Quatro forças fundamentais governam todas as interações dentro do Universo. São forças nucleares fracas, forças nucleares fortes, eletromagnetismo e gravidade. Destes, a gravidade é talvez a mais misteriosa. Embora tenha sido entendido há algum tempo como essa lei da física opera na macroescala - governando nosso Sistema Solar, galáxias e superaglomerados - como ela interage com as outras três forças fundamentais permanece um mistério.
Naturalmente, os seres humanos têm uma compreensão básica dessa força desde tempos imemoriais. E quando se trata de nossa compreensão moderna da gravidade, o crédito é devido a um homem que decifrou suas propriedades e como ele governa todas as coisas grandes e pequenas - Sir Isaac Newton. Graças a esse físico e matemático inglês do século XVII, nossa compreensão do universo e das leis que o governam seria mudada para sempre.
Embora todos estejamos familiarizados com a imagem icônica de um homem sentado debaixo de uma macieira e com uma queda na cabeça, as teorias de Newton sobre gravidade também representaram o culminar de anos de pesquisas, que por sua vez foram baseadas em séculos de conhecimento acumulado. Ele apresentaria essas teorias em sua magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Princípios Matemáticos da Filosofia Natural"), publicado pela primeira vez em 1687.
Neste volume, Newton expôs o que viria a ser conhecido como suas Três Leis do Movimento, que foram derivadas das Leis do Movimento Planetário de Johannes Kepler e sua própria descrição matemática da gravidade. Essas leis estabeleceriam os fundamentos da mecânica clássica e permaneceriam incontestadas por séculos - até o século 20 e o surgimento da Teoria da Relatividade de Einstein.
Física do século XVII:
O século XVII foi um período muito favorável para as ciências, com grandes avanços nos campos da matemática, física, astronomia, biologia e química. Alguns dos maiores desenvolvimentos no período incluem o desenvolvimento do modelo heliocêntrico do Sistema Solar por Nicolaus Copernicus, o trabalho pioneiro com telescópios e astronomia observacional de Galileo Galilei e o desenvolvimento da óptica moderna.
Foi também durante esse período que Johannes Kepler desenvolveu suas Leis do Movimento Planetário. Formuladas entre 1609 e 1619, essas leis descreviam o movimento dos planetas então conhecidos (Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter e Saturno) ao redor do Sol. Eles declararam que:
- Planetas se movem ao redor do Sol em elipses, com o Sol em um foco
- A linha que liga o Sol a um planeta varre áreas iguais em tempos iguais.
- O quadrado do período orbital de um planeta é proporcional ao cubo (3ª potência) da distância média do Sol em (ou em outras palavras - do “eixo semi-principal” da elipse, metade da soma das menores e menores). maior distância do Sol).
Essas leis resolveram as questões matemáticas restantes levantadas pelo modelo heliocêntrico de Copernicus, eliminando assim toda dúvida de que esse era o modelo correto do Universo. Trabalhando com isso, Sir Isaac Newton começou a considerar a gravitação e seu efeito nas órbitas dos planetas.
As três leis de Newton:
Em 1678, Newton sofreu um colapso nervoso completo devido ao excesso de trabalho e uma briga com o colega astrônomo Robert Hooke. Nos anos seguintes, ele se retirou da correspondência com outros cientistas, exceto onde eles a iniciaram, e renovou seu interesse em mecânica e astronomia. No inverno de 1680-81, o aparecimento de um cometa, sobre o qual ele correspondia com John Flamsteed (astrônomo real da Inglaterra) também renovou seu interesse pela astronomia.
Após revisar as Leis do Movimento de Kepler, Newton desenvolveu uma prova matemática de que a forma elíptica das órbitas planetárias resultaria de uma força centrípeta inversamente proporcional ao quadrado do vetor do raio. Newton comunicou esses resultados a Edmond Halley (descobridor do "Cometa de Haley") e à Royal Society em sua De motu corporum in gyrum.
Esse folheto, publicado em 1684, continha a semente do que Newton expandiria para formar sua magnum opus, a Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Este tratado, publicado em julho de 1687, continha as três leis do movimento de Newton, que afirmavam que:
- Quando visto em um referencial inercial, um objeto permanece em repouso ou continua a se mover a uma velocidade constante, a menos que seja acionado por uma força externa.
- A soma vetorial das forças externas (F) em um objeto é igual à massa (m) desse objeto multiplicado pelo vetor de aceleração (a) do objeto. Em forma matemática, isso é expresso como: F =muma
- Quando um corpo exerce uma força sobre um segundo corpo, o segundo corpo exerce simultaneamente uma força igual em magnitude e direção oposta no primeiro corpo.
