ONDAS

 

ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

INTRODUÇÃO

É importante tomarmos consciência de como estamos imersos em ondas eletromagnéticas. Iniciando pelo Sol, a maior e mais importante fonte para os seres terrestres, cuja vida depende do calor e da luz recebidos através de ondas eletromagnéticas.
Além de outras, recebemos também: a radiação eletromagnética emitida, por átomos de hidrogênio neutro que povoam o espaço interestelar da nossa galáxia; as emissões na faixa de radiofreqüências dos "quasares" (objetos ópticos que se encontram a enormes distâncias de nós, muito além de nossa galáxia, e que produzem enorme quantidade de energia); pulsos intensos de radiação dos "pulsares" (estrelas pequenas cuja densidade média é em torno de 10 trilhões de vezes a densidade média do Sol).

Essas radiações são tão importantes que deram origem a uma nova ciência, a Radioastronomia, que se preocupa em captar e analisar essas informações obtidas do espaço através de ondas.

Há ainda as fontes terrestres de radiação eletromagnética: as estações de rádio e de TV, o sistema de telecomunicações à base de microondas, lâmpadas artificiais, corpos aquecidos e muitas outras.
A primeira previsão da existência de ondas eletromagnéticas foi feita, em 1864, pelo físico escocês, James Clerk Maxwell . Ele conseguiu provar teoricamente que uma perturbação eletromagnética devia se propagar no vácuo com uma velocidade igual à da luz.E a primeira verificação experimental foi feita por Henrich Hertz, em 1887. Hertz produziu ondas eletromagnéticas por meio de circuitos oscilantes e, depois, detectou-se por meio de outros circuitos sintonizados na mesma freqüência. Seu trabalho foi homenageado posteriormente colocando-se o nome"Hertz" para unidade de freqüência.

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

A palavra espectro (do latim "spectrum", que significa fantasma ou aparição) foi usada por Isaac Newton, no século XVII, para descrever a faixa de cores que apareceu quando numa experiência a luz do Sol atravessou um prisma de vidro em sua trajetória.
Atualmente chama-se espectro eletromagnético à faixa de freqüências e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas.
As ondas eletromagnéticas no vácuo têm a mesma velocidade , modificando a freqüência de acordo com espécie e, conseqüentemente, o comprimento de onda.

Fisicamente, não há intervalos no espectro. Podemos ter ondas de qualquer freqüências que são idênticas na sua natureza, diferenciando no modo como podemos captá-las.
Observe que algumas freqüências de TV podem coincidir com a freqüência de FM. Isso permite algumas vezes captar uma rádio FM na televisão ou captar um canal de TV num aparelho de rádio FM.

CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS RADIAÇÕES

Ondas de Rádio

"Ondas de rádio" é a denominação dada às ondas desde freqüências muito pequenas, até 1012 Hz , acima da qual estão os raios infravermelhos.
As ondas de rádio são geradas por osciladores eletrônicos instalados geralmente em um lugar alto, para atingir uma maior região. Logo o nome "ondas de rádio" inclui as microondas, as ondas de TV, as ondas curtas, as ondas longas e as próprias bandas de AM e FM.Ondas de rádio propriamente ditas:

As ondas de rádio propriamente ditas, que vão de 104 Hz a 107 Hz , têm comprimento de onda grande, o que permite que elas sejam refletidas pelas camadas ionizadas da atmosfera superior (ionosfera).

Estas ondas, além disso, têm a capacidade de contornar obstáculos como árvores, edifícios, de modo que é relativamente fácil captá-las num aparelho rádio-receptor.

Ondas de TV

As emissões de TV são feitas a partir de 5x107 Hz (50 MHz) . É costume classificar as ondas de TV em bandas de freqüência (faixa de freqüência), que são:

VHF : very high frequency (54 MHz à 216 MHZ è canal 2 à 13)
UHF : ultra-high frequency (470 MHz à 890 MHz è canal 14 à 83)
SHF : super-high frequency
EHF : extremely high frequency
VHFI : veri high frequency indeed

As ondas de TV não são refletidas pela ionosfera, de modo que para estas ondas serem captadas a distâncias superiores a 75 Km é necessário o uso de estações repetidoras.

