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Física

Velocidade da Luz

Sara Nahra
Publicado por Sara Nahra
Última atualização: 13/1/2019

Introdução

No estudo da astronomia e da física em geral, é muito recorrente o termo “velocidade da luz”. Mas o que isso significa especificamente? É o que veremos a seguir.

A velocidade da luz é a velocidade máxima que um objeto consegue alcançar. A velocidade da luz no vácuo é simbolizada pela letra c e equivale a 299.793.458 m/s. Este valor é comumente arredondado para 3,0 x 108 m/s ou, ainda, 300.000 km/s.

A velocidade da luz nada mais é do que a velocidade de propagação do raio luminoso de um ponto a outro do espaço, e depende do meio material em que ela viaja, sendo este valor menor que o valor de c. Viajando pelo espaço, a luz é a coisa mais rápida do universo. Ela pode circular a Terra 7 vezes em apenas 1 segundo!

Um exemplo é o famoso ano-luz, unidade para se medir a distância dos corpos celestes no cosmo. O ano-luz é a distância percorrida por um raio de luz no vácuo em um intervalo de tempo de um ano.  

História da Velocidade da Luz

A luz viaja tão rápido pelo espaço que, antigamente, muitos pensavam que a luz tinha velocidade infinita. Para calcular a velocidade da luz, admite-se que a luz se comporta como uma onda mecânica, a diferença é que a luz não precisa, necessariamente, de um meio material para se propagar.

O primeiro a sugerir que a velocidade da luz era, na verdade, finita, foi Empédocles. No entanto, o primeiro a propor um método para medi-la foi Galileu. Para isso, ele propôs que fossem colocados dois homens com lanternas o mais distante possível um do outro. O primeiro homem (A) deveria acender sua lanterna e, na hora que o segundo homem (B) visse a luz, este deveria acender a sua lanterna. Quando (A) visse a luz de (B), (A) deveria medir o tempo de acender sua lanterna e enxergar a luz de (B). Este experimento não deu muito certo, pois o tempo de reação dos dois homens era grande e, também, porque havia variações maiores do que o tempo necessário para que a luz percorresse os poucos quilômetros entre os dois homens, que era de 10-5 s.

O astrônomo dinamarquês Ole Römer realizou, em 1675, a primeira medição da velocidade da luz usando uma distância astronômica, ao invés de terrestre. O que ele notou foi que os eclipses do primeiro satélite de Júpiter aconteciam em intervalos um pouco menores à medida que a Terra se aproximava de Júpiter, de (C) para (A), do que quando o satélite se afastava de Júpiter, de (A) para (C). Veja a figura abaixo:

Romer interpretou essa diferença de tempo como sendo o tempo que os raios luminosos do eclipse levam para atravessar o diâmetro da órbita terrestre. Sendo o diâmetro médio da Terra igual a 302,4 x 106 km e o tempo igual a 986 s, ele determinou que a velocidade da luz seria de 307.200 km/s.

Algumas décadas mais tarde, em 1729, o astrônomo inglês Bradley tentou um segundo método para determinar a velocidade da luz. Ele percebeu que, ao observar uma estrela de uma direção em ângulo reto com o movimento orbital da Terra, sua posição era deslocada de sua posição real por um ângulo de 20,44 segundos de arco. Esse ângulo, conhecido como ângulo de aberração, resultava do fato de que a luz, enquanto percorria o caminho para o tubo do telescópio, era deslocada pelo movimento da Terra em uma distância considerável.

O primeiro experimento feito em laboratório para determinar a velocidade da luz em distâncias terrestres (sem a necessidade de observações astronômicas) foi realizado 1849 pelo francês Hippolyte Louis Fizeau. O valor que ele obteve foi igual a 313.300 km/s, melhorando esse resultado após uma segunda tentativa desse mesmo experimento para o valor de 301.400 km/s.

Em 1862, Leon Foucault estimou a velocidade da luz como sendo igual a 299.796 km/s, quase alcançando o valor oficial que temos atualmente. Cornu obteve, em 1876, um valor de velocidade da luz corrigido para 299.950 km/s, no vácuo.

Foi em 1983 que os órgãos científicos internacionais decidiram que a velocidade da luz, após sua medição utilizando lasers, seria uma constante universal com valor bem determinado e exatamente igual a 299.792.458 m/s.

Teoria da Relatividade Especial

Segundo a mecânica newtoniana, a princípio não existe um limite superior para a velocidade aplicada em um corpo. Vamos imaginar que haja um corpo, inicialmente em repouso, e que tenha sido constantemente sujeito à aceleração da gravidade. Após um ano, o corpo atingiria a velocidade da luz no vácuo. Depois de dois anos, a velocidade do corpo dobraria, fazendo com que a velocidade atinja valores ilimitados. Porém, o que realmente acontece é que, ao tentar atingir altos valores de velocidade, próximos à velocidade da luz, ocorre um desvio da mecânica Newtoniana, que não é adequada à todas as situações.

De acordo com a Relatividade Especial, o limite de velocidade que qualquer objeto consegue atingir é a velocidade da luz. Isso porque, quando um corpo se aproxima da velocidade da luz, cada vez mais é fornecida energia ao corpo, que se transforma em massa adicional.

Dessa forma, quanto maior é a velocidade do corpo, maior é a energia cinética envolvida no processo, cujo efeito principal é aumentar sua massa-energia ao invés da velocidade, sendo que a massa-energia tende ao infinito nos limites da velocidade da luz.

A equação característica da Teoria da Relatividade Especial é a seguinte:

E = m x c²

Onde:

E = energia cinética;

m = massa do corpo;

c = velocidade da luz no vácuo.

Índice de Refração Absoluto

A velocidade da luz depende do índice de refração absoluto do meio, que é representado pela expressão abaixo:

Onde:

n = índice de refração absoluto no meio, uma grandeza adimensional;

c = velocidade da radiação monocromática no vácuo;

v = velocidade da radiação monocromática no meio material.

O índice de refração absoluto é sempre maior que 1, uma vez que, quando n = 1, temos a maior velocidade da luz possível, que é no vácuo. Na tabela a seguir estão mostrados alguns dos índices de refração mais usuais:

MaterialÍndice de refração absoluto (n)
Ar seco (0 °C, 1 atm)1,000292
Gás carbônico (0 °C, 1 atm)1,00045
Gelo (-8 °C)1,310
Água (20 °C)1,333
Etanol (20 °C)1,362
Tetracloreto de carbono1,466
Glicerina1,470
Monoclorobenzeno1,527
Vidros1,4 – 1,7
Diamante2,417
Sulfeto de antimônio2,7

O meio mais refringente será aquele que tiver o maior índice de refração. A água, por exemplo, é mais refringente do que o gelo. A velocidade da luz será menor no meio mais refringente em comparação com o meio menos refringente.


Exercícios

Exercício 1
(ENEM/2001)

Seu olhar

Na eternidade
Eu quisera ter
Tantos anos-luz
Quantos fosse precisar
Pra cruzar o túnel
Do tempo do seu olhar
(Gilberto Gil, 1984)

Gilberto Gil usa na letra da música a palavra composta anos-luz. O sentido prático em geral não é obrigatoriamente o mesmo que na ciência. Na Física, um ano-luz é uma medida que relaciona a velocidade da luz e o tempo de um ano e que, portanto, se refere a:

Ilustração: Rapaz corpulento de camiseta, short e tênis acenando

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