamento (): é a distância percorrida pelo corpo em um determinado intervalo de tempo, representada por ;
• Velocidade (): é a taxa da variação da posição do corpo no tempo, ou, ;
• Aceleração (a): é a taxa da variação da velocidade no tempo dada por:.

Observe que a posição, a velocidade e a aceleração são grandezas vetoriais, ou seja, são definidas pela direção, sentido e intensidade.

Quando lidamos com corpos extensos, incluímos nos estudos o torque e o momento, ambos relacionados com o movimento de giro do corpo.

Além dessas grandezas, os movimentos como os circulares e ondulatórios, ainda são caracterizados por:

• Frequência (f): número de repetições do movimento circular ou oscilações de uma onda em determinado intervalo de tempo;
• Período (T): tempo de uma oscilação completa ou de um comprimento de onda;
• Comprimento de onda (): grandeza específica para ondas, é a distância entre dois vales ou duas cristas sucessivas.

No estudo dos líquidos incluímos ainda a densidade, pressão e vazão relacionados, respectivamente, à massa, peso e velocidade do líquido.

Dinâmica: as leis de Newton

A dinâmica estuda as causas dos movimentos, ou seja, estuda as forças.

Isaac Newton estudou os movimentos e suas origens, postulando três leis que explicam a contento os movimentos e são a base fundamental da Mecânica Clássica.

As três leis são:

Primeira Lei de Newton ou Lei da Inércia: um corpo tende a permanecer em estado de repouso ou de movimento retilíneo e uniforme (MRU) a não ser que atue sobre ele uma força diferente de zero ou que a força resultante que atua sobre ele seja diferente de zero.

Segunda Lei de Newton ou Princípio Fundamental da Dinâmica: a força resultante que atua sobre um corpo é diretamente proporcional ao produto da massa desse corpo por sua aceleração, onda a força resultante é igual à soma vetorial de todas as forças que atuam sobre o corpo. Outra maneira de enunciar o Princípio Fundamental da Dinâmica é

Terceira Lei de Newton ou Lei da Ação e Reação: quando um corpo A exerce uma força sobre um corpo B, o corpo B reage e exerce uma força de mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário sobre o corpo A. Como os pares das forças de ação e reação são aplicadas em corpos diferentes, elas não se anulam; veja o exemplo abaixo:

A força é a força exercida pelo corpo A sobre o corpo B e a força é a força que o corpo B exerce sobre o corpo A.

As três leis de Newton explicam e se aplicam em todos os casos, ou seja, nas forças de tração, tensão, gravitacional, elástica, de resistência ou de atrito, de atração, de repulsão etc.

Energia e trabalho

A famosa frase de Lavoisier, que na verdade é a Lei de Lavoisier: na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma resume bem o que é estudado na área de Energia e Trabalho.

Aqui vemos como as energias envolvidas nos movimentos se transformam em diferentes tipos, por exemplo, esfregue suas palmas das mãos em movimentos repetitivos e rápidos, elas aquecem. Isso é um exemplo de como o atrito transforma a energia cinética de movimento em energia térmica.

Na verdade, a energia está presente em todos os fenômenos naturais, estando envolvida desde no funcionamento do motor de um avião até em todos os movimentos, passando inclusive pelo crescimento dos seres vivos. Afinal precisamos de energia para crescer, nos movimentar, pensar, respirar, ou seja, para viver.

Na Física definimos várias energias, por exemplo, energia cinética, potencial, mecânica, gravitacional, térmica, elástica, elétrica, luminosa, sonora, solar, eólica, nuclear, química, biológica, entre outras. Observe que algumas das energias da lista são objetos de estudo de outras matérias, como Biologia e Química.

Mas, independente do tipo, a energia é uma grandeza fundamental da Física e representa a capacidade de realizar trabalho ou de modificar o estado de um sistema.

Os principais conceitos estudados aqui são:

• Sistema isolado: é aquele que não troca matéria e/ou energia com o ambiente externo, por isso ele é tido como um sistema fechado;
• Sistemas conservativos: são sistemas onde a energia mecânica total é conservada, ou seja, onde não estão presentes forças de dissipação ou de transformação de energia como, por exemplo, a força de atrito. A energia mecânica é dada pela soma da energia cinética com a energia potencial elástica ou gravitacional;
• Sistemas dissipativos: são os sistemas onde existem forças dissipativas que transformam a energia mecânica em energia térmica, por exemplo;
• Princípio da conservação da energia: a quantidade total de energia de um sistema isolado permanece constante;
• Impulso (): efeitos de uma força que age durante um intervalo de tempo sobre um corpo ou a medida da quantidade de movimento transferida a um corpo durante o contato físico entre a força e o corpo. O impulso é dado por
• Quantidade de movimento (): o produto da massa de um corpo pela sua velocidade ou
• Princípio da conservação da quantidade de movimento: em um sistema sem atuação de forças externas, ou quando as intensidades destas forças forem desprezíveis frente às forças internas, a quantidade de movimento se conserva;
• Trabalho (): é a medida da energia transferida a um corpo devido à atuação de uma força que provoca seu deslocamento ou onde é o ângulo formado entre os vetores força e deslocaamento;
• Potência (P_ot): é a medida da rapidez da realização de uma tarefa ou a quantidade de tarefas que são realizadas em um dado intervalo de tempo, ou ;
• Rendimento (): relação entre a potência utilizada de fato para a realização de um trabalho e a potência recebida ou