Microondas

Microondas correspondem à faixa de mais alta freqüência produzida por osciladores eletrônicos. Freqüências mais altas que as microondas só as produzidas por oscilações moleculares e atômicas.
As microondas são muito utilizadas em telecomunicações. As ligações de telefone e programas de TV recebidos "via satélite" de outros países são feitas com o emprego de microondas.
As microondas também podem ser utilizadas para funcionamento de um radar. Uma fonte emite uma radiação que atinge um objeto e volta para o ponto onde a onda foi emitida. De acordo com a direção em que a radiação volta pode ser descoberta a localização do objeto que refletiu a onda.

Luz visível

A luz (A) é formada pela união de várias cores: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta. É por isso que um prisma pode receber luz branca de um lado e produzir seu próprio mini-arco-íris do outro. Um prisma (B) é uma peça triangular de vidro ou plástico. Para produzir um pequeno arco-íris, deixe um feixe de luz estreito atingir um lado do triângulo.
A dispersão de cores em um prisma acontece por causa do índice de refração do vidro. Todo material tem um índice de refração diferente. Quando a luz entra em um material (por exemplo, quando a luz que viaja pelo ar entra no vidro de um prisma), a diferença entre o índice refrativo do ar e do vidro faz que a luz se curve. O ângulo de curvatura é diferente para os diversos comprimentos de onda da luz. Quando a luz branca se move através das duas faces do prisma, as diversas cores, com seus comprimentos diferentes, se dividem, formando um arco-íris.

Em um arco-íris, as gotas de chuva no ar agem como pequenos prismas. A luz entra na gota de chuva, reflete do outro lado da gota e sai. Durante o processo, ela é dividida em um espectro assim como acontece em um prisma triangular de vidro, desta forma:
O ângulo entre o raio de luz que entra nas gotas e o que sai delas é de 42º para o vermelho e de 40º para o violeta. Da próxima vez que encontrar um arco-íris, você irá observá-lo com outros olhos. Para obter mais informações, confira Como funciona o arco-íris em http://ciencia.hsw.uol.com.br/arco-iris2.htm. fonte:(http://ciencia.hsw.uol.com.br/questao41.htm)

Nosso olho só tem condições de perceber freqüências que vão de 4,3x1014 Hz a 7x1014 , faixa indicada pelo espectro como luz visível.

Nosso olho percebe a freqüência de 4,3x1014 como a cor vermelha. Freqüências abaixo desta não são visíveis e são chamados de raios infravermelhos , que têm algumas aplicações práticas.

A freqüência de 7x1014 é vista pelo olho como cor violeta. Freqüências acima desta também não são visíveis e recebem o nome de raios ultravioleta. Têm também algumas aplicações.

A faixa correspondente à luz visível pode ser subdividida de acordo com o espectro do esquema.

Raios XOs raios X foram descobertos, em 1895, pelo físico alemão Wilhelm Röntgen. Os raios X têm freqüência alta e possuem muita energia. São capazes de atravessar muitas substâncias embora sejam detidos por outras, principalmente pelo chumbo.

Esses raios são produzidos sempre que um feixe de elétrons dotados de energia incidem sobre um obstáculo material. A energia cinética do feixe incidente é parcialmente transformada em energia eletromagnética, dando origem aos raios X.

Os raios X são capazes de impressionar uma chapa fotográfica e são muito utilizados em radiografias, já que conseguem atravessar a pele e os músculos da pessoa, mas são retidos pelos ossos.

Os raios X são também bastante utilizados no tratamento de doenças como o câncer. Têm ainda outras aplicações: na pesquisa da estrutura da matéria, em Química, em Mineralogia e outros ramos.

Raios GamaAs ondas eletromagnéticas com freqüência acima da dos raios X recebe o nome de raios gama (g ).

Os raios gama são produzidos por desintegração natural ou artificial de elementos radioativos.

