A Parte III trata da dinâmica. Ela aborda a questão geral, "Por que os corpos se movem da maneira como o fazem?" A discussão, naturalmente, conduz ao estudo de fôrça e massa e ao desenvolvimento de importantes assuntos, tais como, quantidade de movimento e energia.

Em geral, há duas maneiras de abordar um problema de dinâmica. Uma delas é um estudo detalhado, ponto por ponto, que pode ser chamado método diferencial. Êste estudo começa com uma situação inicial particular de posição, velocidade e campo de fôrça. O campo de força é utilizado para determinar a aceleração resultante, e o conhecimento da aceleração toma possível construir a trajetória, passo a passo. O segundo tratamento pode ser chamado método de integração. Êle ignora os detalhes da interação, e deduz algumas das características do estado final de um sistema dinâmico, aplicando as leis da conservação que relacionam as condições finais às condições iniciais.

A maior parte dos problemas de dinâmica, que são de interêsse frequente para um físico, pode ser melhor tratada por um processo de integração. É por esta razão que a Parte III põe em relêvo as leis da conservação. A estas leis foi dada muito mais ênfase, do que normalmente se dá em um curso secundário. As leis da conservação são de grande importância para os físicos contemporâneos. É importante que os alunos conheçam a sua origem, sua utilidade e a extensão de sua validade.

Por outro lado, apesar da percepção intuitiva que o aluno possa ter, êle associará sua familiaridade, na dinâmica com fôrça e movimento. Portanto, é natural que a dinâmica seja introduzida pelo processo da diferencial, passando-se, em seguida, ao estudo da utilidade das técnicas de integração.

Dentro dêste plano de trabalho, a Parte III começa, no Capítulo 20, com o desenvolvimento da lei de Newton, F = ma. O processo é parcialmente histórico, uma vez que os métodos desenvolvidos por Galileu e Newton, para resolver êsses problemas básicos, são o início da Física como nós a conhecemos. Há uma ampla oportunidade, no Capítulo 20, para desenvolver uma apreciação do método envolvido, e também para a compreensão física que surgiu dessa aplicação.

O Capítulo 21 trata de uma série de problemas dinâmicos, nos quais o campo de fôrça é particularmente simples e bem conhecido. No caso da fôrça gravitacional, a atenção é dirigida, principalmente, para o movimento na superfície da Terra, onde a fôrça pode ser considerada constante. Próximo ao fim do capítulo, uma evidência que mostra que a fôrça gravitacional diminui com o aumento da distância é introduzida. Isto conduz ao Capítulo 22, onde a solução do principal problema do movimento planetário é desenvolvida num contexto histórico.

Os quatro capítulos restantes da Parte III desenvolvem duas importantes leis da conservação na mecânica, conservação da quantidade de movimento e conservação da energia. O Capítulo 23 estabelece, a partir da experiência, a conservação da quantidade de movimento, assim desenvolve-a como uma nova lei física, não como uma consequência da "segunda" e "terceira" leis de Newton, como é feito frequentemente. De fato, até o ponto em que a lei da conservação da quantidade de movimento é introduzida, a terceira lei de Newton ainda não foi dada. É importante que o tratamento dêste assunto esteja consistente com estas considerações. A mistura dessas duas possíveis apresentações poderá causar maior confusão aos alunos. A validade da conservação da quantidade de movimento, como tôdas as outras leis físicas previamente estabelecidas, está baseada na síntese de um grande número de observações experimentais.

