Tutor de FísicaTutor de Física
62 temas de física explicados em três níveis, com fórmulas, figuras e quizzes.
Mecânica
Movimento retilíneoQuão longe, quão rápido, em quanto tempo: posição , velocidade e aceleração , a linguagem para descrever como as coisas se movem ao longo de uma linha reta.
Vetores e movimento relativoSetas com tamanho e direção: soma e decomposição de vetores, a regra da velocidade relativa e por que um barco apontado direto para a outra margem chega rio abaixo.
Queda livreMovimento sob a gravidade apenas: todo corpo ganha a mesma velocidade para baixo de 9,81 m/s a cada segundo (). Partindo do repouso, e , e uma bola pesada e uma leve chegam juntas ao chão.
Lançamento oblíquoArremessos, chutes e saltos: uma trajetória curva dividida em dois movimentos retilíneos, um movimento lateral constante com e uma queda livre com .
As leis de NewtonPor que as coisas começam, param e giram: força , massa e as três leis que as conectam, com no centro.
Atrito e plano inclinadoO atrito resiste ao deslizamento: em repouso pode chegar a , enquanto deslizando vale . Numa rampa de ângulo , um bloco que desliza para baixo acelera com , qualquer que seja sua massa.
Movimento circularPor que algo que se move em círculo está sempre acelerando em direção ao centro, mesmo com velocidade constante: , fornecida por uma força real para dentro .
Quantidade de movimento e colisõesQuantidade de movimento : por que a quantidade de movimento total de corpos que colidem nunca muda, enquanto a energia cinética às vezes muda.
Dinâmica rotacional e torqueComo as forças fazem as coisas girar: torque , momento de inércia e a segunda lei de Newton para rotação, .
Equilíbrio estático e alavancasPor que as coisas ficam paradas: as forças precisam se anular, , e o mesmo vale para seus efeitos de giro, , em gangorras, alavancas, vigas e objetos que podem tombar.
Momento angular e sua conservaçãoPor que uma patinadora gira mais rápido quando puxa os braços: o momento angular permanece constante, a menos que um torque externo atue.
Gravitação e órbitasPor que planetas e satélites continuam caindo sem nunca pousar: a lei do inverso do quadrado de Newton, , e as três leis de Kepler das órbitas.
Energia e oscilações
Trabalho, energia e potênciaTrabalho , energia cinética , energia potencial e potência : como as forças transferem energia e por que o total se conserva.
Máquinas simples: alavancas, polias e engrenagensComo alavancas, polias e engrenagens trocam força por distância: a vantagem mecânica , o balanço de trabalho de uma máquina ideal e o rendimento de uma máquina real.
Elasticidade: lei de Hooke, tensão e deformaçãoPor que uma mola se estica em passos iguais, , até onde essa regra vale e como a tensão , a deformação e o módulo de Young descrevem qualquer material elástico.
Movimento harmônico simplesMolas e pêndulos: uma força restauradora proporcional ao deslocamento, , produz uma oscilação constante cujo período não depende da amplitude.
Amortecimento e ressonânciaPor que oscilações reais se extinguem como , como o amortecimento vai de fraco, passando pelo crítico, , até forte, e como empurrões pequenos no ritmo certo constroem uma ressonância de amplitude .
Fluidos
Pressão nos fluidos e princípio de PascalA pressão cresce com a profundidade como , e um líquido transmite integralmente qualquer acréscimo de pressão a todos os pontos, de modo que uma força pequena num pistão estreito pode levantar um carro.
Empuxo e princípio de ArquimedesPor que as coisas flutuam ou afundam: um fluido empurra um corpo para cima com o peso do fluido que ele desloca, .
Princípio de BernoulliOnde um fluido em escoamento acelera, sua pressão cai: continuidade, , e a equação de Bernoulli, , em um tubo de Venturi.
Arrasto e velocidade terminalPor que os corpos em queda param de acelerar: o arrasto cresce com a velocidade, , até equilibrar o peso na velocidade terminal . Viscosidade , paraquedas e perfil aerodinâmico completam o quadro.
Ondas e som
Fundamentos das ondasUma onda transporta energia de um lugar a outro, enquanto o meio apenas oscila onde está; sua velocidade, frequência e comprimento de onda se relacionam por .
Som e efeito DopplerPor que uma sirene que passa perde altura: o movimento comprime ou estica as ondas que chegam até você. Uma fonte que se aproxima com é ouvida em , em que é a velocidade do som.
