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Introdução
Medidas e Unidades
Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia Bacharelado em Ciência e Tecnologia
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Introdução
Importância da Física
Relação com as outras ciências
O Método Científico
Quantidades Físicas
Experimentador
Relógio
Régua
Balança(dinamômetro)
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Importância da Física
O ser humano persegue incansavelmente entender a
Natureza!
Percepção de ordem, periodicidade
Movimento do Sol (dia e noite)
Movimento da lua (mês)
Estações (ciclo de 365 dias, um ano)
Complexidade; fenômenos biológicos, meteorológicos.
A Natureza e os seus fenômenos
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Meta da Ciência
Observar e entender a regularidade dos fenômenos
naturais.
Encontrar as Leis da Natureza; fenomenologia.
Século XVI, Galileu Galilei; instrumentos de medida
O Método Científico; as leis fundamentais
Desenvolvimento da Ciência
Filosofia Natural
Ciências Naturais
Método Científico
Telescópios
Relógios
Barômetros
Desenvolvimento
da Ciência Tecnologia
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O Método Científico
Observação e experimentação (reprodutibilidade):
teste crucial na formulação das leis naturais. A física
parte de dados experimentais.
Abstração e indução; modelagem.
Leis e teorias; novas previsões.
Acordo com a experiência é o juiz supremo da
validade de qualquer teoria.
OBSERVAÇÃO
O Método Científico
EXPERIMENTAÇÃO
MODELAGEM
PREVISÃO
Física Experimental
Experimentador
Relógio
Régua
Dinamômetro
Tempo
Espaço
Força
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O tempo
Relógio, qualquer movimento periódico;
nascer do sol, intervalo de um dia ...
Escalas de Tempo
• Celestial; órbitas de planetas, rotação da Terra em
torno do seu próprio eixo.
• Atômica; frequências da radiação emitida por
átomos.
Irreversibilidade (nascimento morte!);
tempo biológico (metabolismo)
Escalas de Tempo
Decaimento radioativo, usado para medir o tempo
em escala geológica.
O tempo
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Relógios (instrumentos)
Relógios de Sol (muito antigos).
Relógios de água (Egito e Babilônia).
Relógios de areia (ampulhetas).
Galileu; comparou as oscilações do candelabro
da Catedral de Pisa com o ritmo do seu pulso.
Usou a ideia inversa, pêndulo para medir
pulsação.
(Ciência Tecnologia)
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Relógios precisos
Determinação da longitude (comparar hora
local com hora de Greenwich), fundamental
para a navegação.
Terra gira 360o em 24 horas, variação de uma
hora desvio de 15o de longitude.
Melhora na metalurgia melhores molas para
relógios.
Zonas de tempo (fusos)
1840 “the Greenwich
Time”, padrão para o
sistema ferroviário Inglês.
1884 Greenwich definido
como inicial
Dia 24 horas (360o) cada
zona corresponde a 15o.
1918 adotado nos EUA
1942 padrão mundial
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Padrão do tempo
Até 1956, 1 s =1/86400 do dia solar médio
(média sobre o ano de um dia).
1927 Relógio de quartzo.
1967 (13a Conf. Pesos e Medidas) definiu SI, 1s
como 9.162.631.770 períodos da radiação do
Césio 133. Definição do relógio atômico.
1999 NIST-F1, Padrão atual.
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História do tempo
A evolução dos relógios.
O relógio de quartzo; a tecnologia que não
virou padrão de tempo.
O relógio atômico; Padrão de tempo – GPS.
A evolução dos relógios
Relógio de Sol
Século 16 aC no Egito
Hora no verão diferente da Hora no
inverno.
Em 263 dC, relógio trazido da Catânia
para Roma apresentou tempo errado
aos romanos por 100 anos.
Clepsidra
Século 15 aC
O pinga-pinga foi o precursor do
tic-tac dos relógios.
Ampulheta
Século 14 na Europa
Usado para marcar tempo de
eventos como sermões, aulas..
Relógio de pêndulo
1656 astrônomo Cristian Huygens
Galileu em 1580, foi o primeiro a
ver a importância do pêndulo.
RP contou segundos pela primeira
vez no século 17
A evolução dos relógios
Relógio de mola
Século 15 na Europa
Impreciso inicialmente.
Tornou possível a produção de relógios de
tamanho pequeno.
Tecnologia que reinou até o advento do relógio
de quartzo (hoje 13% do mercado).
Relógio de quartzo
1927 J. W. Horton e W. A. Morison
Tinha o tamanho de uma sala. Preciso
mostrou que segundo como 1/86.400 do
ano médio era impreciso.
Hoje presente na compra de cereal.
A evolução dos relógios
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Relógio Atômico
Átomos de Césio 133
Transição na frequência de
9.192.631.770 ciclos /s (Hz)
Átomos absorvem esta energia na
cavidade de micro-ondas e ficam em
ressonância.
Átomos de Césio sempre emitem
nesta mesma frequência tornando um
padrão de medida de tempo.
