Ramos da física

Física é parte do conhecimento humano que se dedica a estudar e modelar diferentes fenômenos que acontecem em nosso universo. Esta ciência é muito ampla e por isso foi dividida em diferentes ramos. Os físicos escolhem uma dessas áreas ao terminar a graduação e se especializam nela.

A física é dividida em diferentes ramos para facilitar o processo de aprendizagem . É importante ressaltar que fizemos uma seleção das áreas mais relevantes da física. No entanto, muitos deles coexistem entre si. Ou seja, não há separação total.

Certamente, à medida que nos aprofundamos cada vez mais no nosso universo, novos ramos da física surgirão. Muitos dos campos que existem hoje nas ciências físicas surgiram durante o século XX, ou seja, não têm mais de um século.

O campo da mecânica clássica ou física clássica É baseado nas leis que Newton postulou em seu livro Principia Mathematica em 1687. Essas famosas leis físicas descrevem o movimento dos corpos e as forças exercidas sobre eles.

Este campo das ciências físicas também inclui reformulações da mecânica clássica conhecidas como mecânica hamiltoniana e mecânica lagrangiana que generalizam as leis de Newton e, em muitos casos, essas reformulações são mais úteis porque facilitam os cálculos.

Dentro deste ramo da física estão incluídos sub-ramos que também devem ser mencionados, pois foram vitais para a formulação moderna da física. Estes são:

A cinemática é o estudo das leis do movimento dos corpos . Seu objetivo é prever a posição, velocidade e aceleração dos corpos de estudo. Alguns exemplos de leis estudadas pela cinemática são o movimento retilíneo uniforme (MRU), o movimento retilíneo uniforme acelerado (MRUA), as trajetórias parabólicas ou o movimento harmônico simples, básico no estudo de molas ou pêndulos.

Vimos que a cinemática estuda o movimento dos corpos , mas sem entender o que gera esse deslocamento de corpos. Dinâmica é o campo da física clássica que estuda as forças geradas nos corpos. A equação principal é aquela fornecida pela segunda lei de Newton, a famosa F=ma. A partir desta expressão podemos analisar as forças sobre os objetos e as acelerações necessárias para gerar essa força.

A estática é o ramo da mecânica clássica de sistemas que estuda as forças que atuam em sistemas rígidos que estão em equilíbrio , isto é, sua aceleração é zero porque nenhuma força externa atua sobre eles.

Se você quiser saber mais, pode ler nosso interessante artigo sobre física clássica .

Mecânica quântica É a parte da física que estuda o menor mundo do universo , isto é, para o mundo atômico e subatômico. Para isso, utiliza a famosa equação de Schrödinger que descreve a evolução temporal de um sistema quântico.

A física quântica tem muitas aplicações nas próprias ciências físicas e tecnológicas. É essencial na mecânica quântica relativística, na teoria quântica de campos, na química quântica e no estudo da matéria condensada.

No mundo da tecnologia também é muito útil. É essencial na computação quântica ou em diversas áreas da nanotecnologia.

A relatividade é o campo da física que inclui duas das contribuições mais importantes para a física moderna feitas pelo famoso físico Albert Einstein.

Isso inclui a relatividade especial e a relatividade geral.

A relatividade especial nos diz que dois observadores podem testemunhar realidades diferentes . Portanto, grandezas físicas que se acreditava serem absolutas, como o tempo, tornam-se relativas.

Esta disciplina da física também estuda as relações matemáticas entre observadores com diferentes pontos coordenados por meio do que é conhecido como transformações de Lorentz. As leis físicas de dois observadores com pontos de vista diferentes da realidade não mudam sob essas transformações matemáticas. Eles são invariantes de Lorentz.

Por exemplo, as leis de Newton não dependem das coordenadas do observador, são universais e independentes do ponto de vista da pessoa.

relatividade geral generaliza a relatividade especial e adiciona tempo à equação . Diz-nos que o tempo e o espaço fazem parte do mesmo conjunto conhecido como espaço-tempo.

A base da relatividade geral são as equações de campo de Einstein que relacionam a densidade de um objeto com a deformação que ele causa no espaço-tempo.

Explica a gravidade, que a trata como a consequência geométrica da curvatura da estrutura do espaço-tempo.

Para compreender esta disciplina, são necessários conhecimentos matemáticos avançados de geometria diferencial, álgebra tensorial e topologia.

termodinâmica estuda transferências de energia e mais especificamente calor e trabalho que pode ser gerado com isso. A termodinâmica estuda sistemas em nível macroscópico e de seu estudo derivam as três famosas leis da termodinâmica.

