Homogeneidade (física) - Homogeneity (physics)
Na física, um material ou sistema homogêneo tem as mesmas propriedades em todos os pontos; é uniforme sem irregularidades. Um campo elétrico uniforme (que tem a mesma força e a mesma direção em cada ponto) seria compatível com a homogeneidade (todos os pontos experimentam a mesma física). Um material construído com diferentes constituintes pode ser descrito como efetivamente homogêneo no domínio dos materiais eletromagnéticos , ao interagir com um campo de radiação direcionado (luz, frequências de microondas, etc.).
Matematicamente, homogeneidade tem a conotação de invariância , já que todos os componentes da equação têm o mesmo grau de valor, independentemente de cada um desses componentes ser escalado para valores diferentes, por exemplo, por multiplicação ou adição. A distribuição cumulativa se encaixa nessa descrição. "O estado de ter função ou valores de distribuição cumulativa idênticos".
Contexto
A definição de homogêneo depende fortemente do contexto usado. Por exemplo, um material compósito é feito de diferentes materiais individuais, conhecidos como " constituintes " do material, mas pode ser definido como um material homogêneo quando atribuído a uma função. Por exemplo, o asfalto pavimenta nossas estradas, mas é um material composto que consiste em aglutinante de asfalto e agregado mineral, e então disposto em camadas e compactado. No entanto, a homogeneidade dos materiais não significa necessariamente isotropia . No exemplo anterior, um material compósito pode não ser isotrópico.
Em outro contexto, um material não é homogêneo na medida em que é composto de átomos e moléculas . No entanto, no nível normal de nosso mundo cotidiano, um painel de vidro ou uma folha de metal é descrito como vidro ou aço inoxidável. Em outras palavras, cada um deles é descrito como um material homogêneo.
Algumas outras instâncias de contexto são: Homogeneidade dimensional (veja abaixo) é a qualidade de uma equação com quantidades das mesmas unidades em ambos os lados; Homogeneidade (no espaço) implica conservação de momento ; e homogeneidade no tempo implica conservação de energia .
Liga homogênea
No contexto de metais compostos é uma liga. Uma mistura de um metal com um ou mais materiais metálicos ou não metálicos é uma liga. Os componentes de uma liga não combinam quimicamente, mas, ao contrário, são misturados de maneira muito fina. Uma liga pode ser homogênea ou pode conter pequenas partículas de componentes que podem ser vistos com um microscópio. O latão é um exemplo de liga, sendo uma mistura homogênea de cobre e zinco. Outro exemplo é o aço, que é uma liga de ferro com carbono e possivelmente outros metais. O objetivo da liga é produzir as propriedades desejadas em um metal que naturalmente não as possui. O latão, por exemplo, é mais duro do que o cobre e tem uma cor mais dourada. O aço é mais duro do que o ferro e pode até ser resistente à ferrugem (aço inoxidável).
Cosmologia homogênea
A homogeneidade, em outro contexto, desempenha um papel na cosmologia . Da perspectiva da cosmologia do século 19 (e antes), o universo era infinito , imutável, homogêneo e, portanto, cheio de estrelas . No entanto, o astrônomo alemão Heinrich Olbers afirmou que se isso fosse verdade, então todo o céu noturno estaria cheio de luz e brilhante como o dia; isso é conhecido como paradoxo de Olbers . Olbers apresentou um artigo técnico em 1826 que tentava responder a esse enigma. A premissa falha, desconhecida na época de Olbers, era que o universo não é infinito, estático e homogêneo. A cosmologia do Big Bang substituiu esse modelo ( universo em expansão, finito e não homogêneo ). No entanto, os astrônomos modernos fornecem explicações razoáveis para responder a essa pergunta. Uma das várias explicações é que estrelas e galáxias distantes são deslocadas para o vermelho , o que enfraquece sua luz aparente e torna o céu noturno escuro. No entanto, o enfraquecimento não é suficiente para realmente explicar o paradoxo de Olbers. Muitos cosmologistas pensam que o fato de o Universo ser finito no tempo, ou seja, o Universo não existir desde sempre, é a solução para o paradoxo. O fato de o céu noturno estar escuro é, portanto, uma indicação do Big Bang.
Invariância de tradução
Por tradução invariância, um meio independência da posição (absoluta), especialmente quando se refere a uma lei da física, ou para a evolução de um sistema físico.
As leis fundamentais da física não deveriam (explicitamente) depender da posição no espaço. Isso os tornaria totalmente inúteis. Em certo sentido, isso também está relacionado ao requisito de que os experimentos sejam reproduzíveis . Este princípio é verdadeiro para todas as leis da mecânica (leis de Newton , etc.), eletrodinâmica, mecânica quântica, etc.
Na prática, esse princípio costuma ser violado, uma vez que se estuda apenas um pequeno subsistema do universo, que naturalmente "sente" a influência do resto do universo. Esta situação dá origem a “campos externos” (elétricos, magnéticos, gravitacionais, etc.) que fazem depender a descrição da evolução do sistema de sua posição ( poços de potencial , etc.). Isso decorre apenas do fato de que os objetos que criam esses campos externos não são considerados como parte (uma "dinâmica") do sistema.
A invariância translacional, conforme descrito acima, é equivalente à invariância de deslocamento na análise de sistema , embora aqui seja mais comumente usada em sistemas lineares , ao passo que na física a distinção geralmente não é feita.
A noção de isotropia , para propriedades independentes da direção, não é uma consequência da homogeneidade. Por exemplo, um campo elétrico uniforme (ou seja, que tem a mesma força e a mesma direção em cada ponto) seria compatível com a homogeneidade (em cada ponto a física será a mesma), mas não com a isotropia , uma vez que o campo destaca um direção "preferida".
Consequências
No formalismo Lagrangiano , a homogeneidade no espaço implica na conservação do momento e a homogeneidade no tempo implica na conservação da energia . Isso é mostrado, usando cálculo variacional , em livros-texto padrão como o texto de referência clássico de Landau & Lifshitz. Esta é uma aplicação particular do teorema de Noether .
Homogeneidade dimensional
Como dito na introdução, homogeneidade dimensional é a qualidade de uma equação com quantidades das mesmas unidades em ambos os lados. Uma equação válida em física deve ser homogênea, uma vez que a igualdade não pode ser aplicada entre quantidades de natureza diferente. Isso pode ser usado para detectar erros em fórmulas ou cálculos. Por exemplo, se alguém está calculando uma velocidade , as unidades devem sempre combinar para [comprimento] / [tempo]; se alguém está calculando uma energia , as unidades devem sempre combinar a [massa] • [comprimento] ² / [tempo] ², etc. Por exemplo, as seguintes fórmulas podem ser expressões válidas para alguma energia:
se m é massa, v e c são velocidades , p é um impulso , h é constante de Planck , λ um comprimento. Por outro lado, se as unidades do lado direito não combinam com [massa] • [comprimento] 2 / [tempo] 2 , não pode ser uma expressão válida para alguma energia .
Ser homogêneo não significa necessariamente que a equação será verdadeira, uma vez que não leva em consideração fatores numéricos. Por exemplo, E = m • v 2 pode ser ou não a fórmula correta para a energia de uma partícula de massa m viajando à velocidade v , e não se pode saber se h • c / λ deve ser dividido ou multiplicado por 2π.
No entanto, esta é uma ferramenta muito poderosa para encontrar unidades características de um determinado problema, consulte a análise dimensional .
Os físicos teóricos tendem a expressar tudo em unidades naturais dadas por constantes da natureza , por exemplo, tomando c = ħ = k = 1; uma vez feito isso, perde-se parcialmente a possibilidade da verificação acima.