História da Mecânica: A Mecânica a partir do século XX

A origem do estudo da mecânica

A história da mecânica pode ser examinada em fases. A partir da divisão por etapas, fica mais fácil compreender os momentos que definiram a evolução do estudo desse preceito da física desde sua origem até a atualidade.

1) Considera-se que o interesse pela mecânica começou quando o homem percebeu os movimentos que existem na Terra. No entanto, em sua fase preliminar, a observação desse fenômeno não foi ainda transformada em estudos. Tal conhecimento servia para que o ser humano se beneficiasse da regularidade dos deslocamentos dos astros.

2) Durante a Grécia Antiga, essas percepções prévias foram sistematizadas. Houve um grande evolução no desenvolvimento de várias áreas que buscavam explicar como o mundo funcionava. Na época, era a filosofia que se ocupava de pensar em todos esses ramos. A racionalidade humana atingia o seu ápice até então. Mais adiante na história, os setores do conhecimento passaram a ser separadas em biologia, física, matemática, para citar alguns exemplos. Quando Roma dominou o Império, essas premissas foram assimiladas.

3) Já na Idade Média, a Igreja era a instituição mais forte e influente da época. O Clero detinha o poder intelectual, e, ainda que as conquistas do pensamento greco-romano não tenham sido esquecidas, a busca por respostas filosóficas voltou-se para religião.

4) Com o Renascimento, os valores do racionalismo grego são aperfeiçoados. Retoma-se a curiosidade pelos fenômenos naturais e pelas leis que os regem. Muitos dos estudos são conduzidos pelo método de observação experimental. É nesse período histórico que o astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) revoluciona a maneira que ser humano pensava o Universo. Ele escreveu que o Sol estaria no centro da esfera celeste. Copérnico propõe que a Terra é que se movimenta em torno do Sol, e não o contrário, como defendia o modelo geocentrista. Suas ideias só são aceitas um século depois de publicadas. Ainda durante o Renascimento, o italiano Galileu Galilei (1564 – 1642) faz contribuições para as áreas da Física e da Astronomia que o torna, para muitos, o pai da ciência moderna. Isso porque suas observações foram as primeiras a serem transformada em leis descritas por expressões matemáticas. Entre os temas que se beneficiaram dos estudos de Galileu sobre movimento estão:

– Movimento Uniforme
– Movimento dos Projéteis
– Movimento do Pêndulo Simples

5) Quando Isaac Newton (1642-1727) publica sua obra “Princípios Matemáticos da Filosofia Natural”, em 1687, ele descreve oito definições sobre o movimento, que servem de base para as três leis de Newton. Este trio de axiomas são pontos fundamentais para os estudos da mecânica realizados desde então.

Os estudos da Mecânica a partir do Século XX

Até o começo do século XX, os grandes êxitos da teoria mecânica corroborada pela física clássica pareciam ter respondido a todas as questões sobre o movimento de todos os corpos com precisão. Porém, as técnicas de observação do Universo também avançaram, apresentando novos fenômenos e, com eles, mais perguntas. Conceitos amplamente aceitos de duas teorias físicas: mecânica, que estuda movimento e eletrodinâmica, que se ocupa de fenômenos relacionados à carga, foram revisados. O objetivo dos cientistas era utilizar o avanço experimental para encontrar base teórica consistente para explicar o universo físico. No campo da mecânica, as grandes mudanças aconteceram a partir da teoria da relatividade e do estudo da física quântica. Ainda no final do século XXIX, foram três casos que não poderiam ser justificados pelas teorias desenvolvidas até aquele momento:

– O efeito fotoelétrico, fenômeno que lida com a emissão de elétron que acontece quando um metal é submetido à radiação luminosa;

– A radiação espectral que o átomo de hidrogênio emite, cujas frequências ainda eram pouco definidas;

– A radiação de corpo negro, que é a distribuição quantitativa de radiação de frequências distintas que são liberadas por um corpo quando em equilíbrio térmico.

Como consequência aos ajustes de duas leis já existentes, o princípio de relatividade de Galileu e as leis Maxwell, fez-se grandes descobertas que mudaram o entendimento da física. A Mecânica relativista deu-se a partir dos estudos de Einstein (1879-1955), que encontrou inconsistências nas teorias da mecânica clássica e também na eletrodinâmica. O físico baseou-se na ideia de Lorentz de que era necessário aplicar novas fórmulas para se pensar a transformação de tempo e espaço.

Enquanto Lorentz apresentou uma teoria eletrodinâmica que servia para qualquer referencial inercial, os resultados de Galileu seguiam válidas para a mecânica clássica. Porém, como ambos os estudos tratam de fenômenos do mesmo universo físico, ou seja, explicam transforações no mesmo tempo e espaço, um dos conceitos deveria ser incorreto. Em 1905, então, Einstein então apresenta a Teoria da Relatividade Restrita que resolve esse problema a partir de dois princípios:

1. Os eventos físicos são iguais em todos os referenciais com velocidade relativa constante (referenciais inerciais). Por isso, as leis da física que descrevem esses fenômenos são as mesmas nesses referenciais.

2. A velocidade da luz não varia em nenhum referencial com velocidade relativa constante.

Se o primeiro princípio de relatividade já era conhecido, o segundo ponto contrário os conceitos da mecânica clássica. Surge então um novo pensamento para espaço e tempo, uma concepção que defende que esses fatores não são absolutos. Einstein demonstra que há um inter-relação da posição de um evento com o momento em que ele acontece, e isso se reflete matematicamente. Como consequência, o físico comprova que nada além da luz e de ondas eletromagnéticas podem superar a velocidade da luz. Por isso, a mecânica relativística não nega a mecânica clássica, mas limita sua aplicação para movimentos que tenham velocidades muitos mais baixas que a da luz.

Também explica que um corpo em repouso observa uma geometria dada diferentemente de um indivíduo em movimento. Esse efeito é nomeado contração espacial. Porém, tempo para a ocorrência de um evento é menor para quem o observa em repouso ou em movimento relativo de velocidade constante. Esse fenômeno é chamado de dilatação espacial.

No campo da física quântica, surgiu no século XX a mecânica quântica. Essa nova área permitiu a descrição de eventos em sistemas de partículas de dimensões atômicas e moleculares cujas grandezas físicas recebiam apenas valores quantizados. No momento que foram dados valores para elementos desse tamanho, abriu-se uma série de possibilidades para a compreensão da matéria. Por exemplo, que a matéria às vezes se comporta como partícula, mas também tem natureza ondulatória.

Outro movimento que pode ser observado dos anos 1970 pra cá é a retomada de interesse por ideias da física mecânica clássica. Muitos estudiosos concluem, no entanto, conhecer as leis da natureza e o estado de um sistema em determinado momento não garante que se possa prever a evolução desse sistema. Isso corre devido à grande instabilidade gerada por pequeninas variações do estado do sistema. São os chamados fenômenos de caos.