A Física e a Revolução da Indústria

A indústria tem evoluído muito rápido, buscando criação de formas de melhorar a vida do ser humano, reduzindo seu esforço físico. Veremos a seguir registros importantes, que têm evidenciado isso e a consequência da revolução da indústria.

A palavra ciência tem sido muito citada no momento. Este site, além do propósito de divulgação do meu livro, propõe-se a mostrar em linguagem simples e de fácil acesso, uma das áreas da ciência que se encontra no dia a dia das pessoas, porém considerada muito difícil, talvez pela necessidade do uso da matemática, com cálculos complexos para demonstrar os fenômenos da natureza.

A Física se encontra nas diversas profissões, utensílios domésticos, indústrias, construções, deslocamento de veículos, aviação, transportes urbanos e rurais, navegação marítima e fluvial, astronomia, agricultura, astrofísica, medicina e uma infinidade de aplicações e atividades do dia a dia.

Quando falamos de máquinas, imaginamos sempre dispositivos complexos. No entanto, existem máquinas simples! O físico, matemático, engenheiro e astrônomo Arquimedes, que viveu entre 287 e -212 a.C.,  desenvolveu no Século III a.C., o Princípio da Alavanca.

Principais Tipos de Alavanca

São consideradas Alavancas as máquinas simples, com aplicações de Princípios da Física, definidas das seguintes formas:

• ALAVANCA INTERFIXA: onde o ponto fixo se encontra entre a força motriz e a força resistente. Exemplo: Alicate.

• ALAVANCA INTERPOTENTE: onde a força motriz se encontra entre o ponto de resistência e o ponto fixo. Exemplo: Pinça.

• ALAVANCA INTER-RESISTENTE: onde o ponto de resistência fica localizado entre o ponto fixo e a força motriz. Exemplo: Quebra-nozes.

Outras máquinas simples que permitem a redução do esforço humano e que se encontram no dia a dia das pessoas:

• Abridor de Latas e Garrafas: muito utilizado em casa e no comércio.

• Roldana: permite que o ser humano possa movimentar peças pesadas, vencendo a gravidade e por decomposição do peso. A roldana é muito usada na construção civil, retirada d’água de poços e, principalmente, na área rural:

• Cadernal ou Moitão: conjunto de duas roldanas ou mais, proporcionando maior decomposição da força resistente ou peso, reduzindo o esforço humano:

• Macaco Hidráulico: muito utilizado para elevação de cargas, com o princípio de força, pressão e área, onde quanto maior a área associada ao fluido hidráulico, menor  a força para superar o peso resistente. Uma força mecânica aciona um sistema hidráulico, elevando um corpo e reduzindo o esforço humano. Usado para elevar veículos e, recentemente, para elevar construções para deslocamento de um ponto para outro com auxílio de deslocadores.

Cientistas estimam que a Pirâmide de Queops tenha sido construída entre 10 e 20 anos, em 2530 a.C., provavelmente com uso de alavancas.

Neste website, constam diversas contribuições da Física, em várias fases da humanidade. Veremos, a seguir, as revoluções ocorridas no Planeta Terra.

A Evolução

Os dinossauros desapareceram aproximadamente 65 milhões de anos na Era Mesozoica. Supõe-se que isso tenha ocorrido por causa da queda de um grande meteoro. Se eles permanecessem na Terra, possivelmente o ser humano não teria surgido no planeta, pois havia dinossauros carnívoros.

Estima-se que os primeiros hominídeos surgiram entre cinco e sete milhões de anos, a partir de fósseis encontrados na África. A datação de matéria orgânica é feita com base em testes com Carbono catorze (C14), cuja meia vida é de 5.730 anos. Ou seja: se um material apresenta 50% de carbono catorze, ele tem em torno de 5.730 anos. Os hominídeos não conheciam ferramentas e tecnologia do fogo. Alimentavam-se de frutos de árvores e arbustos.

Surgimento do Homo Sapiens

Segundo os cientistas,  aproximadamente, há 300 mil anos surgiu o homo sapiens, que desenvolveu forma de criar fogo para facilitar o cozimento dos alimentos, aquecer-se, alimentando-se de caça, pesca, frutos silvestres, desenvolvendo artefatos e vestimentas rústicas para se proteger das intempéries da natureza e predadores animais. Viviam em cavernas e sobreviveram com o desenvolvimento da inteligência.

Primeira Revolução Agrícola

Com a evolução, o ser humano começou a buscar forma de gerar seu alimento a partir da terra. Estima-se que a primeira revolução agrícola ocorreu dez mil anos antes de Cristo, quando foram iniciadas técnicas de plantios, aragem da terra, utilizando animais e ferramentas, empregando princípios de movimento da Física.

Segunda Revolução Agrícola

A segunda revolução agrícola ocorreu na Europa entre os séculos XVIII e XIX, com aplicação de tecnologias e máquinas, como tratores, irrigação, aplicação de fertilizantes, permitindo o aumento de produção. Com a mecanização tendo se modernizado ao longo do tempo, atualmente há equipamentos sofisticados e automatizados.