Gravitação universal

Na gravitação universal a Física estuda as relações entre os corpos celestes, suas órbitas e as forças envolvidas. Ao observarmos o céu podemos perceber que os planetas se movimentam. A observação de Vênus, por exemplo, é fácil e elucidativa.

Johannes Kepler estudou os movimentos das estrelas e planetas, e postulou três leis para descrever os movimentos dos planetas em torno do Sol. São elas:

Primeira Lei de Kepler ou Lei das Órbitas Elípticas: os planetas se movimentam em torno do Sol em órbitas elípticas, com o Sol ocupando um dos focos da elipse.

Segunda Lei de Kepler ou Lei das Áreas Iguais: o segmento (raio vetor) que une o Sol a um planeta varre áreas iguais em intervalos de tempo iguais. Uma consequência dessa lei é que a velocidade do planeta ao longo da sua trajetória orbital muda com a mudança da distância ao Sol, ela não é constante ao longo de toda a órbita. A velocidade do planeta será maior quando estiver mais próximo do Sol, e menor quando o planeta se encontra mais distante do Sol.

Terceira Lei de Kepler ou Lei dos Períodos: o quadrado do período orbital (T) de cada planeta, é proporcional ao cubo do raio médio (r).

Observe que as leis de Kepler descrevem os movimentos dos planetas, mas não explicam a sua causa.

Foi Isaac Newton que, em 1666, explicou as causas desses movimentos em sua Lei da Gravitação Universal que diz que dois corpos se atraem com uma força proporcional às suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa seus centros de gravidade, ou:

onde: F é a intensidade ou módulo da força de atração gravitacional entre os dois corpos; M e m são as massas dos dois corpos; d é a distância entre os corpos medida a partir de seus centros de gravidade e G é a constante de Gravitação Universal igual a G = 6,67 x 10^-11 N.m²/Kg² em qualquer lugar do universo.

Termodinâmica (calor e temperatura)

Na termodinâmica estudamos os fenômenos relacionados com a temperatura, suas medidas e com o calor. Apesar de termos um sentido relacionado à sensação térmica, não conseguimos determinar temperaturas exatas, apenas conseguimos distinguir frio, quente e morno, bem como suas graduações como, por exemplo, muito frio, muito quente.

As principais grandezas físicas dessa área são:

• Temperatura (T): é a medida do grau de agitação ou da energia cinética, translacional, rotacional e vibracional dos átomos ou moléculas que formam um corpo;
• Equilíbrio térmico: é o estado onde dois corpos distintos possuem o mesmo valor de temperatura, ou seja, que seus átomos ou moléculas vibram com a mesma energia;
• Calor (Q): é a energia térmica em trânsito, fluindo do corpo ou do ponto de maior temperatura em direção ao corpo ou ponto de menor temperatura;
• Calor específico (c): é a quantidade de calor necessário para produzir uma variação térmica de 1^oC em uma massa de 1g do material. É uma característica específica de cada material;
• Capacidade térmica (C): corresponde à quantidade de calor de num corpo em relação à variação de temperatura que ele sofre.

Também faz parte dessa área o estudo dos gases e suas transformações, amplamente usadas na construção de motores. No estudo dos gases, as principais grandezas são:

• Gás ideal: é o gás constituído por um número muito grande de partículas em movimento aleatório que sofrem colisões elásticas, onde é possível desprezar tanto o volume das moléculas, quanto suas interações;
• Teoria cinética dos gases: é o estudo dos comportamentos dos gases ao variar as grandezas que os caracteriza, a saber, pressão, volume e temperatura;
• Leis da termodinâmica: estabelecem relações entre calor, energia e trabalho, analisando o calor trocado e os trabalhos realizados em um processo físico.

Óptica

A ótica na Física está intimamente relacionada com a visão da Biologia. Ela explica o que vemos e como vemos, e também explica os fenômenos luminosos e o comportamento da luz.

Entre os conceitos principais dessa área temos:

• Luz: radiação eletromagnética visível que se propaga no vácuo, nos gases e através de objetos transparentes ou translúcidos na forma de ondas que possuem comprimentos e frequências variadas;
• Óptica geométrica: relacionada com a propagação retilínea e independência dos raios luminosos, explicando os fenômenos de reflexão, difração, refração e decomposição da luz, bem como a formação da sombra e penumbra;
• Espelhos e formação de imagens: espelhos planos e esféricos côncavos e convexos refletem a luz segundo a lei de Snell, formando imagens de objetos.

