Movimento Browniano ( Uma Introdução)

1. Movimento Browniano(Uma Introdução) Jalves S. Figueira UTFPR- Pato Branco Novembro , 2011 http://www.utfpr.edu.br/jalves

2. Resumo • Um experimento de Pensamento; • Movimento Browniano e os Fractais; • Aspectos históricos:A realidade dos átomos; • Tese de Einstein (1905); • Atividades de laboratório; • Final.

3. Experimento de Pensamento • Imagine que você esteja em uma sala espaçosa. Um grande Shopping center. • Houve um apagão, e a cidade toda está sem luz. Somente uma luz de emergência que acende em pequenos intervalos de tempo. • Você caminha desesperado por encontrar uma janela. • A Luz de emergência acende em intervalo de tempos de t =15 s. Você não tem idéia para onde está indo. Einstein (1879-1955)

4. 1- Atividade • Marque no papel suas posições A, B, C, D, ... no intervalo de tempo T=15s . • Após ligue os pontos. A trajetória não é suave

5. Primeiro relato • O Botânico Robert Brown, no ano de 1827 ao examinar no microscópio grãos de poléns num líquido observou que estes faziam um movimento incessante e caótico. Brown teriadescoberto a fonte da vida??

6. Definição: • Física Movimento browniano é o incessante e caótico movimento de pequenas partículas em suspensão em um fluido. Resultado de uma força aleatória exercida pelas colisões com as moléculas do fluido. • Matemática Qual geometria representa o movimento browniano.

7. Apresenta uma geometria fractal. Fractais são figuras da geometria não-Euclidiana. Objetos com infinitos detalhes, são geralmente autossimilares e independem de escala. Cada parte é semelhante ao objeto original.

8. Não é possível descrever o movimento utilizando as equações da cinemática da mecânica clássica. O movimento não tem velocidade instantânea ou seja a trajetória de uma partícula browniana não tem tangente . Velocidade média : Velocidade instantânea:

9. Einstein (1905) • Einstein geralmente é lembrado pelas rupturas da mecânica Newtoniana. Com os conceitos relativísticos de tempo e espaço. • Publicou em 1905 cinco trabalhos, um deles sobre o movimento browniano resultado da tese de Doutorado. • Recebeu o premio Nobel em 1922 pela explicação do efeito fotoelétrico.

10. Einstein (1905) • Einstein adotou uma visão realista sobre a existência de átomos e moléculas. • Procurando determinar o tamanho das moléculas e o número de Avogadro, analisa uma solução de açúcar e água. • Einstein percebeu que não tinha sentido descrever uma trajetória individual, que a velocidade não era o conceito chave que carregava as informações principais. • Construiu um modelo para o movimento Browniano com bases na teoria cinética dos gases e teoria molecular do calor.

11. Teoria Cinética Molecular • Toda matéria é construida de átomos. • Um gás é constituido de muitas partículas em movimento caótico. • As moléculas são consideradas pontos materiais. • As colisões entre duas moléculas ou entre uma molécula e uma parede do recipiente são supostas perfeitamente elásticas. • U (energia interna) = é função da energia mecânica das partículas individuais. • (U)med = nkT/2, n = número de graus de liberdade

13. Movimento de micelas de Leite examinado com a ferramenta de análise de vídeos e modelagemTracker.

14. 2 – Atividade Caminho aleatório em duas dimensões. • Inicialmente com uma folha quadriculada marque os eixos cartesianos x e y . Cada lado do quadrado mede uma unidade de comprimento l=1. • Coloque a partícula (objeto marcador) na origem (0,0) e lance o dado uma vez seguindo as instruções. • Se a face for: • 1. conte um passo para direita. • 2. conte um passo para esquerda. • 3. conte um passo para frente. • 4. conte um passo para trás. • 5. Não conte passos. Repita o lançamento. • 6. Não conte passos. Repita o lançamento. Repita o lançamento seguindo as instruções até que sejam contados dez passos marcando o caminho. Repita até que N=100.

15. http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=1484.

16. Jean Perrin (1870-1942) • Perrin utilizando um ultra- microscope realizou medidas quantitativas do movimento Browniano em 1908. • Verificou as equações de Einstein determinando o número de Avogadro entre N = 6.5-6.9x1023 • Jean Perrin determinou o tamanho das moléculas. • Recebeu o Premio Nobel em 1926

17. Caminho Aleatório Um modelo para descrever o movimento browniano é o caminho aleatório. Em uma dimensão, temos que o “jogador” começa em x=0 e a cada movimento é solicitado a dar um passo a frente (direção +x) ou para trás( na direção –x). A escolha é aleatória. • < x > =0 , distância média é nula. • < x2> =N , distância média quadrática é igual ao número de passos N. • <x2>=NL2, passos de comprimento l • xrms = Raiz(< x2 >) , raiz da distância média quadrática. • … http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109N/more_stuff/Applets/brownian/brownian.html

18. Observação do movimento browniano no Microscópio • leite • Água destilada • Lâminas para solução • Lamínulas de vidro

19. 1- Pressão osmótica A pressão exercida por uma solução sobre uma membrama semi-permeavel, impedindo a passagem do soluto é dada pela leis dos gases perfeitos. p= pressão osmótica = concentração da solução N A = número de Avogadro R = constante dos gases T = temperatura absoluta

20. 2- Pressão osmótica Einstein considerou que as moléculas grandes de açúcar estão sujeitas a uma força de atrito viscoso dada pela lei de Stokes Sabe-se porém que as partículas se difundem devido ao gradiente de pressão ( força por unidade de volume). Assim, no equilíbrio temos:

21. 3- Pressão osmótica • Obtemos assim uma expressão para a velocidade v das partículas. Que resulta, regime estacionário, um fluxo ao longo da direção x sobre uma secão de area A. E da relação da pressão obtemos que: O que resulta em um coeficiente de difusão D função da temperatura T, viscosidade η , número de Avogadro NA e raio das partículas a.

22. Equação de Langevin -1a • Partindo da segunda lei de Newton , Paul Langevin (1908) , derivou uma equação diferencial para o movimento browniano a = raio das partículas. ƞ = viscosidade da agua . Fext força aleatória sobre a partícula em suspensão.

23. Equação de Langevin – 1b • pelo teorema da equipartição da energia, proposto por Clerk Maxwell. • ½mV2 = kT/2 energia de uma partícula para cada grau de liberdade é função da temperatura. k é a constante de Boltzmann. • chega-se a solução

24. Fim