Um material radioativo pode emitir raios gama durante muito tempo, até atingir uma forma mais estável.

Raios gama de alta energia podem ser observados também nos raios cósmicos que atingem a alta atmosfera terrestre em grande quantidade por segundo.

Os raios gama podem causar graves danos às células, de modo que os cientistas que trabalham em laboratório de radiação devem desenvolver métodos especiais de detecção e proteção contra doses excessivas desses raios.

MATERIAL COMPLEMENTAR

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BONS ESTUDOS E DIVIRTAM-SE!!!

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

RADIAÇÃO TERRESTRE

 

        Quando a atmosfera absorve radiação terrestre ela se aquece e eventualmente irradia esta energia, para cima e para baixo, onde é novamente absorvida pela Terra. Portanto, a superfície da Terra é continuamente suprida com radiação da atmosfera e do Sol. Esta energia será novamente emitida pela superfície da Terra e uma parte retornará à atmosfera que, por sua vez, reirradiará uma parte para a Terra e assim por diante. Este jogo entre a superfície da Terra e a atmosfera torna a temperatura média da Terra ~ 35° C mais alta do que seria. Sem os gases absorvedores da nossa atmosfera, a Terra não seria adequada para a vida humana e muitas outras formas de vida.

 

        Este fenômeno extremamente importante tem sido denominado efeito estufa, porque pensava-se que as estufas fossem aquecidas da mesma forma. O vidro em uma estufa permite a entrada de radiação de onda curta, que é absorvida pelos objetos no interior. Estes objetos reirradiam, mas em ondas longas, para as quais o vidro é quase opaco. O calor, portanto, é retido na estufa. A retenção da radiação infravermelha pelo vidro, contudo, é apenas parte da razão pela qual uma estufa retém calor interno. Já foi demonstrado que as estufas atingem altas temperaturas porque o vidro protege do vento, restringindo as perdas de calor por convecção e advecção (ver próxima seção).

 

        A importância do vapor d'água e dióxido de carbono em manter a atmosfera aquecida é bem conhecida em regiões montanhosas. Topos de montanhas recebem mais radiação que os vales durante o dia, porque há menos atmosfera a atravessar. A noite, porém, a atmosfera menos densa também permite maior perda de calor. Este fator mais que compensa a radiação extra recebida e, como resultado, os vales permanecem mais quentes que as montanhas adjacentes, mesmo recebendo menos radiação.

 

        As nuvens, assim como o vapor d'água e o CO2, são bons absorvedores de radiação infravermelha (terrestre) e tem papel importante em manter a superfície da Terra aquecida, especialmente à noite. Uma grossa camada de nuvens pode absorver a maior parte da radiação terrestre e reirradiá-la de volta. Isto explica porque em noites secas e claras a superfície se resfria bem mais que em noites úmidas ou com nuvens. Mesmo uma cobertura fina, através da qual a lua é visível, pode elevar a temperatura noturna em torno de 5 ° C.

 MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

 

        Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção (Fig. 2.13).

        Como vimos, a radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.

        A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra, sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor. Conseqüentemente, a condução só é importante entre a superfície da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio de transferência de calor para a atmosfera como um todo a condução é o menos significativo e pode ser omitido na maioria dos fenômenos meteorológicos.

        A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais freqüentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como conseqüência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido.

        Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da superfície da Terra para a troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os pólos. O calor é também transportado horizontalmente na atmosfera, por movimentos convectivos horizontais, conhecidos por advecção. O termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera.

 Fig. 2.13 - Mecanismos de Transferência de Calor

        Na atmosfera, o aquecimento envolve os três processos, radiação, condução e convecção, que ocorrem simultaneamente. O calor transportado pelos processos combinados de condução e convecção é denominado calor sensível.

