Linguagem binária, eletrônica e física

Vocês já pararam pra pensar por que usamos o sistema decimal?

Com dez números podemos escrever qualquer número, desde cedo, antes mesmo de entrarmos na escola, aprendemos a contar:  0, 1, 2, 3, 4 , 5, 6 ,7, 8, 9, e aí temos a dezena: 10, 11, 12, …..99, centena, depois milhar e assim por diante.

Provavelmente o sistema decimal foi adotado porque iniciamos a contar usando os dedos das mãos e como temos dez dedos nas mãos, foi esse o sistema adotado pela maioria dos povos. Mas se tivéssemos optado pelo sistema hexagonal teríamos vantagem nas contas realizadas de cabeça, pois existem mais números divisíveis por 6 do que por 10.

Para a linguagem computacional a decisão foi escolhida de forma prática, a facilidade de uso da linguagem binária. Para usarmos um sistema decimal no computador precisaríamos de um sistema eletrônico bem mais complexo. A linguagem binária é fácil, pois se baseia na passagem ou não de corrente elétrica. Um componente eletrônico chamado transistor é o responsável por esse controle. O transistor pode funcionar como um amplificador de corrente elétrica ou como um interruptor, uma espécie de chave automática que permite a passagem de elétrons através de uma barreira de potencial. Essa função era feita, antes da eletrônica, pelas válvulas. Temos assim: passagem de corrente: estado ligado ou informação: Sim (1), ou bloqueio da corrente, estado desligado: não (0).

Transistor

Um computador só “entende” zeros e uns. Qualquer número que você digitar ele converterá para um conjunto de 0 e/ou 1. A menor unidade de informação, portanto é um bit (um algarismo zero ou um algarismo um). O conjunto de oito bits forma um byte. Quando dizemos que uma música em mp3 tem 3,5 MB (megabytes) significa que ela ocupa 3,5 milhões de bytes de informação, ou 8 x 3,5 = 28 milhões de bits de informação. Se seu HD tem 500 GB você já sabe quanto de informação ele pode conter, 500 bilhões de bytes.

Mas como fazemos para escrever um número com zeros e um? Por exemplo, como pode ser escrito o número 243 em linguagem binária?

A ideia é bem simples, é fácil fazer uma máquina somar, então somamos todos os bits que formam um byte. Dispomos cada byte numa linha e cada bit formará uma coluna (veja a tabela abaixo). Na primeira coluna da esquerda para a direita temos: 2⁷ = 128, a segunda 2⁶ = 64, na terceira 2⁵ = 32, na quarta 2⁴ = 16, na quinta 2³ = 8, na sexta 2² = 4, na sétima 2¹ = 2 e na oitava 2⁰ = 1 (qualquer número elevado a zero é um).

Dessa forma somando-se todos os números dessa linha teremos o total: 128+64+32+16+8+4+2+1 = 255, mas só fazemos essa soma se todos estiverem marcados com o numero 1. Ao se colocar zero significa que não devemos contar aquela coluna. Por exemplo: marcando zero em toda linha teremos o número 0. Marcando apenas a última coluna teremos o valor 2⁰ = 1. O número 2 pode ser escrito como 10, que significa: não considere nenhuma coluna apenas a antepenúltima, que significa 2¹ =2. Já o três teremos que somar o 2 com o 1, portanto marcamos 1 na coluna 7 e na coluna 8: 2¹+2⁰=2+1=3. Seguindo esse raciocínio obtemos a tabela abaixo:

2^7	2^6	2^5	2^4	2^3	2^2	2^1	2^0	TOTAL
0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	1	1
0	0	0	0	0	0	1	0	2
0	0	0	0	0	0	1	1	3
0	0	0	0	0	1	0	0	4
0	0	0	0	0	1	0	1	5
0	0	0	0	0	1	1	0	6
0	0	0	0	0	1	1	1	7
0	0	0	0	1	0	0	0	8
0	0	0	0	1	0	0	1	9
0	0	0	0	1	0	1	0	10
0	0	0	0	1	0	1	1	11
1	1	1	1	0	0	1	1	243

Note que o número 100 em decimal equivale ao número 4 em linguagem binária e o 1000 ao número 8. Para encontrarmos o número 243 devemos escrever: 11110011.

Válvula

Para escrever letras o computador utiliza um código de conversão alfanumérico.