A evolução dos relógios
Em 1967 na 13 Conferência Geral de Pesos e Medidas este foi definido
como o padrão de tempo 1 s 9.192.631.770 ciclos de uma transição
hiperfina do césio 133.
O relógio de quartzo
1880, Pierre Curie, piezo-
eletricidade do quartzo.
1888, Fritz Heinetzer observou
o cristal liquido. Otto Lehmann
batizou como cristal líquido.
1927 W.A. Morison BTL,
inventou o primeiro relógio de
quartzo.
1954 baterias.
1959 Circuito integrado Jack Kilby of Texas Instruments and Robert Noyce at Fairchild Semiconductor.
1961-62 LED, Light Emitting Diode.
1968 LCD, Liquid Crystal Display.
1969, Seiko 35 SQ Astron relógio de quartzo.
1970 Pulsar.
1983 Swatch (Suiça se rende à nova tecnologia).
O relógio de quartzo
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Relógio atômico
1945, Idéia; Isidor Rabi (Univ. Columbia) baseado na Ressonância Magnética de Feixe Atômico (de 1930).
1949 primeiro relógio, molécula de amônia.
1952 Relógio de Césio 133 (NBS-1).
1967 Definido padrão mundial de tempo.
1968 Relógio de Césio 133 (NBS-4).
1999 NIST-F1, erro 1,7 partes em 1015 ou 1 segundo em 20 milhões de anos.
O relógio atômico
1999 - NIST-F1 Cesium
Fountain Clock.
Padrão mundial de tempo.
Esquema do NIST-F1
NIST-F1 e seus
inventores
Padrão de tempo (GPS)
Global Positioning System
(GPS) é consequência das
fontes de tempo dos
satélites.
Uma rede de 24 satélites
orbitando a 20.000 km de
altitude
Cada satélite tem um relógio
atômico
Precisão ± 15 metros
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Medida de tempos longos
Datação com C14.
Meia vida T1/2 = 5730 anos.
Equilíbrio dinâmico, N14 C14,
A quantidade de C14 é constante em organismos vivos por troca de CO2.
A quantidade de C14 não muda após a morte porém existe desintegração do C14.
Comparando C12 /C14 em fósseis determina-se a idade.
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Alguns tempos
O comprimento
Os conceitos de tamanho e distância.
A medida comparativa.
As partes do corpo humano; medidas imprecisas. O
sistema inglês.
A necessidade de se estabelecer um padrão de
comprimento; o padrão deveria ser uma constante!
As medidas de comprimento.
O padrão de comprimento
1791- International System (SI) Metro = 1/10.000.000 de ¼ da circunferência da Terra.
1797- Barra de platina.
1859- Maxwell propõe a linha espectral amarela do sódio.
1875- Tratado do metro. IBWM
1960 - ICPM, 1.650.763,73 comprimento de onda da transição 2p10 5d5 do Kriptônio (massa 86)
1983- Distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299.792.458 de segundo.
Medidas de comprimento
Medidas comparativas; apenas 4 ou 5 ordens de grandeza em
torno do metro.
Pequenas distâncias; microscópios óticos, microscópios
eletrônicos, microscópio de força atômica, microscópio de
varredura. A escala atômica; limitação natural na medida de
comprimento. O princípio da incerteza de Heisenberg.
Grandes distâncias; o método de triangulação, luminosidade
aparente (medidas astronômicas).
Precisão na medida; lasers.
Medidas de comprimento
Sistemas de coordenadas
O sistema cartesiano
),,( zyxposição
O sistema polar (esférico); latitude
e longitude
),,( rposição
Medida da longitude; descrita na medição do tempo
Medida da latitude; estrela fixa, Polares (hemisfério norte)
N
S
Sistemas de coordenadas
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Algumas distâncias
Luminosidade
Microscopia ótica
Microscopia eletrônica
Métodos indiretos
Métodos diretos
Massa
1889, o 1o CGPM definiu o protótipo do
Quilograma (unidade de massa) como
uma peça de Platina Irídio colocada no
IBWM.
Discussão sobre massa mais adiante.
CGPM - Conferência Geral de Pesos e Medidas
IBWM - International Bureau of Weights and Measures
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Algumas massas
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Alguns prefixos
Gigabyte escala de G
Microeletônica escala de μ
Nanoeletrônica escala de n
Escalamento
É possível uma célula grande? Por quê ocorre a divisão celular?
É possível uma formiga atingir o tamanho de um homem?
Propriedades dependem do tamanho!
Escalamento
l
lL
´
Distância
A
A
l
lL
´2
2´2
Área
V
V
l
lL
´3
3´3
Volume
Em geral
P
PSCER FER
F
F
FG
FGFGER C
LP
PS
LP
PSC
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Peso da formiga gigante
PFG = L3 PF
Peso sustentado (seção transversal dos músculos)
PSFG = L2 PSF
Capacidade de esforço relativo
02.01
FERFGER CL
CA formiga gigante não teria
força para levantar a pata!
A formiga gigante