BALANÇO GLOBAL DE CALOR

 

        Existe um balanço quase perfeito entre a quantidade de radiação solar incidente e a quantidade de radiação terrestre (sistema Terra-atmosfera) retornada para o espaço; caso contrário, o sistema Terra-atmosfera estaria progressivamente se aquecendo ou resfriando. Vamos examinar este balanço na Fig. 2.14, usando 100 unidades para representar a radiação solar interceptada no topo da atmosfera. 

 Fig. 2.14 - Balanço de Calor da Terra e atmosfera

        Da radiação total interceptada pela Terra (sistema Terra-atmosfera), aproximadamente 30 unidades são refletidas de volta para o espaço. As restantes 70 unidades são absorvidas, 19 unidades pela atmosfera e 51 unidades pela superfície da Terra (Terra-oceano). Se toda a energia absorvida pela Terra fosse reirradiada diretamente para o espaço, o balanço de calor da Terra seria muito simples. Contudo, conforme vimos anteriormente, certos gases na atmosfera atuam no sentido de retardar a perda de radiação terrestre, absorvendo uma boa parte dela e reirradiando grande parte desta energia de volta para a Terra. Como resultado deste processo, a superfície da Terra recebe uma grande quantidade de radiação de onda longa da atmosfera (95 unidades). (A atmosfera na realidade emite mais energia que a quantidade de energia solar absorvida pela Terra, devido ao efeito estufa) A superfície da Terra, por sua vez, irradia 116 unidades de energia de onda longa para a atmosfera. Portanto, nesta troca (em onda longa) a atmosfera tem um ganho líquido de 15 unidades, enquanto a Terra tem uma perda líquida de 21 unidades. As restantes 6 unidades passam diretamente através da atmosfera e são perdidas no espaço. A radiação entre 8 micra a 11 micra escapa mais facilmente porque o vapor d'água e o dióxido de carbono não absorvem estes comprimentos de onda (ver Fig. 2.11).

 

        Até agora contamos uma perda de 21 das 51 unidades de radiação de onda curta absorvidas pela superfície da Terra. E as 30 unidades restantes? Parte desta energia é transferida da superfície da Terra para a atmosfera através de calor latente, por moléculas de água durante o processo de evaporação (23 unidades). O calor latente refere-se à quantidade de calor envolvida em mudanças de fase da água. Por exemplo, a mudança da água líquida para vapor exige fornecimento de calor latente, enquanto a transformação de vapor para líquido libera calor latente. Outra parte das 30 unidades é transferida da superfície da Terra para a atmosfera por calor sensível (condução e convecção -7 unidades).

 

        Um balanço geral é obtido porque a atmosfera emite 64 unidades de energia para o espaço como radiação de onda longa, fechando o balanço entre radiação incidente e radiação emitida.

