A Física é uma ciência experimental! Embora absolutamente correta, a afirmação dessa frase costuma ser ignorada, principalmente no ensino médio.
O resultado de uma medição tem sempre uma incerteza e essa deve, necessariamente, fazer parte da medida. A busca por precisões cada vez maiores é uma característica marcante da ciência moderna, que tem alcançado sucessos retumbantes. Com incertezas cada vez menores, muitas vezes o resultado de uma medida se torna incompatível com a teoria vigente. Nesse caso, é a teoria que deverá ser modificada, aprimorada ou mesmo abandonada, e não o experimento.
O funcionamento do GPS demanda uma alta precisão na medição de tempos. Nesta palestra, a medida do período de um pêndulo serve como exemplo de como se pode avaliar a incerteza e de como se pode aumentar a precisão.
Relógios Atômicos são pêndulos de período muito curto, que permitem a alta precisão necessária. Cada satélite do sistema GPS carrega um sofisticado relógio atômico, sendo que todos eles se encontram sincronizados entre si. Contudo, o relógio ordinário que se encontra num aparelho GPS não é um relógio atômico, já que ele precisa ser sincronizado com os dos satélites, na hora da medição.
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Resenha
Prof. Dr. Paulo Murilo Castro de Oliveira
Docente e pesquisador no Instituto de Física da UFF, Universidade Federal Fluminense, o Prof. Dr. Paulo Murilo de Castro Oliveira foi o convidado de mais uma edição do programa Ciência às 19 horas, que decorreu no dia 09 de abril, no Auditório Prof. Sérgio Mascarenhas (IFSC).
Desta vez, o público presente a esta palestra teve a oportunidade de entender um pouco melhor de que forma é que funciona o famoso GPS, bem como as características do pêndulo e a importância e as particularidades dos relógios atômicos que integram os satélites do sistema GPS, que se encontram altamente sincronizados entre si.
Contudo – e por muito bem sincronizados que estejam esses relógios atômicos -, existem sempre incertezas que estão relacionadas aos resultados de uma medição, por mais precisa que ela possa parecer. Na sua palestra, Paulo Oliveira explicou, com relativa simplicidade, que existem, de fato, dois tipos fundamentais de incertezas, ou de erros, se quisermos chamar assim: os primeiros são os erros sistemáticos, como, por exemplo, aqueles que são derivados de instrumentos que estão mal calibrados, e os segundos – os erros naturais aleatórios -, como, por exemplo, quando se mede a mesma coisa várias vezes seguidas, obtendo-se, de cada vez, um resultado diferente, mesmo que essa medida tenha sido realizada com um equipamento altamente calibrado, dentro de uma determinada faixa, como explicou o pesquisador: Por exemplo, se você medir um determinado tempo com um cronômetro vulgar, daqueles de mão, seja ele analógico ou digital, você terá que considerar o seu tempo de reação, ou seja, o tempo que o seu dedo pressiona o botão do cronômetro, quer para ligá-lo, quer para desligá-lo: se você fizer isso várias vezes, os tempos medidos nunca serão iguais. E isso ocorre não só por causa do tempo de reação humana, como também devido ao próprio aparelho, já que o instrumento também tem um determinado tempo de reação mecânica.
E é aqui que se entra no aspecto relativo à medida do período de tempo de um pêndulo, já que ele pode avaliar a incerteza de uma medição, pois a partir dessa realidade pode-se aumentar a precisão. Por exemplo, se pretendermos medir um intervalo de tempo de 10 dias, podemos fazer essa medição através do número de vezes que o Sol rodar durante esse período: isso dá o número 10. Contudo, aí tem uma incerteza, no valor de 1 dia, já que pode acontecer que essa medição possa ter começado em determinada hora e tenha terminado em outra determinada hora. Desta forma, quando referimos 10 dias, esse tempo pode ser para mais ou para menos, o que não acontece quando esse número é muito maior, como explica o docente da UFF: Se eu usar o Sol para medir um período de mil dias, a incerteza é a mesma, ou seja, de um dia, só que incide num total de mil dias: então, percentualmente, essa incerteza é muito menor?.