Volume, intensidade e decibéisPor que os sons enfraquecem com a distância, , e como a escala de decibéis comprime uma faixa enorme de intensidades em números do dia a dia.
Ondas estacionáriasPor que a corda de um violão soa apenas certas notas: ondas presas entre duas extremidades fixas precisam caber um número inteiro de meias-ondas, , então só sobrevivem as frequências .
Interferência e superposiçãoQuando ondas se sobrepõem, seus deslocamentos simplesmente se somam, : conforme a diferença de caminho , elas se reforçam ou se anulam, e, com frequências ligeiramente diferentes, produzem batimentos.
Óptica
Reflexão e refraçãoA luz deixa um espelho no mesmo ângulo com que chegou, , e se desvia numa fronteira pela lei de Snell, , porque sua velocidade muda; dentro do vidro ou da água, além do ângulo crítico , ela fica presa por reflexão interna total.
Prismas, dispersão e corCada cor tem seu próprio índice de refração , então um prisma espalha a luz branca em um espectro, e gotas de chuva devolvem um arco-íris a cerca de 42°; luzes coloridas se somam, enquanto tintas se subtraem.
Lentes e espelhosUma lente delgada ou um espelho curvo de distância focal forma uma imagem à distância dada por , com ampliação ; uma lente convergente a torna real e invertida quando o objeto está além do foco, e virtual, direita e ampliada quando ele está dentro dele.
O olho, câmeras e telescópiosComo o olho foca com uma potência de cerca de 60 D, enquanto uma câmera desloca a sua lente; como os óculos corrigem a miopia e a hipermetropia; e como lupas, microscópios e telescópios ampliam o ângulo sob o qual vemos as coisas.
Difração e fenda duplaA luz que passa por duas fendas estreitas a uma distância uma da outra forma franjas claras onde e escuras entre elas: o experimento clássico que mostra a luz se comportando como onda.
Polarização da luzO campo elétrico da luz vibra transversalmente ao feixe, em uma direção chamada sua polarização. Um polarizador deixa passar metade da luz não polarizada, ; um segundo, girado de um ângulo , deixa passar ; e o brilho refletido perto do ângulo de Brewster é polarizado. É a física por trás de óculos de sol, telas de LCD e cinema 3D.
Calor e termodinâmica
Temperatura e calorTemperatura , calor e calor específico : por que um corpo quente esfria e um frio esquenta até igualarem, e quanta energia isso exige, .
Dilatação térmicaPor que as pontes têm juntas, os termostatos estalam e os lagos congelam de cima para baixo: a maioria dos materiais aumenta ao ser aquecida, por .
Mudanças de fase e calor latentePor que o gelo derretendo e a água fervendo absorvem calor sem esquentar, e quanto calor cada mudança de estado exige: , com e para a água.
Condução, convecção e radiaçãoAs três formas de o calor se propagar: condução pela matéria, ; convecção com líquidos e gases em movimento; e radiação, principalmente infravermelha, que atravessa até o espaço vazio, .
Teoria cinética dos gasesPressão e temperatura explicadas por incontáveis moléculas que voam, colidem e ricocheteiam nas paredes: seus impactos explicam , e a temperatura mede a energia cinética média delas, .
Primeira lei da termodinâmica e máquinas térmicasA energia se conserva, , e uma máquina térmica transforma em trabalho parte do calor que flui do quente para o frio, mas nunca tudo: na melhor das hipóteses, a fração .
Segunda lei da termodinâmica e entropiaPor que o calor flui do quente para o frio, por que um gás se espalha e nunca se reúne sozinho, e como a entropia, , dá ao tempo sua direção.
Eletricidade
Carga elétrica e eletricidade estáticaA carga elétrica aparece com dois sinais e apenas em múltiplos inteiros da carga elementar, . Atritar apenas transfere elétrons de um corpo para outro, então o total se conserva; e um corpo carregado atrai até objetos neutros, polarizando-os.
Lei de CoulombDuas cargas puntiformes e separadas por uma distância se repelem ou se atraem com forças iguais e opostas de módulo : repulsão para cargas de mesmo sinal, atração para cargas de sinais opostos.
Campo elétrico e potencialUma carga preenche o espaço ao seu redor com um campo elétrico , a força sobre cada coulomb, e um potencial , a energia de cada coulomb: uma carga positiva é empurrada ao longo de , de alto para baixo.
CapacitoresDuas placas que armazenam cargas separadas, , e energia, ; carregadas por meio de um resistor, enchem-se depressa no início e depois cada vez mais devagar, no ritmo definido por .
