Entendendo a criação através da Mecânica Clássica: Cinemática

Porque, assim como desce a chuva e a neve dos céus, e para lá não tornam, mas regam a terra, e a fazem produzir, e brotar, e dar semente ao semeador, e pão ao que come,

 Assim será a minha palavra, que sair da minha boca; ela não voltará para mim vazia, antes fará o que me apraz, e prosperará naquilo para que a enviei.

Isaías 55:10, 11

A coluna de hoje inaugurará uma nova série aqui no CosmoTeo: Entendendo a criação através da Mecânica Clássica. A ideia aqui será muito mais simples e até mais geral do que nos outros textos sobre cosmologia, mecânica quântica e outros assuntos mais “bombásticos”: veremos princípios basilares de física clássica ou, melhor colocando, mecânica clássica. Mas antes de qualquer coisa, vamos começar do começo. Ou melhor, das definições.

FÍSICA OU MECÂNICA CLÁSSICA

A Física é uma grande área do conhecimento que abrange muita coisa. Para mim, óbvio, é a mais completa área do conhecimento humano: abarca tudo o que é pequeno, desde as partículas mais elementares, até a maior coisa ou objeto que existe no universo, superaglomerado de galáxias. O meio desse grande intervalo é preenchido por leis imutáveis.

A Física é dividida, de forma didática, por áreas, e algumas delas você já conhece: cosmologia, mecânica quântica, gravitação (relatividade geral, por exemplo), termodinâmica, eletromagnetismo etc. Mas há uma outra grande área da física que nos afeta diretamente: a mecânica clássica. Sinteticamente, podemos dizer que a física ou mecânica clássica é a física do dia a dia. Quando você dirige um carro, pega um ônibus ou metrô, anda pelas calçadas da rua, atravessa em um semáforo com luz vermelha para os carros, cozinha um arroz ou faz um simples café para tomar no meio da tarde, você está, literalmente, fazendo física e na prática!

Sendo mais categórico, a Física é dividida em clássica, quântica e relativística. A relativística envolve velocidades perto da velocidade da luz (que é da ordem de 300 mil km/s), ou seja, qualquer coisa que viaja perto da velocidade da luz está no domínio relativístico. Já a quântica é a área que envolve as coisas pequenas, com efeitos quânticos.

A física clássica é aquela que trata dos fenômenos do dia a dia, das velocidades baixas (correr na rua a pé ou mandar um foguete a Lua). E é aqui onde está inserido as famosas leis de Newton, as contas que fazemos de viagem: se eu sair agora de casa para ir para um hotel a 160 km de distância e andando a uma velocidade média, de carro, de 80 km/h, então chegarei ao local depois de 2 horas. Também, é com a física clássica que observamos um celular caindo da mesa e quebrando, ou um copo de vidro que cai de uma certa altura e com um determinado ângulo e não quebra. É com ela que observamos um acidente onde um carro amassa e quebra completamente, dando perda total, e o motorista saindo ileso, apenas com o susto.

Agora, adentrando um pouco mais nas definições, a cinemática e a dinâmica são conceitos essenciais para se entender o funcionamento do nosso mundo (ele é clássico: ninguém viaja, em terra, a mais de 5 mil km/h ou tem um tamanho de átomos no dia a dia). Cinemática é uma vertente da mecânica (de forma geral) que trata do movimento de corpos sem se importar com a origem do movimento (se alguém empurrou ou se algum motor está ligado, por exemplo). Ou seja, a cinemática descreve o movimento: linear (em linha reta) e circular (com curvas). Esses movimentos têm diversas grandezas físicas envolvidas como massa (medida em kg – quilograma), comprimento (medido em m – metros) e tempo (medido em s – segundos). As unidades das grandezas físicas (kg, m, s), de forma padronizada, advém do SI: Sistema Internacional de Pesos e Medidas. É claro que usamos relógios para marcar horas e minutos, mas a forma padrão (qualquer pessoa em qualquer lugar no mundo) é s – segundos.

Um outro detalhe que destaquei acima é a palavra corpo. Aqui, corpo é qualquer tipo de objeto que utilizo como referencial. Este corpo pode ser o corpo humano, mas pode ser um carro, um navio, uma partícula, o planeta Terra ou uma galáxia. Referencial é um corpo (como a definição acima) que defino eventos em relação a ele. Por exemplo, para modelarmos o engarrafamento de carros em Brasília vou considerar cada carro / moto / caminhão como um ponto material (desprezo o tamanho deles, mesmo sabendo que cada automóvel é diferente) e vejo como é a interação de cada ponto material em mudança de faixa, retorno ou em movimento em rotatória / balão / tesourinha (os nomes variam de acordo com a cidade brasileira).

