Grade 12
  1. Mecânica avançada  1.1. Dinâmica  1.1.1. Movimento em duas e três dimensões  1.1.2. Equações Avançadas de Movimento e Alcance de Projéteis  1.1.3. Movimento relativo em diferentes referenciais  1.1.4. Motion of charged particles in electric and magnetic fields  1.1.5. Movimento acelerado não-uniforme em múltiplas dimensões  1.2. Dinâmica  1.2.1. As leis de Newton e aplicações em referenciais não-inerciais  1.2.2. Dinâmica de sistemas de partículas  1.2.3. Forças não conservativas e dissipação de energia  1.2.4. Momento em sistemas de massa variável (momento do foguete)  1.2.5. Mecânica Lagrangiana e Hamiltoniana (Introdução)  1.3. Trabalho, Energia e Potência  1.3.1. Trabalho realizado por forças não conservativas  1.3.2. Potência em movimento rotacional e translacional  1.3.3. Leis de Conservação Avançadas e Aplicações  1.3.4. Superfície de energia potencial e estabilidade  1.4. Velocidade de rotação avançada  1.4.1. Torque em três dimensões  1.4.2. Momento de inércia para corpos irregulares  1.4.3. Movimento giroscópico e precessão  1.4.4. Teorema do trabalho-energia rotacional  1.4.5. Equações de Euler para o movimento rotacional  1.5. Força gravitacional  1.5.1. Mecânica Orbital Avançada  1.5.2. Pontos de Lagrange e estabilidade das órbitas  1.5.3. Dilatação do tempo gravitacional  1.5.4. Velocidade de escape e considerações energéticas  1.5.5. Força de maré e o limite de Roche
  2. Mecânica dos fluidos e termodinâmica  2.1. Dinâmica dos fluidos  2.1.1. Aplicações do Princípio de Bernoulli  2.1.2. Equações de Navier-Stokes e resistência de fluidos  2.1.3. Fluxo Turbulento vs. Laminar  2.1.4. Tensão superficial e ação capilar  2.2. Física Térmica Avançada  2.2.1. Equilíbrio termodinâmico e motores térmicos  2.2.2. Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica  2.2.3. O demônio de Maxwell e a termodinâmica estatística  2.2.4. Potencial Termodinâmico e Energia Livre
  3. Oscilações e ondas  3.1. Movimento Harmônico Simples Avançado  3.1.1. Oscilações acopladas e modos comuns  3.1.2. Oscilações amortecidas e forçadas  3.1.3. Espaço de fase e ressonância  3.1.4. Oscilações anarmônicas  3.2. Movimento ondulatório  3.2.1. Equações de ondas avançadas e dispersão  3.2.2. Ondas de Choque e Estrondos Sônicos  3.2.3. Efeito Doppler em ondas eletromagnéticas  3.2.4. Dualidade onda-partícula
  4. Eletromagnetismo  4.1. Eletrostática  4.1.1. Lei de Gauss na distribuição de carga unilateral  4.1.2. Potencial elétrico para configuração de carga complexa  4.1.3. Energia eletrostática e autoenergia de um sistema  4.1.4. Dieletricos e Polarização  4.2. Eletricidade Corrente  4.2.1. Análise Avançada de Circuitos (Teoremas de Thevenin e Norton)  4.2.2. Circuitos RC, RL e RLC em CA e CC  4.2.3. Supercondutividade e aplicações  4.3. Magnetismo Avançado e Indução Eletromagnética  4.3.1. Campos magnéticos em condutores e plasma  4.3.2. Lei de Lenz em campos magnéticos dependentes do tempo  4.3.3. Correntes de Foucault e Aplicações  4.3.4. Momento de dipolo magnético e torque em laços de corrente elétrica  4.4. Corrente Alternada e Ondas Eletromagnéticas  4.4.1. Circuitos LC e Ressonância  4.4.2. Equações de Maxwell e transmissão de ondas eletromagnéticas  4.4.3. Aplicações das Ondas Eletromagnéticas  4.4.4. Polarização e reflexão de ondas eletromagnéticas
  5. Óptica  5.1. Óptica Geométrica  5.1.1. Aberrações em sistemas ópticos  5.1.2. Fórmulas avançadas de lentes e espelhos  5.1.3. Instrumentos Ópticos e Óptica Adaptativa  5.2. Óptica de Ondas  5.2.1. Difração em fendas únicas e múltiplas  5.2.2. Coerência Óptica e Interferometria  5.2.3. Holografia e aplicações
  6. Física moderna e quântica  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.2. Energia e massa relativísticas  6.1.3. Efeito Doppler relativístico  6.2. Mecânica quântica  6.2.1. Equação de Schrödinger e função de onda  6.2.2. Túnel quântico e aplicações  6.2.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  6.2.4. Superposição e emaranhamento quântico  6.3. Física nuclear  6.3.1. Energia de ligação e defeito de massa  6.3.2. Física de neutrinos e decaimento beta  6.3.3. Fissão e Fusão Nuclear  6.4. Particle physics  6.4.1. Modelo Padrão e interações fundamentais  6.4.2. O bóson de Higgs e a quebra de simetria  6.4.3. Antimatéria e violação de CP
  7. Astrofísica e cosmologia  7.1. Relatividade geral e gravidade  7.1.1. Equações de campo de Einstein  7.1.2. Ondas gravitacionais e sua detecção  7.1.3. Buracos negros e horizontes de eventos  7.2. Cosmologia  7.2.1. Matéria escura e energia escura  7.2.2. Radiação cósmica de fundo em micro-ondas  7.2.3. A expansão do universo e a lei de Hubble

