Física Aplicada para Desenho Industrial (FIN 351)

Física dos objetos & Física da luz

Prof. Luiz Felipe Coelho

Ementa
Programa Analítico
Critérios de aprovação
Trabalho
Livros-texto
Páginas coloridas de alguns livros-texto
Introdução ao curso
Lista 1
Lista 2
Lista 3
Links de Desenho Industrial


Ementa

Origens da Física. Mecânica de partícula e de corpo rígido. Mecânica dos flúidos. Movimentos oscilatórios e ondas. Som: produção e recepção. Luz: produção e recepção. Reflexão e refração. Mecanismos da visão. Lentes. Fenômenos ondulatórios da luz. Propriedades óticas de materiais. Eletricidade e magnetismo. Corrente e potencial elétricos. Propriedades elétricas de materiais. Calor: produção e propagação. Temperatura e propriedades térmicas de materiais. átomos e moléculas. Sólidos. Radiações. Laser.


Programa Analítico

A) Origens da Física. Relacionamento da Física com outras ciências e com as técnicas.

B) Mecânica de partícula. Conceitos de massa, força, velocidade e aceleração. Rotação: velocidade angular, momento angular, torque e momento de inércia. Equilíbrio instável e estável de um corpo. Energia, potência e trabalho.

C) Mecânica dos flúidos. Empuxo. Conceitos de densidade, pressão e viscosidade. Regimes de fluxo de um flúido.

D) Oscilações e ondas. Movimento harmônico. Ondas mecânicas e sonoras. Período, frequência e comprimento de onda

D) Som. Mecanismo de audição. Intensidade e frequência. Mecânica de movimentos amortecidos e o isolamento acústico.

E) Luz. Fontes luminosas. Intensidade, comprimento de onda e frequência. Mecanismos da visão diurna e da noturna. Reflexão e refração.Fosforescência e fluorescência. Materiais bons e maus refletores. Lentes. Máquina fotográfica. Distância mínima para a visão. Fenômenos ondulatórios da luz: difração em redes e em filmes e interferência. Tamanho mínimo de um objeto visível. Holografia. Fibras óticas.

F) Eletricidade. Corrente elétrica e voltagem. Lei de Ohm. Efeito Joule. Magnetismo. Eletro-ímãs. Materiais isolantes, condutores e supercondutores.

G) Calor. Produção e dissipação. Temperatura e calor específico.Propriedades térmicas dos materiais. Medição da temperatura.

H) Átomos e moléculas. Sólidos. Radiações. Danos causados em sólidos pela luz solar e por outras radiações. Métodos físicos de alteração de superfícies.


Critérios de aprovação

Haverá uma prova e um trabalho de grupo. A nota do curso será a obtida somando estas duas notas e dividindo por dois. O tema do trabalho deve ser apresentado a mim para que verifique se é adequado ao curso e para que possa dar sugestões de leitura ou de "sites" na Internet. Em particular, será considerado importante o uso de buscas na Internet. Durante o curso distribuirei algumas listas de exercício, sem valer nota. A prova será no nível destas listas.


Trabalho

I) Temas
Qualquer tema, com conteúdo de física, pode servir para o trabalho. Algumas sugestões são:

I.A) temas envolvendo o corpo humano:

-A visão humana
-A audição humana
-Produção e perda de calor no corpo humano
-Forças exercidas por diversos músculos humanos

I.B) temas envolvendo objetos, materiais e processos:

