FIN 112: Física para Ciências Biológicas
Noções de cinemática e dinâmica. Medidas de grandezas físicas. Energia: conservação e fontes. Radiações: efeitos biológicos, raio-x. Fenomenos ondulatórios: som e ultra-som, ótica, instrumentos óticos, o olho humano. Fluidos. Fenomenos elétricos e magnéticos: potencial e campo, fenomenos elétricos em células nervosas.
1- Physics of the Life Sciences, Jay Newman, Springer, 2008.
Este livro é muito atual, com bastantes exemplos e será o texto do curso. Tem 713 páginas em 26 capítulos, mas alguns destes serão pulados.
O acesso ao mesmo foi comprado pela UFRJ para uso a partir de computadores na UFRJ. Abaixo está o índice do mesmo, com os links para cada capítulo. Para maior facilidade recomendo fortemente a cópia dos arquivos pdf de cada capítulo pois, caso contrário, cterá que ser feito um download lento a partir da página da editora.
Este livro contém quase todo o material do curso,
sendo um texto possível. É planejado para um curso
de 2 semestres na USP, o qual engloba estudantes de Biologia e
de Medicina. O seu tamanho (490 páginas), a sua ordenação
de tópicos, o seu abuso eventual de fórmulas e a
sua ênfase em exemplos médicos o tornam um pouco
difícil. Em especial, contém poucas aplicações
de interesse da Biologia.
Meu nome é Luiz Felipe s. Coelho. Em caso de dúvidas ou qualquer questão relativa ao curso, estarei na minha sala - 310 no Bloco A do CT - ou nas vizinhanças dela, de 8:00 até as 17:00. Também podem me contatar pelo telefone: o número do Instituto de Física é 2562-7732. A minha "home-page" está em http://www.if.ufrj.br/ ~coelho/coelho.html e o meu "e-mail" é coelho@if.ufrj.br
A aprovação no curso será feita quando a soma M=(P1+P2)/2 for igual ou superior a 6,0 (P1 e P2 são, respectivamente, a nota da primeira prova e a da segunda prova) ou, caso isto não ocorra, quando a soma, dividida por 2, dessa média com a nota da prova final for igual ou superior a 5,0.
Primeira lista: Unidades, grandezas, algarismos significativos e revisão de matemática. (Gabarito)
Segunda lista: Leis de Newton para movimentos a uma dimensão.
Terceira lista: Trabalho e energia.
Quarta lista: Rotação.
Quinta lista: Pressão e fluidos.
Sexta lista: Ondas e Acústica.
Sétima lista: (A) Ótica e Física Moderna;
(B) Radiação e Radioproteção.
Depois de haver retrocedido duas vezes ante a
fúria de violentos temporais de sudoeste, o HMS Beagle,
um brigue de dez canhões, sob o comando do capitão
Fitz Roy da Marinha de Guerra Real, fez-se ao largo de Devenport
no dia 27 de dezenbro de 1831. O objetivo da expedição
era uma vistoria completa da Patagônia e da Terra do Fogo,...,
explorar a costa do Chile, a do Peru e algumas ilhas do Pacífico
e estabelecer uma rede de medições cronométricas
ao redor do mundo (palavras iniciais do
livro ``Viagem de um naturalista ao redor do mundo", de Charles
Darwin)
A questão central deste texto é ``O que um profissional de ciências da saúde - um biólogo, um farmacêutico, um médico - precisa saber de Física?" e êle procura respondê-la dentro dos limites de um curso de 60 horas. Esta questão remete a outras, muito complexas, como ``O que é o trabalho de um biólogo hoje?", ``O que será a Farmácia no futuro próximo?" ou ``O que chamamos Física?". Devido à imensidão e ao dinamismo destas ciências quaisquer respostas a estas perguntas, inclusive as que são dadas neste texto ou nas aulas deste curso, serão sempre provisórias e parciais, nos diversos sentidos da palavra.
A explosão do conhecimento biológico
Para alguns o trabalho do biólogo é a aventurosa coleta de espécimens e seu estudo posterior, como numerosos biólogos fizeram e ainda fazem. Um dos muitos exemplos, mas talvez o mais relevante para a Biologia, é a famosa viagem de Charles Darwin durante a qual visitou o Recôncavo baiano, o Rio de Janeiro, o pampa argentino, a Terra do Fogo, as ilhas Galápagos e a Oceania. No diário de sua viagem, ``Viagem de um naturalista ao redor do mundo", são descritas essas atividades de coleta assim como a barbárie da escravidão no Brasil e o extermínio sistemático dos índios na Argentina, que certamente impressionariam a Darwin mesmo que não tivesse os 23 anos incompletos com que começou a viagem.
Darwin coletou amostras geológicas e biológicas nessa viagem que durou quase três anos e depois, um pouco com os seus conhecimentos de Geologia e Biologia e muito com a sua capacidade observação e análise, lhe foi possível propor a ``Teoria da Evolução" em seu livro ``A origem das espécies".
