Forças Fundamentais

Mestre em Oceanografia Física (USP, 2019)
Graduada em Física (UFABC, 2016)

Publicado em 21/01/2022
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Todos os fenômenos físicos podem ser explicados por interações entre as partículas, ou seja, podem ser explicados por forças. Uma força (ou interação) é dita fundamental quando não pode ser explicada por nenhuma outra força mais fundamental que ela. Muitas vezes é encontrado o termo interações fundamentais ao invés de forças fundamentais. Isso ocorre porque quando observamos um fenômeno a partir de suas unidades microscópicas estamos observando a ação mútua entre dois corpos ou duas partículas.

Quando um fenômeno observado é descrito macroscopicamente, ele pode ser explicado por uma infinidade de forças distintas, por exemplo, força elétrica, força de atrito, força elástica, etc.

Porém, quando o fenômeno observado é descrito a partir de suas unidades microscópicas (prótons, nêutrons, elétrons, etc.) ele passa a ser descrito apenas por quatro forças (ou interações) fundamentais: força gravitacional, força nuclear fraca, força nuclear forte e força eletromagnética. A Tabela 1 mostra detalhes sobre essas quatro forças:

Força (ou interação) Fundamental Intensidade Mediador
Nuclear Forte 1 Glúon
Eletromagnética 10-2 Fóton
Nuclear Fraca 10-14 Bósons (W± e Z0)
Gravitacional 10-37 Gráviton

Tabela 1: Descrição das Forças (ou interações) Fundamentais.

Cada uma dessas forças apresenta diferentes intensidades, diferentes alcances, diferentes mediadores e diferentes partículas que experimentam essas forças.

Força Gravitacional

A Força Gravitacional é a mais fraca dentre as quatro forças fundamentais. Ela é sempre atrativa e age a grandes distâncias, sendo que sua ação pode se prolongar por toda galáxia. Essa força atua sobre qualquer corpo com massa. Essa interação entre corpos com massa é realizada pelos grávitons (partícula hipotética que seria responsável pela transmissão da força da gravidade).

A Força Gravitacional foi descrita por Isaac Newton pela seguinte expressão:

Onde Fg é a Força Gravitacional Newtoniana, G é a chamada constante gravitacional (G = 6,67.10-11.m3.kg-1.s-2), M e m são as massas dos corpos estudados e d é a distância entre esses corpos.

Apesar de ser uma força fraca ela é muito importante, pois é responsável, por exemplo, pelo peso dos corpos, por manter os planetas orbitando ao redor do sol e por manter luas orbitando ao redor de planetas.

Força Eletromagnética

A Força Eletromagnética descreve os fenômenos elétricos e magnéticos. Ela é a segunda força mais forte entre as quatro forças fundamentais, pode ser atrativa ou repulsiva e, assim como a força gravitacional, ela é uma força de longo alcance. Essa força atua sobre corpos com cargas elétricas e essa interação é mediada por fótons.

Essa força é expressa pela Lei de Lorentz, e é composta por uma força elétrica (atrativa ou repulsiva) e por uma força magnética (força defletora, nem atrativa e nem repulsiva):

Onde: q e Q são cargas elétricas, é o campo elétrico, é a velocidade com que a partícula se move, é o campo magnético, d é distância entre as cargas e k0 é a constante eletrostática no vácuo (k0 = 9.109 N.m².C-2).

A Força eletromagnética é a responsável, por exemplo, por segurar os elétrons em suas órbitas nos átomos e, ela controla a emissão e absorção de luz (mudança nível energético ou aceleração de partícula).

Força Nuclear Forte

A Força Nuclear Forte é a mais forte entre as quatro forças fundamentais e tem a função de manter o núcleo atômico coeso, ou seja, é ela quem evita que o núcleo atômico se separe devido à grande repulsão entre os prótons.

Essa força é de curto alcance e age nas partículas mantendo os quarks (partículas elementares) unidos nos prótons e nêutrons presentes nos núcleos atômicos. Essa mediação é realizada pelos glúons (partículas fundamentais sem carga).

Apesar de essa força atuar apenas na região do núcleo ela é de extrema importância, pois, sem ela não existiria estabilidade nuclear, ou seja, não existiria a matéria como conhecemos e, por consequência, não existira o Universo e os seres humanos não poderiam existir.

Força Nuclear Fraca

A Força Nuclear Fraca é força responsável por separar partículas. Seu alcance é curto, ou seja, está limitado a distâncias subatômicas e, diferente da força Nuclear Forte, ela age nos quarks e nos léptons (partícula subatômica), sendo que a mediação entre as partículas é realizada por bósons W e Z, partículas mais pesadas.

Essa força é a responsável por explicar o decaimento radioativo, por exemplo, decaimento β e o decaimento de várias outras partículas incomuns.

Referências

Grupo de Ensino de Física. Qual a diferença entre Força e Interação. Disponível em: <https://www.ufsm.br/cursos/graduacao/santa-maria/fisica/2020/02/20/qual-a-diferenca-entre-forca-e-interacao/>. Acessado em: 18/11/2021. Publicado em 20/02/2020 e atualizado em 19/07/2020.

THOMAS, Gilberto L. As Quatro Forças Fundamentais da Natureza. Métodos Computacionais para Licenciatura, Instituto de Física UFRGS, 2003. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20032/Humberto/index.html>. Acessado em: 18/22/2021.

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