-Instrumentos musicais
-Lentes: diversos tipos e aberrações
-Tipos de telas de computadores e de televisão
-Teoria da cor
-Computadores e impressoras (laser e jato de tinta)
-Efeito Joule e aplicações: ferro elétrico, forno, cafeteira, aquecedor, chuveiro, torradeira, etc
-Lâmpadas elétricas: incandescentes, fluorescentes, de vapor metálico e de halogênio, etc
-Motores elétricos: máquinas de lavar roupa, ventiladores, liquidificadores, furadeiras, etc
-Forno de microonda e utensílios de cozinha associados
-Mecânica clássica: bicicletas, cadeira de rodas, aparelhos de academia, etc
-Segurança em veículos: saco de ar, freios, cinto de segurança e arquitetura interna
-Lasers, diversos tipos e aplicações: leitores de Compact discs e de códigos de barras, controle remoto de eletrodomésticos, controle de abertura de portas,etc
-Fibras óticas
-Armazenagem magnética de informações, de fitas cassete a i-pods...
-Ondas eletromagnéticas: Telefones celulares, rádio e TV
-Máquinas térmicas: motores de carros e de trens, geladeiras e aparelhos de ar condicionado
-Física de fotocopiadores e "scanners"
-Aerodinâmica de carros comuns e de corrida e de trens
-Funcionamento de trens movidos a carvão, a diesel e elétricos
-Aviões, ultra-leves, asas-delta, para-quedas, etc
-Barcos de vela, de motor e hovercraft
-Madeiras
-Plásticos(PVC, PET, PTFE (Teflon), etc)
-Resinas (isopor)
-Metais (puros e ligas)
-Vidros
-Materiais compostos
-Cerâmicas
-Materiais fluorescentes
-Pigmentos
-Cristais líquidos
-Holografia
-Fotografia preto e branco e colorida
-Acústica: isolamento, reflexão e transmissão, alto-falantes, microfones
-Supercondutividade: trens
-Diamantes: o que são e como se lapidam
-Produção de energia elétrica: solar, eólica, hidroelétrica, térmica de combustíveis fósseis (GNP, carvão, diesel), térmica nuclear, hidrogênio, química
-Aquecimento global
-Etc, etc, etc

II) Referências:

Tenho referências (em inglês) para a maioria dos tópicos acima. Tenho algumas poucas em português. A melhor fonte de todas é uma busca na Internet, por exemplo usando o mecanismo de busca Google, com as palavras-chave em português e em inglês. Uma boa fonte são livros da biblioteca do IF, incluindo enciclopédias. Muitos artigos ótimos, em especial associados à visão e à cor, estão nas revistas Scientific American e Ciência Hoje. Os artigos, livros e páginas de Internet que você usar devem estar listados na seção de Referências, ao final do trabalho.

Sugiro que, escolhido um tema, seja dada uma busca na Internet, escolhendo bem as palavras chaves e com bastante paciência para olhar o que o site informa. Por exemplo, se colocar eye vou ter milhões de sites, o que é quase o mesmo que nada! Se colocar human eye pior ainda, pois qualquer página com a palavra human e/ou com a palavra eye será listada. Se colocar "human eye" o mecanismo de busca que você usar buscará pela frase "human eye" e assim são eliminados inúmeros sites que nada tem a ver com a "visão humana" e que aparecem quando se busca eye ou human eye. Alguns mecanismos permitem que voce escreva sem haspas para buscar um conjunto ordenado de palavras mas aí tem que ser dito que é a "exact sentence" não "all the words"...
Quando você usar material obtido na Internet, dê a referência da página . O trabalho pode ser entregue apenas em papel, mas eu prefiro que seja entregue tambem um arquivo doc ou html, com os arquivos das figuras. Quem concordar, eu pretendo por o trabalho na homepage do curso.


Livro-texto

Não existe livro texto ideal para esse curso!! As razões são que, como este é um curso sobre a Física dos objetos e da luz, existe um número imenso de possíveis aplicações e continuamente surgem novos objetos, novos materiais e novas técnicas.
Cito abaixo 4 livros. Tenho um exemplar de cada um. Deixei na xerox da EBA cópias dos últimos três, e na sessão seguinte dou links para as páginas coloridas dos livros Sensation and Perception e Light Science.
A) Um livro introdutório possível é o Physical Science with modern applications, de M. Merken. Tem um exemplar na biblioteca do IF (terceiro andar do Bloco A do CT). Esse livro na primeira metade dá uma visão geral da Física, discutindo diversas aplicações, e na segunda metade faz o mesmo para a Química, a Astronomia, a Geologia, a Oceanografia e a Meteorologia.
B) A compreensão dos sentidos humanos, em especial a audição e a visão, é essencial para numerosas áreas de Desenho Industrial. Um livro excelente é Sensation and perception, por E.B. Goldstein.
C) A física da luz é descrita no livro "Light science: Physics and the Visual Arts", de T. D. Rossing e C. J. Chiaverina.
D) A física dos objetos é descrita no livro "How things work: the physics of everyday life", de L.A. Bloomfield.


