Experiência Física
Autor: Nobre | Publicado: 2011-11-02T13:00:00-07:00







Para executar uma experiencia física (ou científica) é necessário estabelecer um série de premissas com o objetivo de obter resultados tão isentos e verdadeiros quanto possível.
Além disso, qualquer experiência deve ter condições de ser reproduzida, desde que obedecidas essas mesmas premissas, permitindo obter os mesmos resultados. Caso não seja possível repetir a experiência, os resultados obtidos são suspeitos e nada pode ser estabelecido, confirmado ou refutado com base nessa experiencia.
O método científico (experimental), estabelece que uma experiência científica
 consiste em estruturar um sistema, passível de reprodução, no qual se fazem as mensurações de seus observáveis. Essas medidas podem ser diretas ou indiretas, mas devem apresentar sempre os mesmos resultados em cada um dos sistemas reproduzidos.

São objetivos básicos de uma experiencia física:
1. Provar a veracidade ou falsidade de uma dada hipótese.
2. Estabelecer as relações de causa e efeito entre fenômenos objeto da experiencia.
3. Desenvolver novos métodos experimentais para testá-los em hipóteses já devidamente estabelecidas.
4. Aprimorar a acurácia das medições, seja pelo aperfeiçoamento das medições, seja pela utilização de novos processos, incluindo novos instrumentos de medida mais precisos.

Esses objetivos não são mutuamente excludentes, embora seja necessário garantir que não ocorram interferências que comprometam os resultados obtidos, quer pelos métodos, quer pelos instrumentos de medida.

Uma experiencia pode estabelecer novas hipóteses ou reformular hipóteses anteriores que serão objeto de novas experimentações, em um processo de aprimoramento contínuo.
Como toda experiencia pode (e deve) ser repetida, a utilização de novos métodos e/ou instrumentos mais precisos deve ser encorajada. Em não poucos casos surgem novas hipóteses, aprimorando ou refutando a hipótese original, sendo uma das abordagens fundamentais necessárias ao desenvolvimento e ampliação do conhecimento.

Apesar da possibilidade de estabelecer medidas por meio da visão, audição, tato, etc..., devem ser utilizados instrumentos de medição de forma a eliminar a subjetividade dos sentidos humanos.

Uma experiência científica pode ser mental ou concreta.
Uma experiencia mental (idealmente teórica) utiliza como instrumentos fundamentais a Matemática e a Lógica, permitindo ter uma ideia embasada dos resultados obtidos. Basicamente é utilizada para avaliar a adequação de novas hipóteses. É uma técnica muito utilizada no estabelecimento de novas teorias, cuja confirmação dependerá de experiencias concretas.
Nem sempre a tecnologia necessária para realizar essa experiência mental está plenamente desenvolvida, sendo necessário o desenvolvimento de novos métodos e/ou instrumentos.
Assim podem ser estabelecidas novas teorias cuja confirmação será feita posteriormente.
O risco é que toda a teoria pode ser refutada com uma única experiencia concreta, apesar de todo instrumental lógico e matemático utilizado.
Já uma experiência concreta pressupõe a utilização de um método inquestionável, aparatos experimentais, instrumentos de medida, além de medidas tão precisas quanto a tecnologia permita. Essas especificações, aparatos e instrumentos devem ser necessários e suficientes para que a experiencia possa ser reproduzida e obtidos os mesmos resultados da experiencia original.

A experiencia deve ser extremamente criteriosa e explicada de modo a não suscitar dúvida quanto à veracidade de seus resultados, nem quanto à sua reprodução.

Um exemplo bem simplificado e que todos conhecemos:

 

Seja um “sistema” constituído por uma
bola que rola em linha reta em uma superfície plana, perfeitamente horizontal.
Inicialmente vamos efetuar uma experiência mental (ideal), onde não existe nenhum tipo de interferência sobra a bola, nem sobre a superfície plana horizontal considerada. 
Consideremos apenas 2 observáveis: a distancia percorrida pela bola na superfície e o tempo decorrido para a bola percorrer uma distância específica.
Toda medida de distancia necessita de uma referência (ponto em que se define a distancia como 0). O mesmo ocorrendo para a passagem do tempo (t=0). 
Assim, a primeira coisa a fazer é estabelecer a “referencia” a partir da qual o
sistema poderá ter seus observáveis mensurados!
É necessário estabelecer um sistema de coordenadas que, inequivocamente, permita fazer as mensurações necessárias de forma acurada, sem que exista nenhuma interferência espúria externa.
Assim, estabelecemos as coordenadas de laboratório que vão indicar que esse sistema será referenciado
ao ambiente em que faremos as medições. Supõem-se que esse ambiente é bem conhecido, estável e
que não irá influenciar as medidas que vão ser obtidas. Normalmente assume-se que o laboratório não sofre influencias externas e não tem nenhum efeito sobre as medidas feitas. O “observável”
significativo refere-se à posição da bola em relação ao referencial empregado que pode ser chamado de distancia percorrida pela bola.