Ele Primeira Lei da Termodinâmica Postula que a energia não é criada nem destruída, apenas transformada. É o princípio da conservação da energia ou o que é igual, a energia interna de um sistema fechado não varia.

O Segunda lei da termodinâmica discute um dos termos mais difíceis de entender, entropia. Este princípio diz que a energia total do universo sempre aumenta. É possível que localmente a entropia diminua graças à contribuição de energia externa. No entanto, a entropia total do universo sempre aumenta.

O Terceira lei da termodinâmica diz que é impossível chegar ao zero absoluto (-273,15 ºC).

O campo da termodinâmica usa esses princípios como base para derivar o restante das equações.

A física estatística é o estudo de sistemas físicos do ponto de vista microscópico e estatístico . Poderíamos dizer que é a versão microscópica da termodinâmica.

Como vimos anteriormente, a termodinâmica estuda magnitudes em nível macroscópico. Na física estatística vemos essas magnitudes como uma média do que acontece no nível molecular.

Por exemplo, podemos ver a temperatura como uma média da velocidade cinética das partículas. Portanto, calculando a média dessa energia podemos obter a variável macroscópica que seria a temperatura.

Outro exemplo é a entropia. No nível molecular, a entropia é definida como uma magnitude proporcional ao número de microestados de um sistema. Portanto, utilizando a mecânica estatística podemos calcular todos os microestados de um sistema e obter a variável macroscópica, que neste caso é a entropia.

Se aplicarmos as leis da mecânica quântica à física estatística, teremos a mecânica estatística quântica.

A óptica é o campo da física que estuda as propriedades e o comportamento da luz em diferentes situações.

Alguns desses fenômenos são a refração, reflexão ou dispersão de fótons ao interagir com a matéria.

A óptica tem muitas aplicações em nossa vida diária. Por exemplo, os nossos óculos ou os microscópios utilizados em laboratórios de todo o mundo são possíveis graças a este ramo da ciência.

Também é fundamental que eu escreva esta publicação e que você a leia, pois são seus princípios que tornam possível a transferência de informações através da fibra óptica.

Acústica é o estudo da propagação de ondas mecânicas através de diferentes meios. Consiste basicamente em compreender o comportamento dos sons e ultrassons e como eles afetam os corpos.

Dentro deste ramo da física existem diferentes sub-ramos dependendo da área da ciência onde as leis da acústica são aplicadas. Algumas delas são:

Estude os diferentes mecanismos pelos quais os animais usam sons para interagir com o ambiente. Por exemplo, os morcegos utilizam ultrassons para se orientarem, os golfinhos utilizam emissões sonoras de baixa e alta frequência para ecolocalização ou os cães ladram para comunicar.

A aeroacústica investiga os sons gerados por fluxos turbulentos de fluidos. Uma aplicação comum é tentar diminuir o som gerado nos aeroportos pelos aviões e diminuir o estresse que esses sons podem gerar para os moradores de locais próximos aos aeroportos.

O ramo da eletroacústica estuda a transformação de impulsos elétricos em sons e vice-versa. É essencial ser capaz de projetar alto-falantes ou microfones de qualidade.

A acústica musical tenta compreender a física dos sons. Entenda como eles se espalham por meio de instrumentos ou vozes humanas. Desta forma você pode melhorar os instrumentos musicais e obter melhor qualidade de som.

Esta área da ciência concentra-se no estudo do comportamento de líquidos e gases em movimento e em repouso. O movimento dos fluidos pode ser descrito usando as famosas equações de Navier-Stokes.

Com essas equações podem ser descritos fenômenos altamente complexos como a dinâmica da atmosfera, as correntes oceânicas ou o fluxo de ar gerado pelos aviões.

As equações de Navier-Stokes são muito complexas e não existem soluções analíticas para elas. É por isso que cálculos numéricos devem ser usados ​​para aproximar as soluções desses problemas.

Meteorologia é o campo da física que estuda o clima por meio da física dos fluidos aplicada à atmosfera. Através de cálculos complicados, muitas vezes realizados em supercomputadores, o comportamento do vento ou das nuvens pode ser aproximado e o tempo nos próximos dias pode ser previsto com bastante precisão.

A biofísica É a área do conhecimento que combina os conhecimentos da biologia e da física para compreender diversos fenômenos que ocorrem nos seres vivos.

Os especialistas neste ramo da física precisam compreender muito bem a relação entre essas duas disciplinas científicas para compreender detalhadamente os processos bioquímicos que ocorrem nos organismos vivos. Existem diferentes ramos da biofísica. Vejamos alguns exemplos.