Os últimos três capítulos da Parte III propiciam um amplo tratamento do conceito de energia. Êstes capítulos diferem profundamente dos desenvolvimentos, normalmente dados em muitos cursos de iniciação. Por esta razão, vale a pena discutir, rapidamente, o modo como a energia é desenvolvida nesses capítulos.
Importância do Conceito de Energia. A aplicação da lei da conservação de energia é um poderoso método para resolver uma enorme gama de problemas, uma vez que a energia é um dos conceitos básicos da Física. Portanto, para o aluno é importante entender, tanto a energia como a sua conservação.
Omissão de uma Definição. O texto não faz tentativas para dar uma definição curta e especifica de energia. Isto nada significa! Ao invés de começar com uma definição, uma melhor compreensão e apreciação eventual do significado da idéia de energia pode ser obtida, através do entendimento de como o conceito de energia é aplicável a muitos fenômenos. Prosseguindo em tais desenvolvimentos, o texto apresenta as seguintes idéias:

O têrmo energia é aplicado a uma grande variedade de características do movimento e posição relativa da matéria. Um têrmo único é usado, porque essas grandes variedades de características estão tôdas ligadas por uma única lei de conservação. A fim de dar ênfase à extensão do conceito de energia, e insistir na conservação de energia, o texto propositadamente evita uma definição superficial de energia, tal como "a capacidade de fazer trabalho". Em lugar disso, várias formas de energia são introduzidas, e a conversibilidade de energia de uma forma a outra é discutida. O conceito de trabalho é entendido como uma maneira de transferir energia. O trabalho é definido como uma quantidade básica; é, então, possível formular uma descrição quantitativa de muitas formas de energia, partindo de uma quantidade de trabalho feito para produzi-las.

Plano de Ataque. A estratégia do texto é introduzir as três formas de energia que aparecem: cinética, potencial e térmica. Com estas três formas, é possível discutir a transferência de energia de uma forma para outra, demonstrando que a energia total é sempre conservada.

Exemplos Ilustrativos. Exemplos podem ilustrar várias dificuldades que surgirão, se a
energia fôr simplesmente definida como "a capacidade de realizar trabalho".

Considere uma bola de basebol, movendo-se horizontalmente com uma velocidade, v. Relativamente à Terra, ela tem uma energia cinética de 1/'2 mv2. Porém, relativamente a um observador num trem em movimento, ela tem uma energia cinética diferente. Portanto, a quantidade de trabalho, que a bola de basebol pode produzir depende de que ela transfira trabalho sôbre alguma coisa na terra ou no trem.

Se a bola fôsse lançada horizontalmente do alto de um patamar, uma pessoa em baixo dêsse patamar diria que a bola tem tanto energia cinética como potencial. Por isso, a capacidade da bola de realizar trabalho não depende unicamente da velocidade horizontal, mas também da altura (ou profundidade) do sistema em que o trabalho é considerado. (Se o homem cavasse um buraco na base do patamar, obteria da bola mais trabalho).

A fim de complicar ainda mais a situação, pode-se levar a bola ao fogo, após haver ela atingido o solo. Pode-se, então, efetuar trabalho, fazendo funcionar uma máquina térmica com o calor obtido pelo desprendimento da energia química. A medição da energia da bola pela sua capacidade de fazer trabalho exige que se mencione, agora, não somente sua velocidade horizontal e altura, mas ainda o seu conteúdo em calor. Além disso, a menos que a temperatura dos gases eliminados pelo escapamento esteja no zero absoluto, nem tôda a energia térmica pode ser recuperada como trabalho; uma parte dêsse calor será eliminada pelo escapamento.

Como um exemplo final, a substância da bola poderia ser aniquilada pela antimatéria, liberando, assim, energia em forma de radiação.

A partir dêsses breves exemplos das várias formas de manifestação da energia, é evidente que uma simples definição não pode dar um sentido adequado à verdadeira amplitude do conceito. O importante é desenvolver alguma vivência para a ampla utilidade da lei da conservação, ao tratar uma grande variedade de aspectos diferentes daquilo que chamamos energia. Se você fornecer aos alunos alguma apreciação dessas idéias, êles terão algo mais convincente do que uma embalagem perfeita, mas incompleta, da definição de cinco palavras.