Assim fazemos a primeira medida, onde podemos considerar o instante t=0 e a
distância percorrida pela bola como 0 (l=0). Assim, l=0 significa que é somente
a partir desse ponto - 0 - (arbitrário, mas referenciado às “coordenadas de
laboratório”) é que iremos começar a medir a distância e t=0 significa o instante
em que nosso cronometro será acionado.
Por exemplo: Passado 1 segundo (t=1), medimos a distância percorrida e obtemos
um resultado (p.ex. l=5 cm). Mais um segundo (t=2), outra medida da distância
(l=10 cm).
Cada nova medida representa o novo “estado” do sistema e como ele está
evoluindo (com relação ao “observável”)

&nbsp;Continuamos fazendo
essas medidas estabelecendo uma tabela auxiliar:
&nbsp;


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Tempo (segundos)

  
  
Distância (cm.)

 

  
  
0

  
  
0

 

  
  
1

  
  
5

 

  
  
2

  
  
10

 

  
  
3

  
  
15

 

  
  
4

  
  
20

 

  
  
5

  
  
25

 

  
  
6

  
  
30

 



&nbsp;
Uma análise mais atenta dos resultados obtidos permite
deduzir que existe uma razão direta entre a distância percorrida pela bola e o
tempo decorrido, podendo estabelecer a seguinte equação matemática:

l = 5 * t


&nbsp;onde l é a distância
percorrida e t o tempo decorrido.


Não foi imposta nenhuma restrição ao diâmetro da bola, nem ao tipo de superfície, desde que plana e horizontal. Também nada foi definido com relação à direção da bola.
Assim devemos refazer a experiencia para outros tamanhos de bola, bem como outras direções. Obtendo os mesmos resultados resultados significa que a experiencia é invariante com relação ao diâmetro da bola e à direção que a bola toma. 


A repetição dessa experiência com outros sistemas que tenham
as mesmas características, onde varia a distância que a bola percorre, nos leva a concluir a seguinte equação:

l = v * t

onde v=é a distância percorrida na unidade de tempo, l a
distancia total percorrida e t o tempo decorrido.

À grandeza v=distância percorrida na unidade de tempo, damos
o nome de “velocidade”.

Assim, podemos formular nosso sistema (bem como os outros
semelhantes) como descrito por:

v=l/t

Onde: v = Velocidade, l = distância e t= tempo

No sistema inicialmente proposto v= 5 cm/seg. caracteriza
inequivocamente esse sistema, através do observável “velocidade”.

Cumpre ressaltar que a experiência foi feita de forma
“ideal”. A bola se move segundo um movimento retilíneo uniforme, qualquer que seja seu diâmetro, em qualquer direção e sem outras influencias externas.
 De tal
experiência foram abstraídas quaisquer outras conjecturas que pudessem
modificar os resultados obtidos. Claro que na realidade só conseguiremos nos
aproximar desse ambiente ideal.