A biologia estrutural utiliza supercomputadores para realizar cálculos complexos e simular a dinâmica de proteínas ou material genético. Algumas aplicações da biologia estrutural são o projeto de enzimas ou medicamentos.

A bioenergética tem como objetivo estudar a transferência de energia que ocorre através de diferentes vias metabólicas. A geração de moléculas de energia como o ATP ou a sua utilização para a realização de todas as funções vitais são objetos de estudo nesta disciplina.

Cosmologia é a área do conhecimento que visa compreender o nascimento e a evolução do nosso universo. A cosmologia faz uso de outros ramos das ciências físicas, como a astronomia ou a astrofísica, para descrever o comportamento do universo como um todo.

A astrofísica faz uso de teorias da física teórica, como a relatividade geral ou a mecânica estatística, para descrever objetos astronômicos. A criação ou morte de estrelas é um importante campo da astrofísica.

Embora certamente um dos mais emocionantes seja o estudo de objetos tão misteriosos como buracos negros ou a existência de outros mundos acessíveis através de buracos de minhoca.

A física química é a área da ciência que utiliza modelos físicos para estudar sistemas químicos. É muito comum usar a mecânica quântica e a física estatística para estudar reações químicas e entender como funcionam os mecanismos de catálise.

Este ramo também tem alta aplicação em biologia estrutural onde métodos quânticos são utilizados para o estudo e otimização de reações enzimáticas.

A física matemática é a área da ciência que visa encontrar ferramentas matemáticas que possam ser utilizadas para descrever fenômenos físicos.

Por exemplo, a relatividade geral faz uso de ferramentas complexas da matemática, como geometria diferencial ou álgebra tensorial.

Outros campos da física, como a teoria quântica de campos, usam a teoria das perturbações ou a álgebra de grupo abstrata para modelar as interações fundamentais da natureza.

A física nuclear visa compreender o comportamento dos núcleos atômicos e a energia que eles geram. A compreensão da fissão nuclear possibilitou a criação de usinas nucleares e a geração de energia nelas.

Agora, um dos principais objetivos da física de altas energias é dominar a fusão nuclear, uma vez que é um tipo de energia muito mais limpo do que a fissão nuclear que usamos até hoje.

A física de partículas é o ramo da física que estuda as diferentes partículas fundamentais e seu comportamento. Ele usa o modelo padrão para entender a evolução dessas partículas.

As interações entre partículas são estudadas usando a teoria quântica de campos, que descreve partículas fundamentais como excitações de campos quânticos.

No CERN são realizadas experiências para tentar compreender estas partículas mais fundamentais do ponto de vista empírico e desta forma confirmar ou descartar os modelos teóricos existentes.

A Geofísica é o ramo do conhecimento que utiliza a física para compreender os fenômenos do nosso planeta, o planeta Terra.

Algumas das principais aplicações da geofísica são o estudo dos terremotos e da propagação das ondas através da camada terrestre, o estudo da dinâmica das placas ou dos processos de geração de radiação e calor induzidos por eventos como os vulcões.

O eletromagnetismo é o estudo dos campos elétricos e magnéticos e do comportamento das partículas neles encontradas.

As leis de Maxwell unificam os diferentes estudos sobre eletromagnetismo existentes e nos permitem descrever classicamente as forças dos campos elétricos e magnéticos e fazer previsões de como os corpos imersos nesses campos são afetados.

Posteriormente, a partir da versão clássica dos campos, foi desenvolvida a versão quântica dos campos, dando origem ao ramo que estuda o eletromagnetismo em nível quântico: a eletrodinâmica quântica.

A eletrodinâmica quântica é uma das teorias mais precisas que temos hoje, atingindo uma precisão com estudos experimentais de até onze casas decimais.

A teoria das cordas é a área da física que propõe que tudo é composto por pequenas cordas fundamentais que vibram em diferentes dimensões. Dependendo do modo de vibração, um tipo de partícula ou outros seriam gerados.

Esta teoria tenta unificar todas as teorias existentes até o momento. É espetacularmente belo, pois dele emergem naturalmente a relatividade geral e muitos aspectos da mecânica quântica.

É candidata a ser a teoria de tudo, mas ainda há muito trabalho a ser feito tanto física quanto matematicamente para completar esta teoria espetacular. Para saber mais recomendo a leitura nosso artigo sobre teoria das cordas .

A física da matéria condensada é certamente o ramo da física com o maior número de cientistas trabalhando nela.

Inclui o estudo das propriedades macroscópicas e transformações da matéria, como densidade, dureza ou temperatura.

Esse conhecimento é utilizado pelos engenheiros para criar novas tecnologias ou melhorar as existentes.