Tudo isso acima é área da cinemática. Já a área da dinâmica é tudo isso, mas com acréscimo de força, de origem de movimento. Aqui já valem os conceitos de quem faz / provoca o movimento e qual é o mecanismo que isso é feito. Por exemplo, se eu chutar uma bola o seu movimento será uma trajetória parabólica: o motivo da bola fazer essa trajetória envolve o meu chute (impulso: força em com um brevíssimo tempo de contato) e a gravidade da Terra.

Trajetória de uma bola: oblíqua

Além desses conceitos iniciais, temos a ideia de cinemática escalar e cinemática vetorial. A diferença básica entre elas é que a primeira trata de valores absolutos, ou seja, “só números”. Já a segunda tratará dos mesmos fenômenos, mas com uma matemática vetorial: vetores. Vetor é um objeto matemático, abstrato, que sintetiza informações como direção, sentido e intensidade.

O vetor a (na digitação não se escreve seta em cima da letra, mas coloca-se em negrito) é representado como indo do ponto A ao ponto B. O tamanho é o módulo ou a intensidade, a direção é AB e o sentido é de A para B

Por exemplo, quando digo que estou dirigindo um carro a 80 km/h, isso só me diz o estado inicial que estou no carro. Mas, quando digo que estou na BR 060 no sentido Brasília-Goiânia a 80 km/h, essa informação pode ser sintetizada em um vetor com intensidade 80 km/h, direção em cima da rodovia BR 060 e com sentido positivo de Brasília a Goiânia. E tudo isso depende do sistema de coordenadas adotado.

Sistema de coordenadas é um outro objeto matemático onde, literalmente, desenhamos os fenômenos. O sistema mais conhecido é o cartesiano ou plano:

Sistema cartesiano ou plano bidimensional formado pelos eixos X e Y

ESPAÇO, TEMPO, VELOCIDADE E ACELERAÇÃO

A cinemática tem diversos movimentos que são, intuitivamente, conhecidos. Antes, só definir o que já é até senso comum: espaço, tempo, velocidade e aceleração.

Espaço é uma região onde colocamos um padrão (métrica, régua) e fazemos medidas de distância em relação a esse padrão. Por exemplo, a distância da minha casa até a Praça dos Três Poderes é 39,3 km. Ou seja, em relação a um padrão chamado metro, da minha casa até a Praça dos Três Poderes é de 39.300 metros ou unidades desse padrão. O metro é definido, por convenção, como sendo a distância que a luz percorre no vácuo durante 1/299.792.468 segundos (ou 0,00000000033 s).

Já o tempo é uma outra medida em relação a um outro padrão (relógio) onde fazemos comparações de “passagem de momentos” em relação a esse padrão. Por exemplo, para eu ir da minha casa até a rotatória / balão mais perto e voltar, gasto 1 hora de tempo. Ou seja, em relação a um padrão chamado segundo, o tempo decorrido dessa caminhada é de 3.600 s ou unidades desse padrão. O segundo é definido, por convenção, como sendo a duração de tempo de 9.192.631.770 oscilações na transição entre 2 estados do átomo de Césio-133.

As outras características ou medidas que usamos em cinemática são bastante conhecidas e usadas no dia a dia. Velocidade é uma fração ou relação entre espaço percorrido e tempo. Por exemplo, se eu fizer uma caminhada em um parque com 5 km de trajetória durante 1 hora, a velocidade média desse exercício físico será de 5 km/h. Já a aceleração é uma medida de alteração de velocidade. Por exemplo, se quero aumentar a minha velocidade, andando de carro, de 50 km/ para 60 km/, então terei que fazer uma aceleração durante um período de tempo. Em outras palavras, a aceleração é uma relação entre a variação de velocidade durante um tempo.

Observe que espaço e tempo são definições, convenções. Antigamente, início do séc. XX para trás, havia definições de espaço como sendo uma barra de metal. As outras definições, como massa e tempo, eram algo desse tipo: comparações entre um objeto. Atualmente, o Bureal International des Poids et Mesures, uma espécie de escritório com reconhecimento internacional dentro da ciência para criação de padrões físicos, criou ou redefiniu os padrões de segundo, metro, quilograma etc para algo que é medido, fisicamente. E isso leva em conta, dentre diversos fatores, a imutabilidade das leis físicas.

TIPOS DE MOVIMENTO

Só podemos fazer medidas de espaço, tempo, massa, temperatura, saber como o universo funciona ou ter certeza de que se andarmos a tal velocidade média chegaremos em tal lugar em um dado tempo bem definido (as viagens de férias, por exemplo, são feitas assim) porque as leis físicas são imutáveis e invariáveis.

