As quatro forças fundamentais da natureza: um quarteto mais que fantástico!
Gostaria de começar a publicação desta semana propondo um pequeno desafio: tente definir os conceitos de ponto, reta e plano sem se valer desses termos em sua explicação. Ou seja, não vale definir uma reta como um segmento que une dois pontos, nem um plano enquanto uma superfície que contém duas retas... É uma tarefa um tanto difícil, não acha? 
Força Fraca
Tal dificuldade reside no fato de tais elementos geométricos consistirem em conceitos primitivos, isto é, conceitos que, por serem óbvios e intuitivos, não admitem uma definição. Neste caso, foram apresentados conceitos primitivos relacionados à matemática, mas existem muitos outros ligados à diversas áreas do conhecimento.
No caso da física, as forças fundamentais geram um efeito semelhante: embora nem sempre óbvias e intuitivas à primeira vista, essas não podem ser descritas em função de termos mais simples.
O que são as Forças Fundamentais?
De modo deveras simplificado, as forças fundamentais relacionam-se diretamente às interações presentes em qualquer tipo de matéria e, em virtude disso, mostram-se essenciais ao funcionamento do universo da forma que conhecemos - bem como a sua própria constituição.
Atualmente, admite-se a existência de quatro forças fundamentais:
- Força gravitacional
- Força eletromagnética
- Força forte
- Força fraca
Contudo, vale ressaltar que, em meados de 2016, cientistas da Academia Húngara de Ciência encontraram evidências que poderiam justificar a existência de uma quinta força fundamental - a qual seria responsável pela formação da matéria escura.
Antes de entrar em detalhes acerca de cada uma das quatro forças fundamentais, acho importante explicar - mesmo que de forma superficial - o que são quarks, e de que forma eles participam da composição de prótons e nêutrons.
Quarks: os formadores de prótons e nêutrons
De maneira geral, os quarks podem ser definidos enquanto as partículas fundamentais que, em grupos de três (bárions), constituem os prótons e os nêutrons - presentes no núcleo dos átomos. Com efeito, tais partículas são classificadas com base em duas características principais: o sabor - relacionado à massa e à carga de cada tipo de quark - e a cor, que pode ser red (vermelha), green (verde) ou blue (azul).
Sendo assim, os prótons são compostos por dois quarks UP e um quark DOWN, ao passo que os nêutrons são formados por dois quarks DOWN e um quark UP.
Depois dessa rápida introdução ao mundo dos quarks, podemos, finalmente, entender como cada força fundamental atua.
As quatro forças fundamentais
Força Gravitacional:
A força gravitacional consiste em uma força atrativa que atua sobre todos os corpos dotados de massa. Embora seja a mais fraca das quatro forças fundamentais, essa apresenta alcance infinito, sendo responsável, por exemplo, pela forma dos planetas e das estrelas. Sua intensidade pode ser calculada a partir da Lei da Gravitação Universal, proposta por Isaac Newton e descrita pela seguinte equação:
A partir dela, podemos concluir que a intensidade da força gravitacional estabelecida entre dois corpos diminui conforme esses se afastam. Além disso, corpos dotados de massas pequenas geram forças gravitacionais também pequenas - o que justifica o fato de essa força ser insignificante em níveis atômicos e moleculares.
Um fato interessante sobre ela é o de que não se sabe ao certo o que a gera - algo que, inclusive, faz alguns cientistas questionarem sua classificação enquanto força fundamental. Há teorias que propõem que essa seria transmitida através de partículas fundamentais denominadas "grávitons". Outras, atualmente mais aceitas, baseiam-se na Teoria da Relatividade Geral, enunciada por Albert Einstein.
Força Eletromagnética:
A força eletromagnética pode ser definida enquanto o resultado da interação entre as forças elétrica e magnética. Mais intensa do que a força gravitacional, ela também apresenta alcance infinito, podendo ser atrativa ou repulsiva a depender do sinal das cargas elétricas envolvidas em cada interação. Nesse contexto, vale a a famosa frase: "os opostos se atraem, e os iguais se repelem".
A força eletromagnética atua na ligação de átomos, moléculas e íons, sendo de suma importância para a composição da matéria como um todo. Ao mesmo tempo, ela é constantemente aplicada em situações do cotidiano como, por exemplo, quando ligamos a televisão, aquecemos algo no micro-ondas ou, simplesmente, quando ligamos a luz.
Força Forte
Conforme sugerido pelo seu nome, a força forte apresenta uma grande intensidade, sendo capaz de manter os prótons e nêutrons unidos dentro dos núcleos atômicos - e superando, assim, a força de repulsão eletromagnética estabelecida entre eles. Além disso, tal força também é responsável por manter os trios de quarks unidos (bárions), sendo, portanto, responsável pela própria formação dos prótons e nêutrons.
O fato de se tratar de uma força de curto alcance (aproximadamente 10-15 m) justifica a instabilidade de núcleos atômicos que apresentam diâmetros muito superiores a esse valor, já que, nesses casos, a força de repulsão eletromagnética entre seus prótons tende a superar a força forte.
Força Fraca
Curiosamente, a força fraca apresenta intensidade maior do que a força gravitacional. Ademais, essa apresenta um alcance aproximadamente mil vezes menor do que a força forte, e está diretamente relacionada a processos de decaimento radioativo, tais como a fusão e a fissão nucleares.
De maneira geral, a força fraca é capaz de transformar um tipo de quark em outro e, com isso, fazer com que nêutrons se decomponham em prótons e vice-versa. Consequentemente esse processo, ao alterar o número de prótons e nêutrons no núcleo de um determinado átomo, faz com que esse se torne um elemento diferente.
Tendo isso em mente, os processos de decaimento radioativo e, portanto, a atuação da força fraca são fundamentais à própria sobrevivência na Terra. Isso se deve ao fato de que tais reações, ocorrendo continuamente na superfície do Sol, permitem que esse emita luz e calor para a superfície terrestre.
Esta postagem se baseou em informações extraídas das seguintes fontes:
Ah! Este tema, e algumas das referências usadas nesta publicação, foram indicados pelo André Borges.
ResponderExcluirMuito obrigada pelo apoio e pela ajuda!
Então todas as forças se resumem a essas? Por que tem que decorar tantas no Ensino Médio?
ResponderExcluirAo que tudo indica, todas as forças se resumem a essas. Assim, dentre aquelas que estudamos no Ensino Médio (como as forças de atrito, de resistência do ar e elástica), a principais diferenças consistem basicamente no "contexto" - como, por exemplo, a escala do corpo em análise - em que cada uma das quatro forças fundamentais atua.
ExcluirA força de atrito, por exemplo, consiste em uma força de natureza eletromagnética, só que aplicada em uma escala bem pequena!
Nesta publicação do "Pergunte ao CREF" ( https://www.if.ufrgs.br/novocref/?contact-pergunta=forcas-fundamentais-duvidas-sobre-a-classificacao ), foram indicadas as naturezas de outros exemplos de forças que percebemos no cotidiano - e que acabamos estudando no Ensino Médio.