Páginas coloridas dos livros-texto (B) Sensation and Perception e (C) Light Science

O processo da visão 1
O processo da visão 2
O processo da visão 3
O processo da visão 4
Percepção das cores 1
Percepção das cores 2
Percepção das cores 3
Percepção das cores 4
Criação de cores por adição e subtração 1
Criação de cores por adição e subtração 2
Criação de cores por adição e subtração 3
Criação de cores por adição e subtração 4
Capa do livro Sensation and Perception
Contracapa do livro Sensation and Perception
Light Science: página 1
Light Science: página 2
Light Science: página 4
Light Science: página 5
Light Science: página 6
Light Science: página 7
Light Science: página 8
Light Science: página 9
Light Science: página 11
Light Science: página 12
Light Science: página 13
Light Science: página 14
Light Science: página 15
Light Science: página 16
Light Science: página 17
Light Science: página 18
Light Science: página 19
Light Science: página 20
Light Science: página 21
Light Science: página 22
Light Science: página 23
Light Science: página 24
Capa do livro Light Science
Contracapa do livro Light Science

Introdução ao curso

Na medida do possível esses temas são vistos com pouco uso de fórmulas matemáticas e com a discussão de suas aplicações. Um uso mínimo de matemática é no entanto preciso pois as leis fundamentais da física e as descrições que elas e as suas fórmulas derivadas dão do mundo que nos rodeia são "escritas" em termos matemáticos.

Em particular a característica essencial dessas leis é que elas nos dizem como uma variação de uma ou mais grandezas afeta uma outra grandeza. Isto é feita considerando essas variações como sendo infinitamente pequenas ou ``infinitesimais". é claro que variações de verdade não são assim mas elas podem ser tratadas como sendo a soma de números infinitos dessas variações infinitesimais. A divisão de um número nessas parcelas "tão pequenas quanto se queira" é chamada derivação ou diferenciação e é denotada por um d ou por um Delta (um triângulo que representa a letra maiúscula d no alfabeto grego). A soma dessas parcelas é chamada integração, sendo simbolizada por um s estilizado, . Essa descrição matemática é o chamado ``cálculo infinitesimal" ou simplesmente ``cálculo", sendo a base do desenvolvimento científico e tecnológico desde que foi proposta por Newton na Inglaterra e Leibnitz na Alemanha, trezentos anos atrás.

Como fazer operações com esse cálculo não é em hipótese nenhuma um objetivo desse curso mas é necessário saber que é esta linguagem que aparecerá até num gráfico fornecendo a intensidade luminosa do espectro solar ou na definição da grandeza velocidade. é necessário estar consciente disto mas, por outro lado, saber que podemos contornar o uso desta linguagem e mesmo compreender um pouco de seu simbolismo. Assim, por exemplo, se um comprimento é L ele pode ser subdividido em pedaços dL ou DeltaL. Quando dizemos então que v=dL/dt estamos dizendo que a velocidade v de um objeto num certo instante t é obtida dividindo o deslocamento dL, ocorrido num intervalo de tempo muito pequeno dt, por esse mesmo intervalo de tempo dt.

À parte o obstáculo da ausência do "cálculo" há um segundo obstáculo, desta vez bem mais fácil de vencer. Ele é a maneira de escrever números muito grandes ou muito pequenos a qual pode usar múltiplos e submúltiplos das unidades ou usando a notação exponencial. Assim um comprimento de dois milésimos de metro pode ser escrito como 0,002 m, como 2 mm ou como 2,0x 10-3m. Uma massa de 1300 Kg pode ser escrita como 1,3 toneladas ou como 1,3x103 quilos. O expoente acima do número dez sempre indica quantas casas a vírgula deve ser deslocada para termos de volta o número desejado (se for negativo a vírgula anda para a esquerda, se positivo para a direita). Ele é chamado a ordem de grandeza do número.