Certamente ainda é essencial a um cientista hoje em dia ter essas qualidades - coletar dados da forma mais completa possível, selecionar os fatos experimentais relevantes entre muitos outros e com eles propor modelos - mas a situação mudou muito no que se refere ao apoio prestado por outras ciências. Darwin não tinha meios de saber a idade de suas amostras, de saber como se transmitiam as características hereditárias ou de saber se as taxas de mutações eram compatíveis com a diversidade de espécies. As outras ciências da época, inclusive a Física, pouco o podiam ajudar, o que certamente dificultou a proposição da Teoria da Evolução.
Situações assim foram cada vez menos
comuns, com a Biologia adquirindo independência dentro da
Filosofia Natural (Darwin se intitulava naturalista ) e crescendo
fantasticamente. Para isto a Biologia usou os seus próprios
métodos e, crescentemente, as técnicas e os conceitos
de outras ciências. Exemplos deste crescimento interligado
são inúmeros nas genéticas mendeliana e molecular,
na ecologia e no trabalho de laboratório em geral. Temos
assim a Estatística usada após as leis de Mendel,
a descoberta da existência do gene e o seu estudo que envolveu
e envolve o uso intenso da Física e da Química,
a Ecologia necessitando da Matemática para as equações
diferenciais que regem os tamanhos das populações
e que descrevem como são afetadas pelas condições
externas e, finalmente, o uso intenso de aparelhos e técnicas
experimentais originados na Física, na Engenharia e na
Química. O crescimento da Biologia se deu principalmente
nessas áreas integradoras, a Genética, a Ecologia,
a Bioquímica e a Biofísica, mas também ocorreu
nas numerosas áreas específicas, como a Botânica,
a Zoologia e a Microbiologia. Em suma, para saber a resposta à
questão ``O que um biólogo precisa saber de Física?"
é preciso lembrar desta diversidade.
Já a história da Farmácia é
bem distinta. De uma origem baseada no estudo de poderes curativos
de produtos derivados de plantas e de animais, quando era bastante
vizinha à Botânica e à Zoologia, ela interage
cada vez mais com a Biologia, a Química e a Medicina. A
descoberta dos micróbios por Pasteur no século XIX,
a compreensão dos mecanismos de transmissão de numerosas
doenças, a descoberta da penicilina pelo biólogo
Fleming em 1928 e a produção industrial deste antibiótico
em 1942 são apenas alguns exemplos, aonde químicos,
médicos, biólogos e farmacêuticos trabalhavam
em cooperação cada vez mais intensa. Para isto a
Física já cumpria um grande papel de suporte, pois
grande parte das técnicas químicas e, em especial,
da Química analítica se originaram de aplicações
da Física: o emprego de substâncias radioativas que
permitiu compreender o metabolismo de fármacos e o uso
de inúmeras técnicas espectroscópicas que
permitem obter a composição química ao nível
de ``parte-por-milhão" ( ppm ) ou mesmo ppb .
Hoje estamos no limiar de uma revolução na Farmácia. Enquanto antes a descoberta do gene apenas estabelecia um limite com as doenças geneticamente transmitidas, hoje as técnicas da Genética Molecular permitem que a discussão dos fármacos se processe ao nível molecular: como um farmáco ou um vírus interagem com as moléculas da membrana celular? como interagem com o DNA da célula? O genoma humano está sendo mapeado, no Projeto Genoma Humano, o que permitirá o surgimento de inúmeros novos remédios. A análise do DNA desde o de microorganismos até o do homem, com técnicas como o PCR, somou-se às técnicas de análises clínicas. Hoje a pesquisa em Farmácia é, na sua maior parte, inimaginável sem a Genética Molecular e esta, também em grande parte, se apoia em técnicas químicas e físicas.
A explosão do conhecimento físico
A Física estuda os sistemas mais simples existentes na Natureza, aos quais consegue aplicar modelos qualitativos e quantitativos, introduzindo conceitos como ``partícula", ``onda", ``massa" e carga. No entanto isto nem sempre foi assim, com o filósofo grego Aristóteles escrevendo sobre a Física, a Química e a Medicina (em inglês esta confusão ainda aparece, com o médico sendo chamado physician ). Libertada da necessidade de estudar sistemas complexos como o corpo humano ou as reações químicas, a Física ficou subdividida em partes: ótica, Mecânica, Termodinâmica, Eletricidade e Magnetismo, inicialmente estanques. A história da Física é a da unificação crescente dessas áreas, o que lhe permitiu chegar em algumas poucas leis básicas, assim como a da sua aplicação para um número cada vez maior e mais diverso de problemas. Embora muitos destes problemas ainda possam ser considerados ``físicos" (se isto não fosse assim a Física teria se dissolvido entre outras ciências!) outros são encontrados em diversas outras áreas, como a Química, a Geologia, a Biologia, a Meteorologia, a Farmácia, a Medicina, a Astronomia, a Matemática e as Engenharias.
