Física clássica, explore seus ramos e o que é

Muitas vezes ouvimos os termos física quântica, física clássica, física newtoniana ou física estatística. Mas o que esses termos realmente significam? Hoje vamos aprender o que realmente é a física clássica e quais áreas da ciência estão incluídas nela.

Veremos cada um de seus ramos um por um e daremos exemplos de sua aplicação em nosso dia a dia.

A física clássica pode ser considerada toda física que não é quântica. Portanto, a cinemática, a dinâmica, a termodinâmica clássica, a eletrodinâmica clássica, a óptica ou a mecânica dos fluidos fariam parte da teoria clássica da física.

Além disso, dentro da categoria da física clássica também incorporamos a relatividade especial e a relatividade geral, uma vez que fazem parte das teorias de campo clássicas.

Portanto, a mecânica quântica, a mecânica quântica relativística, a mecânica estatística quântica ou a teoria quântica de campos são ramos da física que não estão incluídos no que conhecemos como física ou mecânica clássica.

Com ele podemos explicar grande parte dos fenômenos do nosso universo e mais especificamente do nosso planeta. Além disso, permite-nos calcular tudo o que é necessário para criar a nossa tecnologia. Por exemplo, usamos a mecânica clássica para fazer voar foguetes ou aviões. Também para fazer flutuar barcos ou calcular as forças que um edifício tem de suportar.

Neste artigo falaremos sobre os ramos da física clássica e as diferenças com a física moderna. Porém, recomendamos a leitura do nosso artigo sobre mecânica quântica, pois é um mundo emocionante, cheio de mistérios e com muitas aplicações interessantes em nossa sociedade.

Os físicos hoje consideram a física clássica todos os ramos da física que não usam a mecânica quântica para fazer suas previsões. A relatividade especial, a termodinâmica, a mecânica dos fluidos ou a cinemática são exemplos deste tipo de física.

A física clássica inclui muitos ramos de estudo muito diferentes. Daremos uma pequena explicação sobre alguns deles. É importante ressaltar que as ramificações são apenas uma forma de dividir o conhecimento. Na realidade, tudo faz parte das mesmas leis fundamentais.

Na mecânica clássica incluímos tudo relacionado às leis de Newton. Todas as leis da dinâmica e da cinemática estão incluídas neste campo das ciências físicas. Portanto, podemos defini-la como aquela área que estuda o movimento dos corpos e sua evolução ao longo do tempo.

Após as leis de Newton, surgiram reformulações da mecânica clássica que permitiram simplificar muitos problemas físicos.

Algumas dessas reformulações são mecânica Lagrangiana onde a trajetória de um corpo é estudada encontrando a trajetória que minimiza a ação, ou o que é o mesmo, utilizando o famoso princípio da ação mínima.

Outro tipo de reformulação da mecânica clássica é a mecânica hamiltoniana. Em muitos casos a reformulação Hamiltoniana é mais útil que a Lagrangiana pois suas equações são de primeira ordem e as equações derivadas da formulação Lagrangriana são de segunda ordem, sendo mais difíceis de resolver.

A mecânica clássica é um campo muito interessante das ciências físicas, uma vez que o Lagrangiano ou o Hamiltoniano são conceitos que se estendem às teorias quânticas.

Por exemplo, a equação de Schrödinger é formulada a partir do operador hamiltoniano, que é análogo à mecânica hamiltoniana clássica.

O Lagrangiano também é usado na teoria quântica de campos para definir a energia de um determinado campo quântico e todas as simetrias de calibre associadas a ele.

A eletrodinâmica clássica é a parte do eletromagnetismo que estuda a evolução ao longo do tempo dos sistemas físicos relacionados aos fenômenos elétricos e magnéticos.

Esses sistemas são estudados por meio de ferramentas matemáticas chamadas campos. Portanto, o objeto de estudo deste ramo da ciência são os campos elétricos e os campos magnéticos.

A cada ponto do campo está associado um vetor que representa a intensidade do campo elétrico/magnético.

O comportamento dos campos clássicos é definido pelas famosas leis de Maxwell.

Mais tarde, a eletrodinâmica clássica foi quantizada para explicar detalhadamente as interações de partículas carregadas, como os elétrons. Simplificando, a eletrodinâmica quântica diz que as diferentes interações eletromagnéticas se devem a uma troca de bósons, que neste caso são fótons.

Portanto, as repulsões e atrações típicas entre cargas ocorrem devido à troca de fótons virtuais. Em outra publicação entraremos em mais detalhes sobre a teoria quântica de campos e mais especificamente sobre a eletrodinâmica quântica. É uma área emocionante da física!

É importante diferenciar a eletrodinâmica clássica da eletrodinâmica quântica. Na variante clássica usamos campos clássicos para descrever os sistemas. Na eletrodinâmica quântica conduzida por Feynman, usamos regras de quantização para transformar o campo clássico em quântico.

A termodinâmica é a parte da física que estuda o calor, a temperatura e o trabalho em relação à energia, radiação e propriedades da matéria.

Existem diferentes ramos da termodinâmica. Temos a termodinâmica química, que estuda as energias que ocorrem em uma reação química, e a termodinâmica estatística, que estuda a termodinâmica do ponto de vista microscópico. Ou seja, qualquer propriedade macroscópica é consequência de uma média do que ocorre microscopicamente.

Por exemplo, a temperatura de um sistema é dada pela média da energia cinética das moléculas contidas no referido sistema.