Isto pode parecer trivial ou irrelevante mas grandezas como a intensidade sonora, a intensidade luminosa, os tamanhos de objetos e os comprimentos de onda da luz variam muitas ordens de grandeza. O uso da notação exponencial é então essencial para descrevê-las pois evita escrever muitos zeros.No caso específico do som podemos ouvir numa faixa de 12 ordens de grandeza de intensidade sonora, indo de cerca de 1 W/m2 até 0,000000000001 W/m2 ou 10-12 W/m12. Este é um caso tão extremo que a própria medição da intensidade sonora é feita em decibeis, os quais são obtidos a partir do uso de logaritmos (dependem essencialmente dos expoentes que aparecem acima dos números 10).

O número de algarismos quando usamos a forma exponencial de escrever um número nos diz algo sobre a precisão desse número. Assim, se um jornal diz que num certo domingo havia um milhão de pessoas numa praia, ele quer dizer que isto é aproximado, na verdade não são rigorosamente 1000000 frequentadores da praia. Com a forma exponencial esta imprecisão torna-se aparente e o número seria escrito como 1x106, ou seja, o número verdadeiro deve estar entre 0,5 e 1,5 milhões de frequentadores, tendo sido arredondado para 1.


Primeira lista de exercícios

1) Escreva as leis de Newton. Defina velocidade e aceleração médias e instantâneas de um corpo. O que é o momento linear de um corpo? O que é massa?

2) O que é o momento angular de um corpo e em que situações se conserva? O que é o torque de uma força? Porque a Terra não cai no Sol?

3) Uma roda de bicicleta, de raio 25 cm e massa 0,5 Kg, está rodando com 200 rpm. O freio é então aplicado e a roda para após 20 segundos. Qual a força de atrito do freio com a roda? Se a soma das massas da bicicleta e do ciclista for 60 Kg qual era a velocidade inicial e qual foi a aceleração média durante a freiada?

4) Relacione a velocidade e a energia cinética de um corpo pequeno descrevendo uma trajetória circular com a sua velocidade angular. Relacione agora, para um objeto que gira em torno de um eixo que o atravessa, a sua energia cinética de rotação com o momento de inércia e a velocidade angular.

5) Duas bolas de massas iguais colidem frontalmente, com velocidades de 3,0 e 1,0 m/s. Se as duas ficarem grudadas, qual a velocidade do conjunto? Nesse caso de quanto terá diminuido a energia cinética do conjunto? E se a colisão for perfeitamente elástica quais serão as velocidades das bolas após a colisão?

6) O coeficiente de atrito entre uma caixa metálica e uma rampa de cimento em que a mesma pode deslisar é 0,40. Se a caixa, de massa 100 kg, tiver que ser empurrada rampa acima por uma pessoa capaz de exercer uma força máxima de 500 N qual poderá ser a inclinação máxima da rampa?

7) Um objeto com 60 kg de massa está apoiado sobre uma haste horizontal de 2,00 m de comprimento, estando a 0,5 m de uma das extremidades.Qual a força de sustentação em cada extrema da haste?

8) Uma barra de 5,0 m de comprimento pesa 2,5.105 N. Ela tem seção reta uniforme. Qual a força necessária para levantar do chão uma das pontas da barra?

9) Fale sobre as propriedades mecânicas dos diversos tipos de materiais. Esboçe os diagramas tensão versus deformação e dê valores típicos do módulo de Young e da tensão de ruptura em cada caso.

10) Um fio de metal de 75 cm de comprimento e 1,3 mm de diâmetro, com uma das extremidades presa no teto, esticou-se 0,035 cm quando um objeto com massa 8,0 kg foi pendurado em sua outra extremidade. Calcule a tensão, a deformação e o módulo de Young.

11) Um pedaço de gelatina de sobremesa, em forma de paralelepípedo, tem uma área superior de 15 cm2 e uma altura de 3 cm. Quando uma força de 0,50 N é aplicada à superfície superior, esta se desloca de 4 mm em relação à inferior. Obtenha quanto valem a tensão e a deformação de cisalhamento desse pedaço de gelatina e, a partir destes valores, o módulo de cisalhamento da gelatina.

