Leis de Conservação I

Lavoisier afirmou que “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.”, em referência à Lei da Conservação da Massa (ou Lei de Lavoisier*). Por outras palavras, colocando uma certa massa sobre uma balança, o seu peso será invariável independentemente do que se fizer com a massa, nomeadamente reacções químicas (assumindo que as condições gravíticas não variam, e a balança não varia a sua inércia, ou seja, em condições tais que a medição do peso não varie, claro).

Antoine Lavoisier, o pai da química moderna.

Como suponho que saibam, Lavoisier estava errado, porque, segundo Einstein, massa e energia são a mesma coisa e é possível transformar uma na outra, podendo haver perdas de massa na transformação (basta notar que se a massa sofrer uma transformação tal que a leve a emitir luz, estar-se-á a perder massa, pois a luz – fotões – não tem massa, mas tem energia).

Chegamos assim à primeira Lei de Conservação que quero apresentar neste artigo e que creio que é a mais conhecida de toda a gente: Lei da Conservação da Energia, também conhecida como a Primeira Lei da Termodinâmica.

A questão mais vezes levantada sobre esta Lei é a seguinte: “como se pode falar de conservação de energia, se só se conhecem máquinas que dissipam energia?” A resposta é simples: a conservação da energia dá-se considerando a soma da energia usada para a máquina trabalhar, com a energia que esta dissipou. Por outras palavras, se uma máquina consome X de energia, mas só converte Y dessa energia em “trabalho útil”, então pode-se deduzir que dissipa Z=X-Y (em calor, barulho, etc.).

Sempre que se pensou que se tinha encontrado uma excepção à lei, tal simplesmente se deveu ao facto de não se estar a considerar todo o sistema, isto porque a lei aplica-se a sistemas isolados. O melhor exemplo que temos de um sistema isolado é o próprio universo, visto que este contém “tudo”.

A segunda lei de conservação que quero aqui referir é a Lei da Conservação do Momento Linear. O momento linear é uma grandeza física que traduz o produto da massa com a velocidade de um corpo – esta grandeza é invariante no tempo, (novamente para sistemas isolados, claro). Trata-se de uma consequência da terceira Lei de Newton, a lei da acção-reacção. Esta lei diz-nos que quando se aplica uma força sobre qualquer coisa, essa qualquer coisa reage com igual força. Por exemplo, quando estamos sentados numa cadeira (sem ter os pés apoiados no chão, para simplificar), aplicamos uma força igual ao nosso peso sobre a cadeira, a qual reage com igual força, para nos suster sobre ela. Por sua vez a cadeira aplica uma força igual ao seu peso mais a do nosso corpo sobre o chão, que aplica igual força sobre a cadeira (caso contrário a cadeira “furava” o chão).

(Na verdade, é mais correcto afirmar que a terceira Lei de Newton é que é uma consequência da Lei da Conservação do Momento Linear. A relação entre as duas leis é fácil de obter matematicamente, pois a força “total” (no sistema) é igual à derivada do momento linear em ordem ao tempo. Assim, como a força de acção é igual à força de reacção, o somatório das forças é nula, logo a derivada do momento linear é nulo, o que implica que o momento linear seja constante no tempo.)

É a aplicação desta lei que permite que uma nave espacial consiga acelerar no espaço vazio. Considere-se que uma nave espacial vai pelo espaço a uma determinada velocidade. Se a dada altura expulsar para trás uma dada quantidade de combustível, isso implica que a nave tenha que acelerar, de modo tal que a quantidade “velocidade x massa”  (do sistema nave+combustível) continue constante (deixo os detalhes matemáticos para vós; não se esqueçam que a velocidade é um vector e como tal terá sinais diferentes para sentidos de movimento diferentes). Por outras palavras, se considerarem que a expulsão do combustível da nave é na verdade uma quantidade “negativa” de momento linear (por ter um movimento em sentido contrário ao da nave), então a velocidade da nave tem que aumentar, de forma a que o momento linear da nave aumente e assim “compense” o momento linear “negativo” do combustível, para que o momento linear total continue constante.

Mecanismo elucidativo da conservação do momento linear.

(O dispositivo acaba por parar, pois há dissipação de energia devido à resistência do ar.)

*Na verdade não foi Lavoisier o primeiro a introduzir a Lei da Conservação da Massa, foi sim Mikhail Lomonosov, no entanto, foi Lavoisier a torná-la conhecida de todos. (Já no século XVIII começava a surgir a tradição de haver um russo a publicar uma dada ideia anos antes daquele que supostamente a inventou no mundo ocidental! Refiro-me a uma “piada” comum entre físicos sobre o receio destes de encontrar algum russo numa conferência, em que este alegue já ter publicado a ideia que o físico ocidental está nesta conferência a apresentar como sua e como sendo original – é uma “piada” que já aconteceu algumas vezes, segundo se comenta no mundo científico e que é consequência do facto de os russos terem durante muito tempo se fechado um pouco ao mundo, publicando a sua Ciência exclusivamente em russo.)

1 – Explica por palavras tuas a Primeira Lei de Newton do Movimento. 2 – !

3 – Kajsad kjsadj as faf va lopa. 4 – Adoro “lacunas” (ambiguidades). 

Na segunda parte irei falar da Lei da Conservação do Momento Angular e da Lei da Conservação da Carga.