Série Física

(Parte 1 de 2)

Engenharia 2ª Série Física I

A atividade prática supervisionada (ATPS) é um método de ensinoaprendizagem desenvolvido por meio de um conjunto de atividades programadas e supervisionadas e que tem por objetivos:

Favorecer a aprendizagem. Estimular a corresponsabilidade do aluno pelo aprendizado eficiente e eficaz. Promover o estudo, a convivência e o trabalho em grupo. Desenvolver os estudos independentes, sistemáticos e o autoaprendizado. Oferecer diferenciados ambientes de aprendizagem. Auxiliar no desenvolvimento das competências requeridas pelas Diretrizes Curriculares Nacionais dos Cursos de Graduação. Promover a aplicação da teoria e conceitos para a solução de problemas relativos à profissão. Direcionar o estudante para a emancipação intelectual.

Para atingir estes objetivos, as atividades foram organizadas na forma de um desafio, que será solucionado por etapas ao longo do semestre letivo.

Participar ativamente deste desafio é essencial para o desenvolvimento das competências e habilidades requeridas na sua atuação no mercado de trabalho.

Aproveite esta oportunidade de estudar e aprender com desafios da vida profissional.

AUTOR: Adriana de Oliveira Delgado – Faculdade Anhanguera de Sorocaba

Engenharia – 2ª Série – Física I

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Ao concluir as etapas propostas neste desafio, você terá desenvolvido as competências e habilidades descritas a seguir.

Aplicar conhecimentos matemáticos, científicos, tecnológicos e instrumentais à Engenharia. Comunicar-se eficientemente nas formas escrita, oral e gráfica. Avaliar o impacto das atividades da Engenharia no contexto social e ambiental. Atuar em equipes multidisciplinares.

O desafio será aplicar os conhecimentos da disciplina de Física I para estudar o movimento de alguns feixes de partículas do acelerador LHC, do laboratório CERN, próximo a Genebra, na Suíça. Ao final do desafio, os alunos deverão entregar um memorial descritivo dos cálculos envolvendo os processos de aceleração e colisão das partículas do feixe. Ao longo do desenvolvimento do desafio os alunos deverão utilizar o conhecimento desenvolvido pelo professor em sala de aula para examinar um caso real, onde o sucesso do experimento depende dos cálculos teóricos previamente efetuados.

Além disso, por se tratar de um sistema de pequenas massas e altas velocidades, os alunos deverão trabalhar utilizando a notação científica, buscando facilitar os cálculos e adquirindo maior habilidade na matemática aplicada aos sistemas reais.

Em um determinado momento do desafio, eles ainda deverão analisar criticamente os limites de validade da teoria clássica da mecânica, comparando, através do erro relativo percentual, a aproximação clássica com os resultados relativísticos.

O Maior acelerador do mundo

O Grande Colisor de Hádrons (em inglês: Large Hadron Collider - LHC) do CERN

(Organização Européia para Pesquisa Nuclear), é o maior acelerador de partículas e o de maior energia existente do mundo. Ele está situado em Genebra, cortando a fronteira entre a Suíça e a França, e está sendo utilizado pelos físicos para estudar as menores partículas conhecidas - os blocos fundamentais de todas as coisas. Com isso, os cientistas pretendem revolucionar a nossa compreensão, desde o minúsculo mundo existente dentro átomos até a vastidão do Universo.

Durante os experimentos no LHC, dois feixes de partículas viajam em direções opostas dentro de um anel acelerador circular, ganhando energia a cada volta. Quando esses feixes de altíssima energia colidem, são recriadas, dentro do acelerador, as condições do momento imediatamente após o Big Bang, que foi a grande explosão que originou o Universo. Equipes de físicos de todo o mundo analisam os dados experimentais obtidos com uma grande variedade de detectores e procuram responder as questões fundamentais sobre as leis da natureza.

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O anel acelerador localiza-se em um túnel de 27 km de comprimento, situado a mais de 100 metros de profundidade. Ele é composto por imãs supercondutores e uma série de estruturas aceleradoras, usadas para impulsionar as partículas ao longo do caminho, aumentando sua energia. Para que os imãs consigam trabalhar adequadamente, eles precisam ser refrigerados a uma temperatura de -271 ° C, que é mais fria que o próprio espaço sideral!

Traduzido e Adaptado de http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/lhc-en.html.

Com dimensões gigantescas e temperaturas extremas, operar o LHC é um desafio para físicos e engenheiros. Para que as partículas circulem através do anel obtendo a energia desejada, é necessário que os cálculos teóricos efetuados pelos físicos sejam aplicados na prática às peças, aos sistemas de controle e sistemas de refrigeração desenvolvidos pelos engenheiros.

Além disso, o LHC acelera as partículas do feixe a velocidades extremamente altas, que podem chegar a 9,9% da velocidade da luz. Sob tais velocidades, o sistema LHC deve ser estudado sob o ponto de vista relativístico (Teoria da Relatividade, proposta por Einstein em 1905). Porém, para cumprir nosso objetivo didático, vamos assumir que os cálculos podem ser realizados usando a mecânica clássica (Leis de Newton, desenvolvidas em 1687), que é uma boa aproximação até um certo limite de velocidades do feixe de partículas.

Figura 1: Vista aérea da região onde se localiza o acelerador LHC, pertencente ao laboratório CERN, com a indicação de onde se situam os anéis aceleradores dos feixes de partículas. Os pontos e as siglas indicam posições onde estão dispostos detectores e sistemas de análise da colisão entre os feixes acelerados.

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Figura 2: Detector ATLAS no LHC. Observe a dimensão do cientista comparada à dimensão do detector, que possui 46 m de comprimento, 25 m de altura, 25 m de largura