12) Uma mesa de trabalho tem quatro pernas de aço maciço, cada uma com 0,80 m de comprimento e 1,0 cm de diâmetro. De quanto abaixará quando suportar uma carga de 5 1 toneladas? O módulo de Young do aço é 1,9x1011 N/m2. Para que o aço não sofra deformação permanente a tensão não deve superar 3x108 N/m2 (isto é o limite da sua região elástica). Qual deve ser a carga máxima na mesa neste caso?

13) Dê exemplos de máquinas simples e discuta como cada uma pode ser usada para multiplicar a força, multuplicar a velocidade ou mudar a direção de uma força.

14)Quando um objeto se movimenta no ar ele sofre uma força de atrito. Relacione-a com a velocidade, a seção transversal e a forma do objeto.

Em caso de dúvidas, me pergunte na sala de aula, na minha sala (Bloco A, 310, (21)2562-7732) ou me mande um e-mail (coelho@if.ufrj.br)!!!


Segunda lista de exercícios

Use, quando necessário, 1 caloria = 4,18 Joules.

1) O que é o calor cedido (ou retirado) de um objeto?

2) Fale sobre os diversos processos de transmissão de calor: condução, convecção e radiação. Em especial, defina a emissividade e a condutividade térmicas.

3) Porque metais são bons condutores de calor?

4) Quais são os estados mais comuns em que uma substância pode estar na Terra? Quando ela passa de um estado para outro dizemos que ocorreu uma transição de fase. Defina os calores latentes associados às transições de fusão e de evaporação e dê valores dessas grandezas para algumas substâncias.

5) Defina a capacidade térmica de uma substância e dê valores para a água (líquida), para alguns metais e para algumas substâncias más condutoras de calor.

6) Se uma panela de alumínio com um litro de água atinge a fervura após 2 minutos qual a potência, em Watts, que o fogão a ela cedeu? Despreze, justificando, a capacidade térmica da panela.

7) Fale sobre a produção e a dissipação de calor no corpo humano.

8) Um corredor com 70 Kg de massa demorou 3 horas para correr a maratona, durante as quais o seu corpo produziu 600 watts de potência térmica. (a) Quantas calorias o corredor produziu? (b) Supondo que o calor produzido em parte resultou em um aumento médio da temperatura do corredor de 1 grau Celsius quantas calorias foram usadas para tal fim? (suponha que a capacidade térmica do corpo humano é igual à da água) (c) Supondo que o corredor suou 1 litro de água durante a prova e que toda ela se evaporou, quantas calorias foram dissipadas por este processo de transpiração? (d) Como foram dissipadas as calorias restantes ( (a)-(b)-(c) )?

9) Porque peles de animais de regiões frias, usadas como parte do vestuário, são boas isolantes térmicas?

10) O que é a pressão de um flúido num ponto? Qual a origem da pressão atmosférica?

11) Discuta o equilíbrio de um barco, mostrando num esquema aproximado a localização dos centros de gravidade e de empuxo. Quais as utilidades da quilha do barco?

12) O que são os fluxos turbulento e laminar de um flúido?

13) Relacione a pressão com a profundidade em um líquido parado cuja superfície está na pressão atmosférica. Relacione a velocidade com a altura para um fio de água que cai, de forma não-turbulenta, de uma torneira. Estas duas expressões acima podem ser generalizadas na equação de Bernouilli.

14) Se um cano tem diâmetro interno de 2 cm e o fluxo de água por ele é suficiente para encher um balde de 30 litros em 2 minutos (a) qual é o fluxo em litros/segundo e (b) qual a velocidade da água no cano? Não se esqueça de que um litro é igual a 10-3 m3

Em caso de dúvidas, me pergunte na sala de aula, na minha sala (Bloco A, 310, (21)2562-7732) ou me mande um e-mail (coelho@if.ufrj.br)!!!


Terceira lista de exercícios

Se necessário, use a carga do elétron e = 1,6x10-19 C e a massa do elétron m = 9,1x10-31 Kg .