Juntas, essas leis descreviam a relação entre qualquer objeto, as forças que atuavam sobre ele e o movimento resultante, estabelecendo as bases para a mecânica clássica. As leis também permitiram que Newton calculasse a massa de cada planeta, o achatamento da Terra nos pólos e a protuberância no equador, e como a atração gravitacional do Sol e da Lua cria as marés da Terra.
No mesmo trabalho, Newton apresentou um método de cálculo como análise geométrica usando 'primeira e última razão', calculou a velocidade do som no ar (com base na Lei de Boyle), responsável pela procissão dos equinócios (que ele mostrou serem resultado da atração gravitacional da Lua para a Terra), iniciou o estudo gravitacional das irregularidades no movimento da lua, forneceu uma teoria para a determinação das órbitas dos cometas e muito mais.
Newton e o "Incidente da Apple":
A história de Newton apresentando sua teoria da gravitação universal como resultado de uma maçã caindo em sua cabeça tornou-se um grampo da cultura popular. E embora muitas vezes se tenha argumentado que a história é apócrifa e Newton não tenha inventado sua teoria em nenhum momento, o próprio Newton contou a história muitas vezes e alegou que o incidente o inspirara.
Além disso, os escritos de William Stukeley - um clérigo inglês, antiquário e membro da Royal Society - confirmaram a história. Mas, em vez da representação cômica da maçã atingindo Newton na cabeça, Stukeley descreveu em sua Memórias da vida de Sir Isaac Newton (1752) uma conversa em que Newton descreveu ponderando a natureza da gravidade enquanto assistia uma maçã cair.
“... fomos ao jardim e bebemos chá à sombra de alguns aplausos; somente ele e eu. em meio a outro discurso, ele me disse, ele estava exatamente na mesma situação, como quando antigamente a noção de gravitação vinha à sua mente. “Por que aquela maçã sempre desce perpendicularmente ao chão”, pensou ele consigo mesmo; ocasião pela queda de uma maçã ... "
John Conduitt, assistente de Newton no Royal Mint (que acabou se casando com sua sobrinha), também descreveu ouvir a história em seu próprio relato da vida de Newton. Segundo Conduitt, o incidente ocorreu em 1666, quando Newton estava viajando para encontrar sua mãe em Lincolnshire. Enquanto serpenteava no jardim, ele contemplou como a influência da gravidade se estendia muito além da Terra, responsável pela queda da maçã e pela órbita da Lua.
Da mesma forma, Voltaire escreveu em seu Ensaio sobre poesia épica (1727), que Newton pensara primeiro no sistema de gravitação enquanto caminhava em seu jardim e observava uma maçã cair de uma árvore. Isso é consistente com as anotações de Newton da década de 1660, que mostram que ele estava lutando com a idéia de como a gravidade terrestre se estende, em uma proporção de quadrado inverso, à Lua.
No entanto, levaria mais duas décadas para desenvolver completamente suas teorias, a ponto de poder oferecer provas matemáticas, como demonstrado no Principia. Uma vez concluído, ele deduziu que a mesma força que faz um objeto cair no chão era responsável por outros movimentos orbitais. Por isso, ele chamou de "gravitação universal".
Várias árvores são reivindicadas como “a” macieira que Newton descreve. A Escola do Rei, Grantham, afirma que a escola comprou a árvore original, a arrancou e a transportou para o jardim do diretor alguns anos depois. No entanto, o National Trust, que detém o Woolsthorpe Manor (onde Newton cresceu) em confiança, afirma que a árvore ainda reside em seu jardim. Um descendente da árvore original pode ser visto crescendo do lado de fora do portão principal do Trinity College, Cambridge, abaixo da sala em que Newton morava quando estudou lá.
O trabalho de Newton teria um efeito profundo nas ciências, com seus princípios permanecendo cânones pelos 200 anos seguintes. Ele também informou o conceito de gravitação universal, que se tornou o pilar da astronomia moderna, e não seria revisado até o século 20 - com a descoberta da mecânica quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein.
Escrevemos muitos artigos interessantes sobre gravidade aqui na Space Magazine. Aqui está Quem foi Sir Isaac Newton ?, Quem foi Galileu Galilei ?, Qual é a força da gravidade? E Qual é a constante gravitacional?
Astronomy Cast tem alguns bons episódios sobre o assunto. Aqui está o episódio 37: lentes gravitacionais e o episódio 102: gravidade,
Fontes:
- NASA - Leis do movimento de Newton
- A sala de aula de física - a lei da gravitação universal de Newton
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