Assim, vamos executar uma experiência concreta.
Para simplificar, omitimos os valores obtidos pelas medidas, que podem ser comprovados executando este experimento, claro.
Dadas as mesmas condições de nosso experimento mental, observamos pequenas diferenças nos resultados reais obtidos com relação aos esperados.
É fácil constatar que a bola vai sendo retardada ao longo da passagem do tempo, até que para totalmente. O que aconteceu? A equação está errada?
Analisando mais detalhadamente a situação, constatamos que a bola foi perdendo energia (e velocidade) ao longo do tempo. Claro que algum efeito não previsto transforma em calor a energia da bola à medida em que esta se desloca. É como se existisse uma força que atua sobre a bola retardando seu movimento.
 Pela analise dos resultados podemos ver que é uma força constante (inalterada ao longo do tempo).
Repetindo a experiência para outros diâmetros de bola, mas mantendo inalterada a superfície e o peso da bola, constatamos que nada se altera. A tal força continua presente. Assim essa força é invariante com relação ao diâmetro da bola.
 Vamos, agora, alterar o material utilizado pela superfície plana horizontal. Após as devidas medições, com a mesma bola original, obtemos resultados ligeiramente diferentes.
 Para esse novo material alterando o diâmetro da bola, mas não seu peso, e realizando as novas medidas, observa-se que a força, apesar de ter um efeito diferente do material anterior, continua invariante com relação ao diametro da bola.
Repetindo a experiencia para outros tipos de material da superfície continuamos com valores ligeiramente diferentes, embora constantes para cada material e invariantes com relação ao diâmetro da bola (mantido o seu peso).
Todo o tempo utilizamos bolas formadas pelo mesmo material e com o mesmo peso. E se alterarmos o peso da bola? Fazendo novas experiencias observa-se que o peso da bola interfere nos resultados obtidos, para uma mesma superfície. Quanto maior o peso da bola, maior será a tal força que retarda o movimento da bola. O mesmo acontece para outros tipos de superfícies. Novamente, se repetimos essas experiencias para outros diâmetros da bola mas mantemos inalterado seu novo peso, constatamos que essa força de retardo é invariante ao diâmetro da bola (como já era esperado).
 Repetimos exaustivamente o mesmo conjunto de experiências para uma bola feita de material diferente da original, materiais diferentes, bolas com pesos diferentes, diâmetros diferentes, etc...

Com base em todos os resultados obtidos podemos estabelecer o seguinte:
1. A força de retardo depende do material empregado, seja na superfíce plana horizontal, seja na bola.
2. O peso da bola, tem influencia nos resultados obtidos.
3. Mantido o mesmo peso da bola, seu diametro não altera os resultados para o mesmo material.

Com relação à força, podemos dizer que essa força de retardo é decorrente do contato da bola com a superfície e tem um componente vertical de força, que é o peso da bola e um componente horizontal que depende do material empregado na superfície e na bola.
A esse componente horizontal da força dá-se o nome de atrito!
 É fácil constatar que as superfícies mais asperas geram maior força de atrito.
Como observado pela variação do diâmetro da bola, o atrito não depende da área de contato entre as superfícies, 
apenas da natureza destas superfícies e da força normal (no caso, o peso) que tende a 
fazer uma superfície "penetrar" na outra. Claro que idealmente exite apenas um ponto de contato entre a bola e a superfície, porém isso não acontece na realidade e quanto maior o diametro da bola, maior será a superfície de contato.
Apesar de ser contra intuitivo, os resultados experimentais demonstram a independência da força de atrito máxima com a 
área de contato!
 Esse efeito inesperado pode ser explicado se considerarmos que a área efetiva de atrito (considerando a nível microscópico os pontos de contato entre as duas superfícies) é muito menor que a área aparente (a que observamos) e depende exclusivamente da força exercida entre as duas superfícies (no caso, o peso da bola).
Por causa do atrito, a energia da bola vai sendo totalmente dissipada em energia térmica, até que a bola para seu movimento.
 
Assim, a principal adequação da experiência mental para
a “realidade” foi constatar que existe uma força (atrito) que “retarda” a bola
a cada instante, decorrente do contato da bola com a superfície horizontal. Observa-se, também, a variação dessa força de retardo com o peso da bola, mas não com o tamanho da superfície (aparente) de contato, além da dependência dessa força com relação ao material empregado (o chamado coeficiente de atrito).

Lembramos, também, que nada foi especulado com relação à velocidade da bola, pois consideramos implicitamente que essa velocidade é muito menor que a velocidade da luz no vácuo. Contamos, ainda que nosso "laboratório" está rigidamente fixado à terra e não sofre nenhum tipo de atuação do meio exterior. Também que a bola tem dimensões macroscópicas, facilmente mensuráveis. Consideramos que os nossos instrumentos de medida (o cronometro e o metro) são perfeitos, permitindo obter medições tão precisas quanto desejamos.

 É fácil constatar que muitas simplificações foram feitas, mas nem sempre possíveis em experiencias reais.&nbsp; 
 A
partir desse ponto, essa simples experiência deve considerar
muitas outras variáveis (observáveis) que irão influenciar os resultados
obtidos.


É possível perceber a complexidade das experimentações
físicas!