1) Os objetos à nossa volta usualmente possuem carga elétrica total zero, embora possuam cargas positivas e negativas. Porque o atrito entre alguns objetos isolantes produz eletricidade estática? E se um destes objetos fosse condutor?

2) Em 48,5 gramas de NaCl temos 6,021023 moléculas (o número de Avogadro). Quando essa quantidade de sal de cozinha é misturada com água se dissolve e temos íons Na+ e Cl- com cargas +e e -e. (a) Porque isto ocorre? (b) Qual a carga positiva total dos íons Na+?

3) Numa TV colorida elétrons são acelerados por um potencial de 25 KV. Eles atingem três tipos de substâncias fluorescentes, cada uma das quais emite luz numa região diferente do espectro visível, resultando em pontos luminosos coloridos.Qual a energia cinética, em eV, dos elétrons quando colidem com a tela? Qual a sua velocidade? Supondo que a corrente do feixe de elétrons é de 10 mA e que 1% de toda a energia dos elétrons é convertida em luz visível, qual a potência desta luz (em watts)?

4) Escreva, explicando o significado dos diversos termos, (a) as leis de Snell-Descartes e (b) a lei que relaciona i, o e f para espelhos e lentes delgadas.

5) Descreva o funcionamento da visão humana. Explique (a) porque as imagens vistas em situações de pouca iluminação são pouco nítidas e porque, para um objeto ser visível, há (b) um tamanho mínimo e (c) uma distância mínima.

6) Qual a força que um objeto pontual com carga q sofre quando está submetido apenas a um campo elétrico E? E se estiver submetido apenas a um campo magnético B?

7) O que produz campos elétricos e magnéticos?

8) A contribuição de Maxwell, físico do século passado, às leis do eletromagnetismo foi a verificação de que campos elétricos variáveis no tempo produziam campos magnéticos. Maxwell também descobriu como calcular este efeito. Porque esta contribuição foi considerada tão importante que as leis passaram a ser chamadas as leis de Maxwell?

9) Descreva a formação de imagens coloridas na visão humana.

10) O que é o efeito Joule e quais as suas implicações para o desenho da parte externa de aparelhos elétricos?

11) Quais as grandezas necessárias para descrever a luz como uma onda (ou como a soma de vá-rias ondas)? E para descrever a luz como sendo formada por partículas?

12) Descreva alguns fenômenos elétricos e magnéticos que ocorram na Terra.

13) Quando envelhecemos aumenta o valor da distância mínima objeto-olho para que o objeto seja visível. Porque?

EM CASO DE QUALQUER DÚVIDA, ME PERGUNTE OU NA SALA DE AULA LOGO APÓS A AULA OU NA MINHA SALA (Bloco A, 310, (21)2562-7732) OU ME MANDE UM E-MAIL (coelho@if.ufrj.br)!!!


Links de Desenho Industrial

Artes Plásticas na Internet, excelente compilação de "sites" relativos às mais diversas artes plásticas, no Brasil e no resto do mundo.
Escola Superior de Desenho Industrial (É a escola pioneira em Desenho Industrial no Brasil e fornece uma lista muito útil de links.).
How Stuff Works (Explica como funcionam os objetos que nos rodeiam. é só colocar o nome (em inglês) do objeto ou do processo desejado no espaço para busca:

 
How Things Work (Mesmos objetivos e também com mecanismos de busca.)
The Bicycle and The Engineer(como funciona a bicicleta, design, história, etc)
Resumo da lista de links de Arte e Arquitetura da SCAD (Savannah College of Art and Design). Uma excelente lista com centenas de sites.
Photo.net (Informações gerais sobre a arte e a ciência da Fotografia)
efunda: Engineering Fundamentals (compilação sobre propriedades de materiais, conversões de unidades e fórmulas úteis)
A ciência dos fogos de artifício coloridos (em inglês)
Sites sobre a luz (uma lista de excelentes trabalhos sobre luz na arte, na roupa, na ciência, etc, feitos por estudantes!)
Light and Color (diversos textos, é parte de uma página maior Molecular Expressions: exploring the World of Optics and Microscopy com fotos fantásticas, desde objetos religiosos a bactérias.)


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