Sabemos disso pela própria observação do nosso dia a adia, pelos experimentos que fazemos em laboratório ou olhando para o céu. Nossa vida inteira é trabalhada ou moldada em cima desses padrões. A própria história da humanidade, das estrelas, dos planetas e das galáxias estão baseadas nessa imutabilidade. Alguns parâmetros, na física clássica, seguem essas características, como vimos na sessão anterior.

E com base nesses parâmetros e grandezas físicas podemos definir ou trabalhar com diversos tipos de movimento. Basicamente, os movimentos estão divididos em 2: Movimento Retilíneo e Movimento Circular. Cada um destes estão divididos em 2 outros. De forma detalhada: Movimento Retilíneo Uniforme (MRU), Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV) Movimento Circular Uniforme (MCU) e Movimento Circular Uniformemente Variado (MCUV).

Veja que a diferença entre os 2 grandes tipos está na em forma de movimento: retilíneo e circular. Isso significa que os movimentos são em curvas do tipo reta (sim, reta é um tipo particular de curva) e do tipo circular. Internamente, a divisão fica em movimentos que tem aceleração (uniformemente aceleração) e sem aceleração (uniforme). Não vou escrever as equações de cada tipo de movimento, mas em qualquer livro de física do ensino médio do 1º ano ou de faculdade (engenharias e física) que tratam sobre mecânica / cinemática há uma tabela ou relação destas equações.

As aplicações destes movimentos retilíneos e circulares, uniformes e uniformemente acelerados vão desde o nosso dia a dia de locomoção (andar, correr, dirigir carro e moto, avião, carregar objetos etc) até utilização militar, como lançamento de mísseis; é claro que este último é o menos desejado. Também o lançamento de satélite para comunicações e até mesmo pesquisas atmosféricas, como previsão do tempo, há uma ampla utilização destes movimentos.

CONCLUSÃO

Terminarei a parte da cinemática por aqui com a pergunta: o que tudo isso tem a ver com a teologia cristão? Onde entra Deus em tudo isso? Eu poderia escrever páginas e páginas descrevendo cada detalhe só da cinemática e o envolvimento que ela tem com Deus. Melhor: como ela foi criada por Deus, lá no início do universo, para ser como é e ter as leis imutáveis que ela tem.

Focando apenas nesse ponto de imutabilidade. Parece que é algo que vai contra a ideia de um Deus que intervém na natureza ou opera sobre ela. Na realidade, a forma como vejo a descrição do texto bíblico de Deus intervindo no universo dá justamente o entendimento ao contrário: através da imutabilidade das leis físicas, como a cinemática na mecânica clássica, é o caminho natural e habitual da ação divina.

É óbvio que Deus pode agir da forma que Ele quiser. Mas, olhando para a história, para o passado e para os registros bíblicos que Ele deixou de forma inerrante, o que observo é que Ele não violou nenhuma lei que Ele mesmo criou. Darei apenas um exemplo; poderia descrever milhares.

Então um homem armou o arco, e atirou a esmo, e feriu o rei de Israel por entre as fivelas e as couraças; então ele disse ao seu carreteiro: Dá volta, e tira-me do exército, porque estou gravemente ferido.

1 Reis 22:34

Acabe era rei em Israel nessa época que o texto descreve. Havia uma profecia sobre ele, como diz o verso 38 do mesmo trecho, de como seria a sua morte. O detalhe é justamente na trajetória do movimento da flecha: obliqua, igual a primeira figura que coloquei sobre o chute de uma bola. Ou seja, Deus usou um soldado para lançar uma flecha “ao acaso” e a trajetória exata dessa flecha tem, em seu fim do alcance, o corpo de Acabe.

Ordenai-vos contra babilônia ao redor, todos os que armais arcos; atirai-lhe, não poupeis as flechas, porque pecou contra o SENHOR.

Jeremias 50:14

Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Há diversos livros de física que tratam sobre cinemática. Em qualquer livro que você tiver do ensino médio ou de faculdade (engenharias ou física na parte de mecânica ou mecânica clássica) tem esse conteúdo. Recomendo, além disso, 2 links do site Só Física: sobre cinemática (completo; no fim do texto há um botão, Próxima, para continuar a leitura)  https://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/Cinematica/velocidade.php e o outro contém fórmulas matemáticas envolvendo apenas cinemática https://www.sofisica.com.br/conteudos/FormulasEDicas/formulas.php.
Em 2016 o Telescópio Espacial Hubble, que tirou essa belíssima foto acima, mostrou que o universo está se expandindo entre 5% a 9% mais rápido do que o esperado. Ou seja, o universo tem uma aceleração maior do que é esperado, teoricamente
Fonte: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nasa-s-hubble-finds-universe-is-expanding-faster-than-expected
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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