As Forças que Atuam na Natureza

As Leis de Newton para o movimento dos corpos  No nosso dia-a-dia sempre vemos em volta corpos em movimento. Observando o céu notamos que os corpos celestes também se movem. Embora as estrelas pareçam estar fixas na esfera celeste , a Lua e os planetas demonstram muito evidentemente que os objetos celestes se deslocam no espaço. E as mesmas leis que regem o movimento dos corpos sobre o nosso planeta também conseguem descrever o movimento dos corpos celestes. Estas leis básicas do movimento, na verdade apenas três leis, foram descobertas pelo físico inglês Isaac Newton.    Primeira Lei de Newton  Esta lei, também chamada de Lei da Inércia, nos fala sobre a ação que deve ser feita para manter um corpo em movimento. "Um corpo permanece em repouso ou em movimento retilíneo uniforme a menos que haja uma influência externa, ou seja uma força, atuando sobre ele."    Assim, se não há nenhuma força agindo:   ·      -   um corpo em repouso permanecerá em repouso ·       -  um corpo que se move continuará se movendo com a mesma velocidade e na mesma direção Então , por que quando eu empurro um carro ele anda um pouco e para? Isto ocorre devido à presença de forças, também externas, que atuam sobre o carro no sentido contrário ao seu movimento. Estas forças, chamadas de forças de atrito, são as responsáveis pelo fato do carro parar. Se as forças de atrito não existissem, ao aplicarmos uma força sobre um corpo ele iniciaria um movimento que duraria para sempre (felizmente para nós existe a força de atrito. Você consegue imaginar por que?). Observações: ·         Veja que a primeira lei de Newton fala de "movimento retilíneo uniforme". A palavra "uniforme" chama a atenção para o fato de que a velocidade do corpo é constante. A palavra "retilíneo" significa obviamente que o corpo não está realizando qualquer curva uma vez que o corpo que segue uma trajetória curva está acelerado ( alguma força atua sobre ele ) . ·         Não confunda velocidade com aceleração. Aceleração é uma variação da velocidade de um corpo em um intervalo de tempo. No entanto, esta variação que dá origem à aceleração tanto pode ser no "valor" da velocidade quanto na "direção" da velocidade. Segunda Lei de Newton Esta lei estabelece uma relação entre os conceitos de força, massa e aceleração. Estes três conceitos são fundamentais para a física: ·         - massa: é uma medida da inércia de um corpo. Ela está relacionada com a dificuldade que temos para colocar um corpo em movimento. A massa de um corpo é representada pela letra m. ·         -   força: é a influência externa sobre um corpo. Ela é representada pela letra F. ·         -  aceleração: é uma variação no movimento. Esta variação pode ser de aumento ou diminuição na velocidade de um corpo e/ou de mudança na direção de deslocamento do corpo. Ela é representada pela letra a. Se considerarmos corpos que se movem com velocidades muito menores que a velocidade da luz, a massa do corpo é constante e a segunda lei de Newton pode então ser escrita como: F = m . a   Observações: ·         Não confunda massa com peso. Massa é uma grandeza fundamental da física. Peso é a ação da gravidade sobre um corpo de massa m. Deste modo, o peso de um corpo na Terra é dado pela massa que ele possui multiplicada pela aceleração da gravidade existente na superfície do nosso planeta (se você quer saber qual seria o seu peso em vários planetas visite a seção "jogos" do nosso site "Pequeno Cientista"). ·         O conceito de "força" não está associado apenas a algo externo a um corpo. Também existem forças atuando no interior de todos os corpos. Terceira Lei de Newton Também é conhecida como Lei da Ação e Reação. Quando um corpo A exerce uma força sobre um corpo B, o corpo B exercerá uma força igual e em sentido oposto sobre o corpo A. FAB = - FBA Esta terceira lei, na verdade, nos revela como é conservado o momentum de um corpo. Momentum (também chamado de "momentum linear") é definido como o produto da massa do corpo pela sua velocidade. É com base na Terceira Lei de Newton que explicamos porque um foguete consegue voar (tente imaginar como).  A Força Gravitacional Ao observarmos o movimento dos corpos celestes vemos que eles não são objetos errantes que seguem trajetórias quaisquer no espaço. Todos eles, sem exceção, percorrem órbitas bem determinadas obedecendo a leis gerais que são válidas em todo o Universo. Isto é importante por nos indicar que os corpos celestes estão sob a ação de forças que os mantêm em suas órbitas. Melhor ainda, sabemos que os objetos na Terra interagem e conhecemos as leis que regem essas interações. Observamos que ao usarmos a primeira lei de Newton e aplicarmos uma força sobre um corpo qualquer, uma pedra por exemplo, atirando-a para cima ela retorna à Terra. Por que isso acontece? Se a única força atuante sobre a pedra fosse o atrito com o ar que forma a nossa atmosfera, a pedra diminuiria a sua velocidade até parar e permaneceria flutuando no ar. No entanto, isso não ocorre. A pedra volta para a superfície da Terra. Uma situação tão simples quanto essa nos mostra que a Terra está exercendo algum tipo de força que atrai a pedra de volta para ela. O mesmo tipo de interação deve ocorrer entre todos os corpos celestes e a ela damos o nome de interação gravitacional.   