O transistor permitiu a miniaturização da eletrônica. As válvulas eram grandes e dependiam do aquecimento para funcionar, eram lentas. O transistor é rápido e minúsculo e pode ser tornado menor ainda em chips (circuitos integrados). A física quântica teve um papel fundamental nisso, assim como o eletromagnetismo foi importante para o desenvolvimento dos motores elétricos e para a linha de montagem. Assim como sem as leis da termodinâmica não seria possível a primeira revolução industrial.

O desenvolvimento da fibra óptica e do laser está sendo fundamental para a eletrônica digital. Os zeros e uns podem ser obtidos pelo mesmo princípio, mas ao invés de corrente elétrica, utiliza-se a luz do laser. Luz = 1, escuro = 0. Um CD ou DVD, por exemplo, possui trilhas que refletem a luz, ou absorvem a luz.

Circuito Integrado (Chip)

A física teve e ainda tem um papel fundamental no avanço tecnológico, na verdade isso vale para toda ciência. É preocupante então, que nosso país não incentive os alunos a se dedicarem a área científica, principalmente à física e química. Alcançamos o posto de sétima economia mundial, mas para avançarmos ainda mais e também para mantermos isso, precisamos investir em tecnologia de ponta, e sem mão de obra qualificada e sem pesquisadores de alto nível (em quantidade) estaremos sempre atrás.

Praticamente todo jornal traz um caderno diário de política, esportes, economia, mundo, cotidiano e até horóscopo. Será que algum dia teremos um caderno diário de ciência?

feixes de laser

Comparação entre poder de transmissão da fibra optica e dos fios de cobre convencional

fibra óptica sendo percorrida por laser

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Invisibilidade. Ficção e Realidade.

 

Quem nunca sonhou em ser invisível? Lembro-me de que das vontades que eu tinha, quando criança, essa só perdia para a vontade de voar. Nessa época, havia dois seriados cujo herói era um homem invisível. Em um deles, o personagem era sempre invisível e por isso tinha que usar uma máscara, o outro ficava invisível apertando um botãozinho no relógio (vocês mais novos devem estar pensando: que babaca! Não é? Mas aposto que muitos colecionavam os bonequinhos dos cavaleiros do zodíaco, criança é “um bicho bobo” mesmo, principalmente os meninos).

Em filmes como Harry Potter ou O Senhor dos Anéis, a invisibilidade aparece em itens mágicos como mantos ou capas. Já nos super-heróis temos a mulher invisível do quarteto fantástico.

O grande escritor de ficção científica do século XIX, H.G. Wells, nos brindou com muitas questões intrigantes e atuais. Em “A máquina do tempo” ele aborda as viagens pelo tempo. Em “Guerra dos mundos” somos invadidos por seres extraterrestres, Na aventura “A ilha do Dr Moreau” ele previu as questões relativas a clonagem e engenharia genética e em “O homem invisível” um cientista torna-se completamente invisível depois da manipulação de compostos químicos. Será que a máquina do tempo foi realmente uma ficção? Ou ele realmente criou uma máquina do tempo,viajou ao futuro e voltou para criar estórias fantásticas?

Nas forças armadas os aviões  F-117 Nighthawk  e o B2 Spirit Stealth Bomber

são chamados de invisíveis, pois conseguem fugir dos radares absorvendo as ondas enviadas pelos mesmos. Essa absorção acontece entre outras coisas, graças a uma tinta especial e uma arquitetura completamente diferente do avião.

Para entender a física da invisibilidade é preciso entender a óptica básica da visão. Muitos ainda pensam como Aristóteles, achando que a visão parte dos nossos olhos para o objeto, mas é o contrário. A visão só é possível se o objeto que está sendo visto emite luz ou reflete luz. A luz deve partir do objeto para nossos olhos e não o contrário.

Por isso não conseguimos enxergar no escuro, sem luz, sem visão. As vezes conseguimos distinguir alguma coisa num quarto escuro, mas é que na verdade não há escuridão total e sim a penumbra. Na falta total de luz, não tem como enxergarmos. Alguns animais conseguem “ver” no escuro porque possuem sensores térmicos e captam o calor emitido por suas presas, portanto eles enxergam em outro comprimento de onda (outra freqüência) de luz.

Como tornar algo invisível então?