Equipamentos Aplicados na Agricultura que Utilizam Princípios da Física

A Importância da Física para Atingir a Revolução da Indústria

Veremos, a seguir, descobertas da Física que influenciaram na revolução industrial.

O físico, matemático e engenheiro mecânico Francês, Nicola Leonard Sadi Carnot, nascido em 1796 e falecido em 1832, desenvolveu o ciclo Carnot, permitindo a transformação de calor em movimento.

O que é Termodinâmica?

Física térmica ou Termodinâmica é a parte da Física que estuda as leis que regem o calor, trabalho e outras formas de energia,  para realização de trabalho e troca de calor.

O Físico britânico James Prescott Joule, nascido em 1818 e falecido em 1889, desenvolveu a Primeira Lei da Termodinâmica: Lei da Conservação de Energia, onde a variação de energia interna de um sistema termodinâmico equivale à diferença entre a quantidade de calor absorvido e o trabalho por ele realizado. Em sua homenagem, a unidade física internacional de trabalho é denominada Joule.

O físico alemão Rudolf Julius Emanuel Clausius, nascido em 1822 e falecido em 1888, estabeleceu a Segunda Lei da Termodinâmica: para um sistema realizar conversões de calor em trabalho, precisa fazer ciclos entre a fonte de calor e a fria de forma sucessiva. Todo processo tem perdas, pois seu rendimento sempre será menor que 100%.

O engenheiro e matemático escocês James Watt, nascido em 1736 e falecido em 1819, foi o responsável pela criação da Máquina a Vapor, que permitiu a primeira revolução industrial ou indústria 1.0. Em sua homenagem, a unidade física internacional de potência é o Watt.

A descoberta da máquina a vapor permitiu a criação da locomotiva a vapor em 1804, composta de caldeira geradora de vapor, máquina térmica transformando energia térmica em mecânica, e carroceria para conduzir cargas ou pessoas.

A Revolução da Indústria e suas Fases

A Primeira Revolução Industrial ou Indústria 1.0

Ocorreu entre a metade do século XVII e século XVIII na Inglaterra, que proporcionou grande desenvolvimento, substituindo o trabalho artesanal, reduzindo tempo na produtividade e aumentando quantidade. A descoberta da máquina a vapor e da força d’água foram  fundamentais, em virtude da aplicação de energia.

Várias foram as fases de revolução industrial: da indústria 1.0 até a 4.0, que veremos a seguir.

A Segunda Revolução Industrial ou Indústria 2.0

Iniciou-se na segunda metade do século XIX e foi concluída após a segunda guerra mundial. Teve impulso pelo uso da eletricidade, proporcionando o funcionamento da indústria do petróleo, aço, química, exploração de minérios. Nessa época, foram desenvolvidos os navios de aço movidos a vapor, aviões, fabricação de automóveis. Disso resultou a redução de custos, permitindo produção em série, introduzindo os primeiros sistemas de automação,  trazendo bem-estar ao ser humano e melhor qualidade de vida. O automóvel é o responsável por trazer mais mobilidade e liberdade de deslocamento. A segunda revolução industrial permitiu também a industrialização de alimentos em países, como Estados Unidos, Alemanha, França e Reino Unido. Foram evoluídos os sistemas criados na primeira revolução industrial ou indústria 1.0.

A Terceira Revolução Industrial

O desenvolvimento e a evolução da Física sempre tiveram grandes influências e participação na evolução do planeta e da humanidade. A Terceira Revolução Industrial ou Indústria 3.0 não poderia ficar fora dessa influência. Desenvolveu-se na primeira metade do século XX, nos Estados Unidos, Japão, Alemanha e distribuiu-se pelo mundo, recebendo grande impulso da indústria automobilística, que exigia grandes alterações e flexibilização nas linhas de produção.

O avanço na Física do Estado Sólido e na Física da Matéria Condensada, caracterizado pela evolução da eletrônica, com implantação de circuitos transistorizados, circuitos impressos, eletrônica digital com circuito integrado, microprocessadores, permitiu a evolução da automação, computação, robótica, cibernética, sistemas computadorizados, satélites artificiais, sistemas de telecomunicações, instrumentação eletrônica e digital, estudos da genética, facilitação da  geração de energia por termoelétricas, usinas termonucleares, fotovoltaicas, eólicas, conversão de corrente contínua para corrente alternada e vice-versa, enfim, tudo isso foi possibilitado pelo avanço da Física no século XX.

A Física médica, diagnósticos mais precisos de doenças, indústria aérea e aeroespacial, indústria naval, transporte urbano, fábricas modernas de automóveis, melhora no refino de petróleo, exploração de petróleo em terra “on shore” e no mar denominado “off-shore”, gerenciamento de sistema de transmissão de energia elétrica, indústria naval, automatização da agricultura, telefonia móvel, sistema de redes de computadores e redes de sistemas de automação abertas e fechadas, mecatrônica e outras tecnologias que avançaram, permitindo e proporcionando grandes melhorias, proporcionadas pelas aplicações de conhecimento e evolução da Física. Veremos ilustrações, abaixo, que foram decorrentes da indústria 3.0.

Observação: ver, neste website, a Física na Indústria do Petróleo.