Grade 12 ↓


Astrofísica e cosmologia


A astrofísica e a cosmologia são ramos fascinantes da física que lidam com o estudo do universo e seus componentes. Esses campos têm fascinado cientistas e leigos por séculos devido à vastidão e aos mistérios do universo. Nesta lição, explicamos o básico desses assuntos em termos simples, adequados para qualquer pessoa interessada em entender nosso universo e seus princípios subjacentes.

Diferença entre astrofísica e cosmologia

Antes de nos aprofundarmos, é importante diferenciar entre astrofísica e cosmologia. Embora ambos os campos se sobreponham e contribuam para nossa compreensão do universo, eles se concentram em aspectos diferentes.

  • Astrofísica: Esse campo se concentra principalmente em entender as propriedades físicas e processos de objetos celestes, como estrelas, planetas, galáxias, buracos negros e outros fenômenos astronômicos. Envolve a aplicação dos princípios da física aos dados obtidos de observações astronômicas.
  • Cosmologia: O escopo da cosmologia é amplo, lidando com a origem, evolução, estrutura e destino final do universo inteiro. Ela aborda questões relacionadas à teoria do Big Bang, a expansão do universo, a matéria escura e a energia escura.

O céu noturno: nossa janela para o universo

Olhando para o céu noturno, você vê inúmeras estrelas e possivelmente alguns planetas. Mas o que exatamente são esses objetos?

Estrelas

As estrelas são enormes bolas de gás, principalmente hidrogênio e hélio, onde ocorre a fusão nuclear. Essa fusão produz energia, que vemos como luz.

E = mc^2

Nesta famosa equação de Albert Einstein, E representa energia, m representa massa, e c representa a velocidade da luz. Esta equação descreve como a matéria é convertida em energia nas estrelas.

Planetas

Os planetas são corpos que orbitam estrelas e não produzem luz por fusão nuclear. Em nosso sistema solar, distinguimos entre planetas terrestres como a Terra e Marte e gigantes gasosos como Júpiter e Saturno.

Galáxias: Ilhas das Estrelas

Galáxias são enormes sistemas contendo bilhões de estrelas, planetas e outros corpos celestes, todos ligados entre si pela gravidade. Nosso sistema solar faz parte da Via Láctea.