No Best Seeler de 1987 Operação Cavalo de Tróia  de J.J. Benitez, que rendeu 7 continuações, no romance fictício, mas que pretende ser tratado como real, é descrito uma espaçonave que fica completamente invisível. Para isso a espaçonave emite, em torno dela mesma, raios infravermelhos que absorveriam a luz visível que incidisse sobre ela. Sem refletir luz ela seria invisível, segundo o autor.

O autor esqueceu apenas de um pequeno detalhe, ao absorver toda luz que incide sobre a nave, tudo que estiver atrás dela não será visto, a nave não ficará invisível e sim uma enorme macha negra viajando por sobre as cabeças das pessoas.

Um objeto só será invisível se permitir que a luz o atravesse quase totalmente (ou como veremos, se a luz puder contorná-lo).  No laboratório de física do colégio realizo um experimento que mostra como tornar um bastão de vidro invisível , algo parecido com o que é mostrado nesse vídeo:

No vídeo foi usado glicerina, eu utilizo tetracloroetileno. Esses líquidos possuem uma densidade muito parecida com a do vidro, assim quando mergulhamos um bastão de vidro neles, a luz atravessa o líquido e o bastão praticamente sem desvio e por isso não podemos enxergá-lo. No laboratório o experimento chama bastante atenção. Primeiro mergulho o bastão em um béquer vazio e o bastão pode ser visto com clareza. Depois encho o béquer com tetracloroetileno e ao mergulhar o bastão, ele some, fica somente uma pequena sombra como se ele estivesse envolto no manto do Harry Potter.

Apesar do sucesso o experimento deixa os alunos um pouco decepcionados. Quando comento que para ser invisível um objeto precisa  ter a mesma densidade do ar, não demora muito até que alguém perceba que seria impossível, para uma pessoa, se tornar invisível.

Mas o que dizer do manto da invisibilidade?

A imagem abaixo não é uma montagem nem traz truque algum:

Esta jaqueta é uma tentativa, ainda tosca, da busca do manto da invisibilidade. Observe que é possível observar o vulto das pessoas que estão atrás de quem está usando a jaqueta. Já que não podemos modificar nossa densidade para se igualar com a do ar, porque não curvar a luz de tal forma que ela não passe através de nós?

Os metamateriais consistem de um arranjo regular de minúsculos componentes que lhe dá propriedades bem diferentes dos materiais encontrados na natureza. A nanotecnologia está revolucionando de uma forma estrondosa a ciência dos materiais e a cada dia novas propriedades estão sendo descobertas. Entre essas propriedades estranhas dos metamateriais estão a absorção praticamente total de toda luz que incide sobre eles, e o índice de refração negativo, que faz com que a luz “vá para o lado contrário” quando curvada.

Usando metamateriais os cientistas conseguiram criar uma espécie de manto da invisibilidade, fazendo a luz contornar o objeto ao invés de atravessá-lo ou ser absorvida por ele. Os primeiros trabalhos foram feitos em comprimentos de onda não visíveis e para planos bidimensionais. Estudos mais recentes já conseguiram curvatura da luz em 3D e para comprimentos de ondas muito próximos do visível.

A figura ao lado mostra como uma esfera poderia ser escondida. A luz, ao atingir o metamaterial seguiria a trajetória das linhas pretas, sofrendo uma curvatura em torno da esfera central e sairiam sem tocá-la.

Os primeiros estudos sobre esses materiais começaram a aparecer em 2007 e é impressionante que tanto avanço pode ser obtido em menos de 4 anos.

Ainda estamos muito longe do manto da invisibilidade. Enquanto isso podemos nos divertir com a deliciosa comédia de John Carpenter “Memórias de um homem invisível” com Chevy Chase, Daryl Hannah e Sam Neill, ou para quem gosta do gênero suspense com efeitos especiais “ O homem sem sombra” de Paul Verhoeven, com Elisabeth Shue, Kevin Bacon, Josh Brolin e Kim Dick, infelizmente, em minha modesta opinião, os roteiristas deixaram escapar uma boa idéia inicial, pois o filme começa muito bem mas depois se perde em clichês idiotas, do tipo perseguição insana. O melhor mesmo é procurar na biblioteca “O homem invisível” do Wells, esse é diversão garantida.

Bibliografia:

Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies

D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, D. R. Smith

Science

Vol.: Vol. 314. no. 5801, pp. 977 – 980

DOI: 10.1126/science.1133628

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=metamaterial-indice-negativo-refracao&id=010160100428

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=manto-da-invisibilidade-3d&id=010160100319

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160070503&id=010160070503