A descoberta da lei que nos mostra de que maneira os corpos celestes interagem foi feita por Isaac Newton. Aplicando uma ferramenta matemática que ele havia recentemente desenvolvido, chamada fluctions e que hoje é conhecida como "cálculo diferencial", à órbita da Lua em torno da Terra, Newton foi capaz de determinar que a força da gravidade deve depender do inverso do quadrado da distância entre a Terra e a Lua.  Ao mesmo tempo , segundo a Terceira Lei de Newton, uma vez que a gravidade é uma força exercida por um corpo sobre outro ela deve atuar de modo recíproco entre as duas massas envolvidas.  A Teoria da Gravitação de Isaac Newton Newton deduziu então que: "A força de atração gravitacional entre dois corpos de massas M e m é diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa".    Para transformar a proporcionalidade em igualdade Newton introduziu uma "constante de proporcionalidade" na sua equação. Esta constante de proporcionalidade é a constante de gravitação de Newton, representada pela letra G e que tem o valor G = 6,67 x 10-11 m3 seg-2 Kg-1  Desse modo , a lei da gravitação universal nos dá para a força de atração  gravitacional entre a Terra e a Lua a expressão   F= G Mm         d2 onde G é a constante gravitacional, M é a massa da Terra, m é a massa da Lua, e d é a distância entre a Terra e a Lua.   Observações:   ·         A gravidade é a mais fraca entre todas as forças fundamentais.  ·         A gravidade é uma força de longo alcance. Veja, na equação acima, que não há qualquer limite para o valor de d, que é a distância entre os corpos.  ·         A gravidade é uma força somente atrativa. Não existe repulsão gravitacional.  ·         A história de que Newton teria notado a existência da lei da gravitação a partir da queda de uma maçã é, quase certamente, apócrifa. É por causa dessas características que a gravidade domina várias áreas de estudo na astronomia. É a ação da força gravitacional que determina as órbitas dos planetas, estrelas e galáxias, assim como os ciclos de vida das estrelas e a evolução do próprio Universo, como veremos mais tarde. A constante gravitacional da equação de Newton A gravidade é uma força tão fraca que a constante G que aparece na equação da gravitação de Newton não podia ser medida na época em que a equação foi proposta. O primeiro a estimar o valor de G foi o astrônomo Nevil Maskelyne. Para fazer isto ele procurou usar duas massas bastante diferentes de tal modo que a força gravitacional entre elas pudesse ser medida. Nada melhor do que a massa de uma montanha e a de um pedaço de chumbo preso a uma linha. Certamente a atração gravitacional entre estas duas massas provocaria uma deflexão na linha que sustentava o chumbo. Em 1774, Maskelyne aproximou o seu peso de chumbo das encostas inclinadas do Monte Schiehallion, na Escócia, e mediu a deflexão da linha ou seja, a ação gravitacional entre a montanha e o peso de chumbo. Como o monte Chiehallion tinha uma forma muito regular, Maskelyne foi capaz de estimar sua massa e, como ele conhecia a massa do peso de chumbo, foi possível então determinar o valor da constante gravitacional G. No entanto, o físico inglês Henry Cavendish foi o primeiro a medir G no laboratório.   A ação da gravidade nas nossas vidas  E de que modo a ação da gravidade se apresenta na nossa vida? O simples fato de você permanecer de pé na superfície da Terra é resultado da existência da força gravitacional. É a ação da gravidade da Terra que faz você permanecer sobre ela. É claro que você tem até uma pequena liberdade pois consegue saltar na vertical mas logo é obrigado a retornar a sua superfície tão logo a Terra sinta "saudades" de você e te traga de volta para pertinho dela. E que outra ação da gravidade nos afeta diretamente? A ação gravitacional entre a Terra e a Lua é uma dessas ações. É ela que produz o conhecido fenômeno das marés. Além disso, como a Lua é um satélite de grande massa, se comparado com os outros satélites do Sistema Solar, a atração gravitacional entre ela e a Terra serve como elemento estabilizador da rotação do nosso planeta em torno do seu eixo. No entanto, a Lua está se afastando da Terra e a mudança desta ação gravitacional, daqui a milhares de anos provocará uma alteração no eixo de rotação da Terra. Esta mudança se refletirá sob a forma de fortes alterações climáticas no nosso planeta. A gravitação quântica  Já vimos que a teoria clássica da gravitação é descrita pela lei de Newton da Gravitação Universal. Sua generalização relativística é a teoria da Gravitação de Einstein, também chamada de Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Na verdade, a interação gravitacional seria melhor chamada de Geometrodinâmica, termo proposto pelo físico norte-americano John Wheeler, uma vez que a relatividade geral geometriza a gravitação. No entanto, para descrever os estágios iniciais da formação do Universo precisamos de uma teoria quântica da gravitação. Até agora os físicos ainda não possuem uma teoria como essa, apesar dos enormes esforços desenvolvidos para isto. As dificuldades para criar uma teoria quantizada para a gravitação têm sido muito grandes: a matemática envolvida é excepcionalmente sofisticada e os conceitos físicos estão na fronteira do nosso conhecimento e imaginação.