As galáxias vêm em uma variedade de formas e tamanhos, incluindo espirais, elípticas e irregulares. Nossa galáxia é uma galáxia espiral, caracterizada por um disco de estrelas giratório e braços espirais.

O Big Bang e o Universo em Expansão

Hoje, a maioria dos cientistas acredita que o universo começou com o Big Bang há cerca de 13,8 bilhões de anos. Esta teoria afirma que o universo começou como um ponto extremamente quente e denso, que se expandiu rapidamente.

A Lei de Hubble

Na década de 1920, Edwin Hubble descobriu que as galáxias estão se afastando de nós, o que sugere que o universo está se expandindo. A lei de Hubble pode ser expressa como:

v = H₀ * d

Aqui, v é a velocidade com que a galáxia está se afastando, H₀ é a constante de Hubble, e d é a distância até a galáxia.

Galáxia A Galáxia B

Isso nos leva à conclusão de que o universo era muito menor no passado e está continuamente se expandindo, o que é um conceito central da cosmologia.

Matéria escura e energia escura

Apesar dos incríveis avanços na astronomia, muitos fenômenos no universo ainda permanecem inexplicados. A matéria escura e a energia escura são dois grandes mistérios.

Matéria escura

A matéria escura é uma forma de matéria que não emite nem interage com a radiação eletromagnética, tornando-a invisível e apenas detectável através de seus efeitos gravitacionais. Acredita-se que ela constitua cerca de 27% do universo.

Energia escura

A energia escura é uma forma desconhecida de energia que se acredita permear todo o espaço, fazendo com que o universo se expanda mais rapidamente. Acredita-se que ela componha cerca de 68% do universo.

matéria escura Energia escura

O restante do universo (cerca de 5%) é composto por matéria ordinária, os blocos de construção de galáxias, estrelas e planetas.

Buracos negros

Buracos negros são regiões no espaço onde a gravidade é tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Eles são formados quando estrelas massivas colapsam sob a própria gravidade ao final de seus ciclos de vida.

Os buracos negros são comumente identificados por seu horizonte de eventos, o ponto de não retorno, e sua singularidade, onde a densidade se torna infinita.

Compreender os buracos negros pode fornecer insights sobre o comportamento de campos gravitacionais extremos e a natureza do espaço e tempo.

Radiação cósmica de fundo em micro-ondas

Uma das principais evidências para a teoria do Big Bang é a radiação cósmica de fundo (CMB). Esta radiação é a radiação térmica remanescente do Big Bang, amplamente considerada como a primeira luz no universo.

O CMB aparece como um brilho tênue na parte de micro-ondas do espectro eletromagnético, que permeia o universo e fornece um instantâneo do universo recém-nascido.

O futuro do universo

Cosmologistas consideram várias possibilidades sobre o destino final do universo, incluindo o Grande Congelamento, o Grande Colapso e o Grande Rasgo.

  • Grande Congelamento: Se o universo continuar a se expandir, as estrelas eventualmente se extinguirão, as galáxias se afastarão e o universo atingirá um estado de equilíbrio térmico.
  • Grande Colapso: O cenário oposto, onde a gravidade poderia desacelerar a expansão, fazendo com que o universo colapse de volta em um estado único e compacto.
  • Grande Rasgo: A expansão acelerada impulsionada pela energia escura poderia eventualmente rasgar o universo em nível atômico.

Conclusão

A astrofísica e a cosmologia proporcionam uma melhor compreensão do universo, desde as forças fundamentais da natureza até suas vastas estruturas e fenômenos. Explorar esses campos envolve uma interessante mistura de física teórica, observação e novas descobertas que continuam a surpreender e desafiar nosso entendimento.

À medida que a tecnologia avança, novas observações e desenvolvimentos teóricos estão nos levando a uma era de descobertas astronômicas. Seja entendendo galáxias distantes, buracos negros misteriosos ou as dinâmicas que governam o universo, a jornada para entender essas maravilhas cósmicas é, de fato, um aspecto empolgante do esforço humano.


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Astrofísica e cosmologia

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