MATERIAIS RELATIVOS À PARTE III

Laboratório. Como as outras partes do curso, as experiências para a Parte III são entendidas como responsáveis por uma parte significativa do aprendizado. Um bom planejamento e uso do laboratório não somente contribuirão para uma maior compreensão dos vários princípios e suas aplicações, mas para uma melhor percepção de como os princípios são deduzidos das experiências. As Notas de Laboratório, no fim dêste volume, incluem recomendações sôbre o planejamento e a orientação de cada uma das experiências e respostas às questões do Guia de Laboratório dos alunos.
Filmes. Os filmes do PSSC, apropriados para cada capítulo, são descritos nos resumos dos capítulos dêste Guia. Os filmes relativos à Parte III do curso são mencionados abaixo, com breves comentários sôbre possíveis planejamentos.

"Forces" é uma introdução geral à mecânica. Êste filme pode ser apresentado na primeira aula sôbre a Parte III.

"Inertia" e "Inertial Mass" são filmes correlacionados que mostram a experiência básica da lei de Newton, com um aparelho aproximadamente ideal (sem atrito). "lnertia" está relacionado às Seções 1-4 do Capítulo 20. "Inertial Mass" está relacionado às Seções 5 e 6. Provàvelmente, êstes filmes serão melhor utilizados como uma discussão básica de classe, após os alunos terem concluído as Experiências III-2, 3 e 4, no laboratório.

"Falling Bodies" mostra a proporcionalidade entre as massas gravitacional e inercial. O filme pode ser utilizado nas Seções 2, 3 e 4 do Capítulo 21.

"Deflecting Forces" evidencia a validade da lei de Newton, na sua forma vetorial, por meio de uma análise do movimento circular. Êste filme está relacionado com a Seção 5 do Capítulo 21.

"Periodic Motion" analisa as experiências que demonstram a relação entre fôrça e distância e o período de um movimento harmônico simples. Êste filme pode ser utilizado com a Seção 8 do Capítulo 21.

"Frames of Reference" demonstra como diferentes sistemas de referências conduzem a diferentes descrições do movimento, e como uma escolha apropriada do sistema de referência simplifica os problemas de dinâmica. Pode ser usado, proficuamente, nas Seções 9, 10 e 11 do Capítulo 21.

"Universal Gravitation" reconstrói, baseando-se na lógica, a lei da gravitação universal, pela imaginação de como a lei poderia ter sido descoberta num planêta, em outro sistema solar que possuísse somente êsse planêta. Êste filme está bastante relacionado às Seções 6, 7 e 8 do Capítulo 22.

"Elliptic Orbits" utiliza a lei das áreas de Kepler, para mostrar que uma lei de fôrça do inverso do quadrado decorre de uma órbita elíptica. Pode ser exibido juntamente com a discussão das Seções 7 e 8 do Capítulo 22.

"Energy and Work" explora a relação entre trabalho e energia cinética, conduzindo no final à energia térmica. Dependendo da discussão em classe, desenvolvida em tôrno do filme, êste pode ser utilizado em vários pontos dos Capítulos 24 e 25.

"Mechanical and Thermal Energy" utiliza modelos e experiências para mostrar a interconexão entre energia de movimento como um todo e energia térmica de movimento desordenado. É melhor planejar êste filme com as Seções de 3 a 7, do Capítulo 26.

"Conservation of Energy" ilustra a conservação da energia, pelos vestígios da variação de energia na atividade da planta. Êste filme pode ser utilizado com as últimas seções do Capítulo 26.

Série Estudos de Ciências. Os títulos mais recomendados, que tratam dos assuntos relativos à Parte 1II do curso, são:

The Universe at Large, Herman Bondi;
The Birth of a New Physics, I. Bernard Cohen;
The Watershed, Arther Koestler.

Livros sôbre gravidade, cosmologia, relatividade geral, relatividade especial, movimento dos satélites e inúmeros outros assuntos sôbre a Parte III estão sendo planejados.


PLANEJAMENTO DA PARTE III

Dois possíveis planejamentos para a Parte III estão indicados na tabela abaixo. O planejamento de nove semanas é entendido como um guia aproximado para aquêles que programaram um curso de 36 semanas. O planejamento de 15 semanas indica como se pode distribuir, eficazmente, um tempo adicional, bem como dispor de um guia para um curso de três semestres.