Ondulatória

Essa área se dedica ao estudo das ondas materiais e sonoras, que são as que precisam de um meio material para se propagarem. São exemplos, as ondas do mar, as ondas formadas em lagos pela queda de uma pedra, e todos os sons que ouvimos de melodias à mais total poluição sonora.

As principais grandezas dessa área são:

• Ondas: perturbações que se propagam sem transporte de matéria, apenas transportando energia;
• Fenômenos ondulatórios: relacionados com os comportamentos das ondas ao se propagarem e ao encontrarem obstáculos ou outras ondas. Envolve os estudos da reflexão, difração, polarização, interferências, ressonância e refração;
• Acústica: o ramo da física que estuda como o som é criado, como as ondas sonoras se combinam e interagem, e como elas se comportam nos ambientes.

Eletricidade e magnetismo

Essa área da Física se dedica ao estudo de todos os fenômenos relacionados com a eletricidade como, por exemplo, o funcionamento da televisão e o carregamento dos celulares, e com o magnetismo, relacionado com os ímãs que grudamos na porta da geladeira com recados, fotos ou lembranças de viagens.

Os conceitos principais dessa área são:

• Carga elétrica: é uma propriedade física fundamental que determina as interações eletromagnéticas entre átomos, elementos, moléculas, substâncias e corpos;
• Força e campo elétrico: força elétrica é a interação resultante de atração ou repulsão entre duas cargas devido à existência de um campo elétrico ao redor de cada uma delas;
• Corrente elétrica: movimento ordenado de cargas elétricas dentro de um sistema condutor;
• Força magnética: força de atração e/ou de repulsão exercida pelos ímãs e por objetos magnéticos;
• Campo eletromagnético: é a sobreposição do campo elétrico e do magnético, ou concentração de cargas elétricas e magnéticas que se movimentam como ondas;
• Circuitos elétricos: caminho fechado que contém elementos que se ligam e que permitem a passagem da corrente elétrica.

Física Moderna

A Física Moderna é fruto do desenvolvimento tecnológico, que permitiu a realização de experimentos no mundo subatômico, e o estudo do universo.

Esses experimentos deram resultados inexplicáveis pelas teorias da Física Clássica e promoveram o desenvolvimento de novas teorias. Entre elas temos a Física Quântica e a Física Relativística. Seus principais conceitos são:

• Relatividade restrita: diz que todas as leis da natureza valem em todos os sistemas de referência inerciais, inclusive a velocidade da luz no vácuo. Isso define um limite superior para as velocidades, que é a velocidade da luz;
• Tempo e espaço relativos: o tempo e o espaço não são imutáveis e independentes, eles são combinados no espaço-tempo e podem sofrer dilatações e contrações dependendo das características dos referenciais de onde são observados;
• Massa relativística: a massa é considerada uma forma de energia e uma medida da capacidade de interação do corpo com o que está ao seu redor. A massa passa a ser representada pela famosa equação de Einstein E = m.c² onde E é a energia, m é a massa e c é a velocidade da luz no vácuo;
• Relatividade geral: a massa tem a capacidade de curvar o espaço-tempo, sendo que, quando maior a massa do corpo, maior a curvatura;
• Quantização da energia: a energia não é trocada, absorvida ou emitida em qualquer valor em um espectro contínuo, mas sim, em pequenos pacotes bem definidos denominados quantum;
• Átomo de Bohr: nesse modelo os elétrons giram em torno do núcleo ocupando órbitas específicas, com energias quantizadas, ou seja, valores específicos de energia. Essas órbitas são chamadas de estados estacionários, e quando os elétrons se movimentam nelas eles não emitem radiação;
• Dualidade onda-partícula: as partículas como, por exemplo, os elétrons e fótons se comportam tanto como partículas quanto como ondas. Assumindo o papel de onda ou de partícula apenas quando sob observação.

Exercício

Resolva as questões abaixo para você verificar sua compreensão sobre a Física do Ensino Médio.

Questão 1

Questão 2

Para praticar: Exercícios de Física para 1º ano do Ensino Médio (resolvidos)

Leia também:

• Cinemática: conceito e fórmulas
• Dinâmica: entenda o que é, os conceitos e fórmulas (com exercícios)
• Energia: o que é, origem, conservação e tipos
• Trabalho na Física (produzido por uma força)
• Força Gravitacional - Lei da Gravitação Universal
• Termodinâmica: leis, conceitos, fórmulas e exercícios
• Fenômenos ópticos: o que e quais são
• Ondas na Física: definição, tipos, fórmulas
• Campo magnético: o que é e como funciona

Ana Lucia Souto

Professora de Ciências e de Física da Educação Básica e do Ensino Superior, tendo iniciado a docência em 1990. Bacharel em Física, Mestre e Doutora em Biofísica e PhD em Biologia Estrutura - Universidade de São Paulo, USP.