AS MARÉS OCEÂNICAS E A LUA

Desde a antiguidade conhece-se o fenômeno da subida e descida do nível de água dos oceanos, fenômeno este chamado de maré e que todos sabem estar associado a ação gravitacional da Lua.

Entretanto, a explicação das marés só seria conhecida a partir da formulação da lei da gravitação universal, descoberta pelo físico inglês Isaac Newton.

A atração gravitacional exercida pela Lua em diferentes pontos da Terra pode ser vista na figura abaixo.

Esta atração gravitacional difere ligeiramente de um ponto a outro devido ao fato da Terra não ser um ponto no espaço e sim um corpo com dimensão finita.

Conseqüentemente, nem todos os pontos da superfície da Terra estão a uma mesma distância da Lua, e nem mesmo exatamente em uma mesma direção.

Além disso, a Terra não é um corpo perfeitamente rígido. Assim, a força de atração gravitacional exercida pela Lua em diferentes pontos da Terra, chamadas de forças diferenciais, provocam uma distorção na forma do nosso planeta.

A parte da Terra mais próxima da Lua será atraída por esta mais fortemente do que o centro da Terra o qual, por sua vez, será mais atraído do que o lado da Terra que está oposto à Lua. Assim, estas forças diferenciais tendem distorcer a forma da Terra fazendo-a assumir a forma de um esferóide prolato, algo parecido com uma bola de futebol americano, com seu diâmetro maior apontando para a Lua.

Se a Terra fosse composta apenas de água ela seria distorcida até o ponto em que as forças diferenciais nas diversas partes de sua superfície atingissem um equilíbrio com as forças gravitacionais que mantém a Terra unida. Cálculos mostram que neste caso a Terra teria uma distorção em relação à forma esférica de cerca de um metro.

Medidas mostram que, de fato, a Terra sofre uma distorção produzida pelo ação gravitacional da Lua mas que esta é de 20cm no máximo. Isto é devido ao fato de que o interior da Terra é sólido.

Conseqüentemente, temos que as forças devido à atração da Terra não chegam a equilibrar aquelas devidas à atração diferencial da Lua. Assim, objetos situados na superfície da Terra sofrem pequenos "puxões", denominados forças de maré, que os fazem deslizar. Estas forças de maré não afetam os objetos sólidos existentes na Terra, mas somente a água dos oceanos como pode ser visto esquematicamente na figura abaixo. 

As forças de maré, atuando ao longo de várias horas, produzem um movimento mensurável nos oceanos. A água no lado da Terra que está voltado para a Lua é puxada na direção desta. Isto faz com que o nível do oceano aumente neste ponto.

No lado oposto à Lua a água também flui aumentando, de forma equivalente, o seu nível.

É importante notar que o aumento do nível do oceano não se deve à Lua comprimir ou expandir a água nem tampouco à Lua "levantar" a água do fundo do oceano. Na verdade, o aumento do nível do mar é resultado do fluxo de água sobre a superfície da Terra provocando o aumento do volume de água em certos pontos.