Corrente elétrica e resistênciaO que é de fato uma corrente elétrica , por que os elétrons se arrastam lentamente com velocidade de deriva enquanto o sinal percorre o fio quase instantaneamente, e como o material, o comprimento e a espessura de um fio determinam sua resistência, .
Circuitos de corrente contínua e lei de OhmComo a fem de uma bateria impulsiona uma corrente constante através de resistores, e como tensão, corrente e resistência se relacionam pela lei de Ohm, .
Potência e energia elétrica em casaA potência indica a rapidez com que um aparelho consome energia, o medidor soma a energia em quilowatt-hora, e fusíveis e disjuntores mantêm a corrente baixa o bastante para a fiação não aquecer.
Magnetismo e eletromagnetismo
Campos magnéticos de ímãs e correntesDe onde vêm os campos magnéticos: de ímãs, da Terra e de toda corrente elétrica. Em volta de um fio reto e longo, o campo circula o fio e enfraquece com a distância, como .
Força magnética sobre cargas em movimentoUm campo magnético empurra uma carga em movimento para o lado, , curvando a trajetória em um círculo de raio sem nunca alterar a velocidade.
Indução eletromagnéticaComo um fluxo magnético variável através de uma bobina induz uma fem : a lei de Faraday, a lei de Lenz para o sentido dela e o gerador.
Motores, geradores e transformadoresComo a força sobre uma corrente em um campo magnético faz os motores funcionarem, como uma bobina girando com gera uma FEM alternada e como um transformador muda a tensão na razão de suas espiras, .
Ondas eletromagnéticasLuz, rádio e raios X são ondulações viajantes de campos elétrico e magnético, e , que atravessam o espaço vazio com . Diferem apenas no comprimento de onda, com .
Física moderna
Relatividade restritaPor que relógios em movimento andam mais devagar, , réguas em movimento encolhem, , e nada com massa pode alcançar a velocidade da luz , em que o fator de Lorentz cresce sem limite.
A gravidade como espaço-tempo curvoRelatividade geral: massa e energia curvam o espaço-tempo, de modo que relógios perto de uma massa andam mais devagar, , e a luz se curva em . Uma massa comprimida dentro de torna-se um buraco negro, e massas aceleradas emitem ondas gravitacionais.
Radiação de corpo negro e o quantumPor que coisas quentes brilham, por que sua cor muda do vermelho ao branco à medida que o comprimento de onda do pico diminui e a potência irradiada cresce com , e como explicar esse brilho obrigou Planck a inventar os quanta de energia, .
Efeito fotoelétricoA luz arranca elétrons de um metal um fóton de cada vez, e cada fóton carrega : a cor decide se funciona (), o brilho apenas define quantos elétrons saem.
Modelos atômicos: o átomo de BohrElétrons em níveis de energia fixos, no hidrogênio: cada salto entre dois níveis emite ou absorve um fóton cuja energia é igual à diferença entre eles, então cada átomo brilha em cores próprias e nítidas, a impressão digital do seu espectro.
Semicondutores, diodos e LEDsPor que o silício não é nem metal nem isolante: o band gap , a dopagem e a junção p–n por trás de diodos, células solares, transistores e LEDs, cuja cor segue .
Radioatividade e meia-vidaNúcleos instáveis decaem em instantes aleatórios, mas o número de núcleos não decaídos em uma grande amostra se reduz pela metade em um tempo fixo, a meia-vida : .
Fissão, fusão e E = mc²Dividir núcleos pesados e fundir núcleos leves liberam ambos energia, porque os produtos são mais firmemente ligados e um pouco mais leves: a massa perdida sai como energia .
Dualidade onda-partículaElétrons e fótons se propagam como ondas, mas são detectados como partículas: enviados um de cada vez por duas fendas, chegam como pontos isolados que formam franjas determinadas pelo comprimento de onda de de Broglie .
Equação de Schrödinger e tunelamentoA função de onda dá as chances de encontrar uma partícula por meio de , e a equação de Schrödinger a molda: em uma caixa só são permitidas as energias , e uma barreira mais alta que a energia da partícula ainda pode ser atravessada, com uma probabilidade que cai como conforme a largura aumenta.
Partículas e forças: o Modelo PadrãoTudo ao seu redor é feito de um punhado de quarks e léptons, como o de um próton, mantidos juntos por forças que atuam pela troca de partículas mensageiras: uma partícula transportadora de massa alcança apenas cerca de .