Arquitetura de Redes – Automação Aplicada à Indústria

Vimos que a Física teve forte influência no desenvolvimento da Indústria 3.0, principalmente na eletrônica, ciclo da termodinâmica, desenvolvimento de materiais, entre muitos avanços.

Conceitos Básicos para Entender a Quarta Revolução Industrial ou Indústria 4.0

Antes de explanarmos a respeito da Quarta Revolução Industrial ou Indústria 4.0, vamos citar alguns conceitos básicos:

• Estado lógico: posição que um dispositivo ou componente assume, para execução de determinada ação ou para desfazê-la.
• Bit: menor unidade de transmissão de dados, utilizado em computadores e redes computacionais, trafegando na rede, transferindo informação, dados e promovendo ações ou desfazendo. Nos sistemas atuais, poderão assumir estado 0 (zero) ou 1 (um). A composição entre eles poderá promover uma ação, desfazer ou negar. O fato de limitar–se a dois bits não permite que os computadores assumam formatação de cálculos extremamente complexos.
• Qubits: trata-se de unidade de informação quântica na computação, possibilitando execução de tarefas complexas, proporcionando formatação de algoritmos complexos, com maior velocidade e assumindo posições diferentes do estado lógico do sistema binário. Com isso, os computadores se tornam mais inteligentes, permitindo a evolução da inteligência artificial.
• Redundância: uso de dois ou mais componentes ou dispositivos com a mesma função para execução de determinada ação, aumentando a confiabilidade de um sistema e reduzindo a possibilidade de falha.
• MTBF (Mean Time Between Failure): tempo médio entre falhas, ou seja, valor médio calculado para falha de um dispositivo ou equipamento. Quanto maior, melhor.
• MTTR (Mean Time to Repair): tempo médio para reparo. Tempo calculado para reparar um dispositivo através de manutenção, a fim de que ele volte a funcionar. Quanto menor, melhor.
• Disponibilidade: forma de assegurar o funcionamento de um componente ou dispositivo, quanto da necessidade dele.
• Automação: sistema para executar tarefas automáticas, com ou sem interferência humana. Os equipamentos mais modernos utilizam componentes microprocessados, reduzindo consideravelmente as dimensões deles, por utilizar menos componentes com baixa dissipação de calor, aumentando o ciclo de vida deles. Por ter menos itens, aumenta o MTBF e diminui o MTTR.

Atualmente, o elevador é considerado o transporte mais seguro do mundo. Isto se deve à rotina e critérios de manutenção dele, aumentando o MTBF e reduzindo o MTTR. O avião é o segundo transporte mais seguro, também pelos critérios de manutenção, listas de verificação e responsabilidade das pessoas envolvidas, desde sua fabricação, planos de voo, redundância de componentes, disponibilidade, pessoas envolvidas do embarque ao desembarque e conscientização de tripulação e passageiros.

A Quarta Revolução Industrial ou Indústria 4.0

O termo Indústria 4.0 surgiu na Alemanha em 2011. Diversos avanços proporcionados pela evolução da Física, em consequência das revoluções anteriores¸ estão permitindo o uso de computadores quânticos, nano tecnologia, cordões neurais que irão fazer interagir o cérebro humano com sistemas computacionais, sistema de comunicações com banda 5G ou telefonia da quinta geração, capaz de proceder transferência de dados entre aparelhos móveis em menos de 5ms, com taxa de comunicação que poderá atingir 10gbs.

A Indústria 4.0 poderá chegar ao seu grande ponto dentro de 20 ou 30 anos, onde poderemos ter, através de redes computacionais, a integração de indústrias entre si, e a segmentos, como comércio,  consumidores em geral, sistemas de transportes urbanos, transportes de carga aéreos, rodoviários, ferroviários, fluviais e marítimos, sistema bancário, sistema de saúde, geração de energia, exploração de minérios, petróleo e gás natural, refino de petróleo, carros autônomos integrados, podendo comunicar-se entre si utilizando satélites, tudo em tempo real.

Com a indústria totalmente integrada, garante-se a disponibilidade, a redundância de sistemas e componentes, com alto MTBF e baixo MTTR, inclusive com sistemas autônomos de energia, a partir da geração de energia através de fontes autônomas de energia, como fotovoltaica, eólica. A aplicação de redes de computadores, como internet é fundamental, assim como as conexões com satélite , integração mundial, sistemas de controle e aquisição de dados, uso de palmtops para comando e gerenciamento de unidades industriais remotamente, atingindo os pontos mais longínquos, integrando centros urbanos a rurais. Para possíveis explorações e colonização futura de outros planetas pelo ser humano e vida em estação orbitais, não podem ser abandonadas a necessidade e a garantia da intervenção humana.

A seguir, itens fundamentais para evolução da Indústria 4.0.

As novas tecnologias têm alterado muito rápido o hábito e o comportamento das pessoas, havendo a necessidade de adaptação. Tudo isso hoje é permitido, graças às redes mundiais de computadores. Sem elas, haverá muitas dificuldades nas atividades do dia a dia.

Veja também: A Física na Evolução Tecnológica Moderna e Perspectivas Futuras.

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