Pelo modelo idealizado (e muito simplificado!) apenas descrito as marés teriam uma altura de cerca de meio metro. A rotação da Terra levaria então um observador colocado num ponto qualquer da superfície oceânica, alternadamente a regiões de águas mais rasas e mais profundas.

Assim, ao longo de um dia, este observador seria levado através de duas regiões de maré alta e duas de maré baixa.

O Sol também produz marés na Terra, embora com menos eficiência do que a Lua. Isto é devido ao fato de que a força de maré é proporcional à massa do corpo perturbador e ao inverso do CUBO da distância.

Na realidade as marés que observamos são a combinação dos efeitos da Lua e do Sol. Quando o Sol e a Lua estão alinhados, e isso ocorre quando temos Lua cheia ou Lua nova, as marés produzidas pelo Sol e pela Lua se somam sendo maiores que o normal. A figura abaixo mostra este fenômeno. 

Quando a Lua está no nas fases quarto crescente ou quarto minguante, as marés produzidas pelo Sol praticamente se cancelam com àquelas produzidas pela Lua, resultando em marés menores do que o normal.

O modelo muito simples descrito acima seria aceitável se a Terra girasse muito lentamente e fosse completamente recoberta por oceanos de grande profundidade. Entretanto, a presença dos continentes, que freiam o fluxo das águas, a fricção com o fundo dos oceanos, a rotação da Terra, os ventos, a profundidade variável dos oceanos e outros fatores, complicam muito qualquer modelo que queira descrever o fenômeno das marés.

A fricção das águas sobre a crosta da Terra envolve uma enorme quantidade de energia. Ao longo de grandes períodos de tempo a fricção das marés reduz a rotação da Terra. Nossos dias se tornam mais longos em cerca de 0,002 segundos a cada século. Entretanto, na medida que a rotação da Terra diminui, o momento angular do sistema Terra-Lua deve permanecer constante. Isto faz com que a Lua se afaste da Terra e com que gire em torno desta cada vez mais lentamente. Deste modo o mês está se tornando cada vez mais longo.

Estes efeitos somados levarão à situação tal que, daqui a bilhões de anos, tanto o dia terrestre quanto o período de rotação da Lua serão iguais. Neste momento a Lua permanecerá num ponto fixo do céu e não haverá mais marés.

Até agora falamos dos efeitos que a presença da Lua e a rotação da Terra causam na superfície terrestre. Mas, qual é o efeito que a Terra exerce sobre a Lua?

Pela terceira lei de Newton a cada força corresponde uma outra igual e com sentido oposto. Deste modo, podemos imediatamente questionar por que razão não vemos marés na Lua.

A resposta é muito simples. Como a Lua é menor do que a Terra os efeitos de maré já levaram o sistema a se ajustar numa configuração de mínima dissipação de energia, ou seja, uma rotação síncrona. Isto significa que a Lua gira em torno de seu eixo exatamente no mesmo intervalo de tempo em que completa uma volta em torno da Terra. Nesta configuração as marés na Lua, produzidas pela Terra, ocorrem sempre no mesmo ponto não gerando atrito nem perda de energia. Logo, o fato de sempre observamos a mesma face da Lua se deve exatamente a este ajuste do sistema Terra-Lua.

Para finalizar é bom ressaltar que as forças de maré ocorrem em todos os sistemas em que temos um corpo muito próximo a outro e que, dependendo do sistema, resultam em efeitos diferentes.

No caso de Mercúrio, por exemplo, as forças de maré em conjunção com a excentricidade de sua órbita, levaram a uma configuração em que sua rotação em torno de seu eixo tem um período de exatamente 2/3 de seu período de revolução em torno do Sol. No caso de Io, satélite de Júpiter, as forças de maré, em conjunção com as perturbações produzidas pela atração gravitacional gerada pelos outros satélites do sistema jupiteriano, são responsáveis pelo vulcanismo presente nele. Neste caso, o atrito causado pela distorção de um corpo rígido leva ao aquecimento das camadas inferiores e ao surgimento de uma intensa atividade vulcânica.