A partir dos sistemas simples a Física tem meios para analisar os mais complexos, o que é feito separando os nos seus componentes e utilizando-se modelos crescentemente mais elaborados. Por exemplo, o movimento de um corpo pequeno deslocando-se sem atrito é fácil de estudar, embora não sendo
fácil de realizar. No entanto os corpos celestes podem ser assim tratados, embora tendo tamanhos às vezes de centenas de quilômetros, e o estudo de movimentos na Terra foi precedido pela compreensão dos movimentos dos planêtas. Em outro exemplo de simplificação, na ótica geométrica estudamos a luz que um objeto emite, própria ou refletida, e como ela produz uma imagem deste objeto num sistema de lentes e espelhos e, para isto, consideramos apenas dois ``raios de luz" ao invés dos infinitos raios emitidos. Num terceiro exemplo um objeto em rotação pode ser dividido em pequenas partes com massa "Delta m" distando r do eixo de rotação, de modo a que a inércia para rotação seja dada pela soma de "Delta m" vezes r2 para cada uma dessas partes (esta é a definição do momento de inércia I).
A Física procura matematizar este processo de análise, o que lhe permite fazer previsões quantitativas. O equilíbrio entre os conceitos e as fórmulas é essencial, e isto pode ser visto em qualquer área da Física. Por exemplo, numerosos fenômenos na Física são ondulatórios, como o som, a luz ou a vibração de uma membrana, o que torna necessário saber o que é uma onda e estudar as características que as definem mas não é tão importante assim saber as fórmulas das velocidades das ondas em cada caso, a não ser que tenhamos um problema específico. O uso da Matemática permeia todo este curso, sendo certamente para muitos uma dificuldade, pois a Física usa mais a linguagem e o raciocínio matemáticos que outras ciências naturais, como a Química e a Biologia. No entanto o uso da Matemática reflete a maior simplicidade dos objetos de estudo da Física e a existência de um pequeno número de leis básicas, que podem ser todas escritas em meia fôlha de papel.
A descrição e a compreensão qualitativas dos fenômenos físicos nunca deveria ser obscurecida por modelos quantitativos, mas isto é infelizmente muito comum no ensino de segundo grau. é este mau uso da Matemática que leva à imagem da Física como um grande conjunto de fórmulas. A Física usa a linguagem matemática mas após estabelecer alguns poucos conceitos e ter modelos qualitativos simples. Se isto não tiver acontecido de nada adiantará resolver muitos problemas de queda livre, de formação de imagens, de calor ou de circuitos elétricos.
Dito isto, o abuso eventual da Matemática não nos deve cegar quanto a sua importância. Na Física ela é essencial mas o seu uso no curso ajuda, além disso, a esclarecer a sua aplicação em problemas biológicos. Os problemas ``físicos" da atenuação da luz após atravessar um objeto, da emissão de radiação por um material radioativo e de carga ou descarga de um capacitor são matematicamente similares aos problemas ``biológicos" do crescimento de uma população ou da inserção de material genético em uma célula, todos envolvendo o conceito de exponencial e o de derivada. A conversão de unidades, o uso de escalas logarítmicas em gráficos e a notação exponencial de números muito grandes ou muito pequenos são outros tantos exemplos destas analogias.
As aplicações da Física em Ciências da Saúde - Biologia, Farmácia, Medicina, etc - vão do uso de uma simples centrífuga ou de moléculas orgânicas marcadas com átomos radioativos, ambos sendo comuns em laboratórios biomédicos, até a aplicações mais especializadas como o uso de satélites para o sensoreamento remoto de ecossistemas terrestres (mas que é essencial para a Ecologia) ou a dinámica molecular que pode simular a interação da molécula de um fármaco com o material genético de uma bactéria. Passa também por diversas terapias que utilizam laser e radiações ionizantes e por quase todas as técnicas de diagnóstico: ultrassom, raios-X, tomografias de Ressonância Magnética Nuclear e de raios-X, eletrocardiograma, medição da pressão sanguinea, etc.
Como essas aplicações abrangem as mais
diversas áreas da Física, procuraremos neste curso
fornecer uma visão panorâmica, a qual será
um pouco como a referida nas frases finais do diário de
viagem de Darwin. Será necessário parar um pouco
em cada lugar, aproveitando o melhor possível o tempo e
tentando evitar o risco da superficialidade...
Em suma parece-me nada haver mais promissor ao
jovem naturalista do que uma viagem a países distantes...Por
outro lado, devido a demorar-se pouco tempo em cada lugar, o viajante
faz descrições que são meros esboços
ao invés de observações pormenorizadas...Apreciei
porém excessivamente a minha viagem para não deixar
de recomendar a nenhum naturalista...partir numa grande viagem.
(palavras finais do livro ``Viagem de um naturalista ao redor
do mundo", de Charles Darwin)
Na UFRJ:
Em caso de dúvidas, estou à disposição na minha sala (310, Bloco A, Edifício do CT). Meu e-mail é
coelho@if.ufrj.br e meu telefone de trabalho é 2562-7732.