Na verdade, quando se mede um tempo existe a necessidade de se ter – ou utilizar algo que nos dê uma periodicidade certa (algo periódico), como um pêndulo ou um relógio normal. No fundo, o que se faz é medir quantas oscilações é que ocorrem quando se pretende medir um determinado período de tempo e, se esse número for enorme, o erro será mais ou menos correspondente a uma oscilação: se o período do instrumento for muito pequeno, aí o erro percentual será mínimo. E é devido a estes fatores que se utilizam relógios atômicos nos satélites do sistema GPS, porque o período dos seus osciladores é muito pequeno.
A complexidade do sistema GPS
Os satélites com sistemas GPS carregam, como já foi dito acima, relógios atômicos e todos eles estão sincronizados entre si. Contudo, os aparelhos GPS apenas possuem relógios normais, comuns, o que gera alguma confusão para o público leigo: então, como é que se processa o diálogo, a conversa entre o GPS, o satélite e o relógio atômico, por forma a se obter a medição correta, ou seja, a se obter, no aparelho GPS, a medição certa sobre determinado ponto – um endereço, por exemplo? Para o Prof. Paulo Oliveira, essa questão desagua naquilo que ele chama de ideia genial de quem desenvolveu o sistema GPS. De fato, para se localizar um determinado ponto é necessário ter três referências: ?Se você tiver três satélites, consegue localizar com precisão um determinado ponto na superfície terrestre; mas, para isso acontecer, esses três satélites terão que ter seus relógios atômicos sincronizados entre si, que, por sua vez, deverão estar sincronizados com o relógio normal que se encontra instalado no aparelho GPS. Contudo, esses três relógios atômicos não conseguem ficar sincronizados com o relógio normal, porque este último está atrasado ou adiantado em relação aos primeiros. Então, como é que você acerta o relógio do GPS? Em vez de três satélites, você usa quatro satélites, ficando um deles sempre de reserva. Assim, você poderá usar os satélites 1,2 e 3, ou o 2,3 e 4, o 1,3 e 4, ou ainda o 1,2 e 4, deixando sempre um dos satélites de fora. Aí, você tem sempre quatro trincas possíveis. O aparelho indica os quatro pontos e calibra sua hora atual, para mais ou para menos, até o momento em que esses quatro pontos coincidam num único local. Quando isso acontecer, você acerta o relógio do GPS e é nesse momento que ele ficará sincronizado com os relógios atômicos dos satélites, dando, por esse motivo, a localização certa de onde você está?, explica o pesquisador.
No futuro, se houver a necessidade de se medirem períodos de tempo ainda com mais precisão do que acontece atualmente, poder-se-á utilizar uma radiação com período ainda mais curto. Assim, em vez de relógios atômicos com radiação Césio, que é a que se usa atualmente, poderá ser implementada uma radiação de nível nuclear, já que ela proporciona um período muito menor. Contudo – e por enquanto -, a precisão oferecida pelos atuais relógios atômicos é mais que suficiente para responder às necessidades tecnológicas de nossa sociedade.
Física: uma ciência experimental ignorada pelo ensino médio brasileiro
No resumo da palestra do Prof. Dr. Paulo Oliveira, estava uma afirmação algo contundente: o pesquisador afirmava que A Física é uma ciência experimental que é ignorada no ensino médio. Quisemos saber se o pesquisador se referia ao fato dos alunos do ensino médio apenas terem a oportunidade (obrigação) de deglutir milhares de páginas de livros e de não poderem aplicar aquilo que aprendem na teoria, já que mais de 90% das escolas brasileiras não possuem laboratórios. Para o pesquisador, esse é um dos motivos de sua afirmação, mas não só. Para Paulo Oliveira, – e talvez como consequência disso -, a mentalidade dominante é que a Física e a Matemática são a mesma coisa, já que o que é transmitido ao estudante é que Física é ele saber fazer contas, equações e decifrar fórmulas: Não é! Mas, infelizmente, é assim que acontece no ensino médio, no Brasil, concluiu nosso entrevistado.
Como funciona o GPS? E o pêndulo?