Outro ramo é a termodinâmica clássica que estuda a troca de calor e energia em sistemas próximos do equilíbrio. Estude também os diferentes ciclos termodinâmicos existentes, como o ciclo de Carnot.

Em suma, este campo tenta compreender como a energia é transferida e perdida em todos os tipos de sistemas físicos que podemos encontrar.

Algumas pessoas separam a física clássica da relatividade geral. No entanto, a maioria dos físicos do mundo considera-o parte da física clássica, uma vez que a sua formulação matemática requer definições clássicas de campo.

A relatividade geral é descrita pelas equações de campo de Einstein. Estas expressões matemáticas relacionam como o espaço-tempo é deformado pela matéria e como o comportamento da matéria é condicionado pela curvatura do espaço-tempo.

Esta teoria define a força da gravidade como consequência da curvatura do espaço-tempo.

Para definir como a estrutura do espaço-tempo se curva em cada ponto, precisamos usar duas ferramentas matemáticas muito poderosas: geometria diferencial e álgebra tensorial.

Como estamos falando de curvaturas não podemos mais utilizar a análise funcional que aprendemos na escola. Visto que se trata de problemas definidos em espaços vetoriais euclidianos, ou seja, em uma geometria plana. É por esta razão que temos que usar o poder da geometria diferencial que generaliza o cálculo vetorial de espaços euclidianos em espaços topológicos especiais chamados variedades.

Em publicações futuras discutiremos a relatividade geral com mais profundidade e detalhes para que você possa entender de uma vez por todas do que se trata e como Einstein formulou as equações de campo.

A física moderna é geralmente descrita como aquelas leis e teorias pós-newtonianas. A física que conhecemos hoje começou com o livro Principia Mathematica de Newton, onde foram explicadas as famosas leis de Newton, juntamente com a lei da gravitação universal.

Portanto, todas as teorias relativísticas e quânticas fazem parte da física moderna. No entanto, não existe uma diferença radical entre estes dois conceitos, uma vez que existe uma intersecção. Por exemplo, a relatividade geral de Einstein é considerada física moderna, mas, ao mesmo tempo, também é considerada uma teoria clássica da física, uma vez que não se baseia em princípios quânticos.

A única parte da física que se enquadra no conceito de física moderna e não clássica é a mecânica quântica. Esta foi formulada no início do século XX, portanto, por ter sido proposta a partir de Newton, consideramos que é moderna. Mas não é clássica, pois como definimos nas secções anteriores dizemos que uma teoria é clássica se não for quântica.

A Física Clássica, com seus princípios fundamentais e leis estabelecidas, tem promovido inúmeras aplicações em diversos campos da ciência, tecnologia e engenharia. Desde o projeto de estruturas até a operação de dispositivos eletrônicos, a Física Clássica fornece a estrutura conceitual necessária para compreender e desenvolver uma ampla gama de tecnologias e aplicações práticas.

Uma das áreas mais proeminentes onde a Física Clássica encontra aplicação é na engenharia civil e mecânica. Os princípios da mecânica newtoniana, como a lei da gravidade e as leis do movimento, são fundamentais para projetar estruturas seguras e eficientes, desde pontes e edifícios até veículos e máquinas industriais.

A aplicação da Física Clássica na engenharia inclui a análise de forças, tensões, deformações e fluidos, bem como a otimização de projetos para resistir a cargas estáticas e dinâmicas. Engenheiros civis e mecânicos usam conceitos como estática, dinâmica, resistência de materiais e termodinâmica clássica para criar estruturas e máquinas seguras, confiáveis ​​e eficientes.

A Física Clássica também está subjacente ao funcionamento de dispositivos eletrónicos e sistemas de telecomunicações. Os princípios do eletromagnetismo clássico, formulados por Faraday e Maxwell, são essenciais para a compreensão de como a eletricidade e o magnetismo interagem e se propagam pelo espaço.

Na eletrônica, a aplicação da Física Clássica inclui o projeto e fabricação de circuitos elétricos e eletrônicos, dispositivos semicondutores, transistores, diodos, amplificadores e microchips. Nas telecomunicações, a teoria eletromagnética clássica é aplicada no projeto de antenas, sistemas de transmissão e recepção de sinais, redes de comunicação e tecnologias sem fio.

A Física Clássica também desempenha um papel importante na medicina e no diagnóstico médico. Técnicas de imagem como radiografia, tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (MRI) aplicam os princípios da física das ondas eletromagnéticas e da interação da radiação com a matéria para produzir imagens detalhadas do interior do corpo humano.

Além disso, a aplicação da Física Clássica na medicina inclui a concepção e fabricação de dispositivos médicos, como equipamentos de fisioterapia, instrumentos cirúrgicos, sistemas de monitoramento e equipamentos de diagnóstico, todos baseados nos princípios da mecânica, eletricidade e magnetismo para seu funcionamento.

A exploração do espaço sideral e o estudo do universo também se beneficiam da aplicação da Física Clássica. Os princípios da mecânica celeste, baseados nas leis de Kepler e na lei da gravitação universal de Newton, permitem aos astrônomos prever e modelar o movimento de planetas, estrelas e galáxias ao longo do tempo.

Na exploração espacial, a Física Clássica é utilizada para projetar e calcular as trajetórias de sondas espaciais, veículos lançadores e satélites artificiais, bem como para compreender fenômenos astrofísicos como supernovas, buracos negros e formação de galáxias.