A construção do calendário levantou diversas questões, que para serem entendidas, dão origem a várias áreas do conhecimento, entre elas a Astronomia e a Física. É possível utilizar a busca do entendimento sobre o calendário como fio condutor para o surgimento de diversos conceitos e grandezas da Astronomia e da Física. Este texto faz um sumário do que se pode explorar.
Buscando entendendo o calendário podemos explorar o surgimento da Física.
As razões que motivaram a descoberta do ano e a busca da sua determinação estão relacionadas com a importância do conhecimento da periodicidade do clima da Terra para a atividade agrícola. Por isto, muitos povos, cada qual a sua maneira, procuraram criar o seu calendário e medir o ano. O que é o ano, ou melhor, o que é que causa o ano?
Já que o ano marca a nossa existência de forma tão decisiva estão é essencial entender o que ele é. Hoje nós sabemos a resposta, se você determinar o período do movimento relativo entre a Terra e o Sol, você obterá o ano. Por isto, entender o que é o movimento e quais são as suas causas está no nascimento da Física.
Além do ano, ao ler um calendário, como o nosso, nós temos diversas informações: os dias da semana, os meses, as fases da Lua, e as estações do ano. Contém ainda diversas datas importantes que podem ser universais, nacionais ou religiosas, tais como Carnaval, Páscoa, Dia do Trabalhador ou Natal. Uma coisa interessante é que algumas datas, algumas festas, marcam o início da época do plantio ou da colheita. Assim, determinar o ano com bastante precisão é determinar estas datas, que podem ser cruciais para a agricultura. As mudanças no clima são causadas pela maior o menor intensidades de luz do sol na superfície da Terra. Isto nos leva a outros dois tópicos de física, calor e luz.
Há comemorações interessantes para outras áreas do conhecimento como os ritos de passagem. Vejam, por exemplo, a nossa celebração do dia do Ano Novo uma festa quase universal, pois ainda há muitos povos que usam calendários distintos do nosso e comemoram o Ano Novo num dia diferente. Por que será que comemoramos o Ano Novo? Muito provavelmente é um sinal de uma sociedade marcadamente agrícola quando se pretendia avisar a todos que o clima vai se repetir. Outro exemplo interessante é o feriado do equinócio no Japão, de novo o clima vai mudar. Hoje continuamos comemorando falando “Ano novo, vida nova”, um recomeço.
No início, a Astronomia.
Há vários corpos celestes que o seu movimento ou a sua identificação estão presentes no calendário. Primeiro e mais importante é o movimento do Sol em relação a Terra que é usado para determinar o dia, uma unidade universal para o tempo. Depois o movimento da Lua em relação a Terra e as suas fases, que medido em dias, inspirou o tamanho do mês. A semana de sete dias é uma escolha que vem da Babilônia e dos judeus, inspirados pelo Sol, a Lua e os cinco planetas visíveis, Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno. Ainda hoje, muitas línguas, entre elas inglês e espanhol, denominam os dias da semana inspirados por eles.
Por isso, os objetos astronômicos se tornaram instrumentos importantes para a medida do tempo, na determinação do ano e, posteriormente, também na orientação nas viagens. Isto explica o interesse para a observação astronômica e para as teorias que explicassem o movimento dos astros.
Tempo e espaço.
Para entender o movimento dos astros inventou-se o conceito de tempo e de espaço, quando ou onde. O uso destes conceitos permite que localizemos um objeto num lugar e quando isto aconteceu. As noções de espaço e tempo são muito importante para caminhar, caçar, saber para onde ir, essencial para a evolução da nossa espécie.
O que é o movimento.
A coisa mais simples que observamos é que o céu muda porque os objetos saem de um lugar e vão para outro, a isto damos o nome de movimento. Observe que para definir o que seja movimento você precisa de duas grandezas, uma que define o lugar, o espaço, e outra que define o tempo. No movimento há uma mudança de lugar e por isso inventou-se o conceito de espaço. O espaço seria o local onde se pode localizar qualquer objeto. Para o movimento é essencial o observador, em relação a quem está se determinando o lugar e o tempo. O espaço é um conceito da Matemática e não foi por acaso que o seu surgimento também tem origem nestas mesmas questões. No movimento também há a mudança do tempo, há um intervalo de tempo entre eles. Entender o que seja o movimento permite responder uma pergunta recorrente na História da Humanidade é: o que irá ocorrer? Isto pode ser em relação a vida, a uma competição esportiva ou a próxima safra, nela está presente o tempo.
O ano.
A informação mais importante presente no calendário é o ano, por isso, havia um grande interesse em entender as razões para a sua ocorrência. Hoje nós sabemos que ele pode ser definido como o período, no sentido de tempo, no qual o movimento relativo entre a Terra e o Sol se repete. A definição mais comum nos livros é: o intervalo de tempo que a Terra gasta para dar uma volta completa em volta do Sol. Entretanto, para observar o ano desta forma você deveria estar no Sol. Para alguém na Terra, como é o caso de todos nós, é o intervalo de tempo que o Sol gasta para voltar ao mesmo ponto da sua trajetória em relação à Terra.
Quando você observa o movimento de um objeto, utilizando o conceito de espaço e tempo, você poderá imaginar que ele passa por uma série de pontos, cada um num instante de tempo distinto, este conjunto forma uma curva que se chama trajetória. Vista do Sol, a trajetória da Terra é uma elipse. Como se trata de uma órbita fechada, ele é um movimento periódico. Esta descoberta foi feita por Johannes Kepler inicialmente para o planeta Marte, analisando os dados astronômicos de Tycho Brahe, de quem foi assistente e, posteriormente, seu sucessor, como Matemático Imperial em Praga. A matemática foi essencial para esta descoberta. Veja que ninguém pode ir até o sol pois muito antes de chegar lá os materiais que conhecemos viram um gás absorvendo o calor emitido pelo sol. Como podemos afirmar qual é o movimento visto do sol? A resposta está na geometria. A nossa imaginação permite que utilizando a geometria transformar o que observamos da Terra para o que se observa do Sol.
Um dos grandes sucessos das Leis de Newton (1643-1727) que propôs as equações da Mecânica, as leis que regem o movimento, foi obter as órbitas dos planetas a partir da força com que o Sol e a Terra se atraem, a lei da atração universal. Este foi um dos resultados importantes para se estabelecer esta teoria, a sua capacidade de prever as órbitas a partir da força. Este resultado permite uma outra conclusão importante a matéria que compõe os corpos celestes obedecem as mesmas leis das que estão na Terra.
A elipse
O que é uma elipse? Assim como um círculo ela é uma curva relativamente simples de traçar. Você pegar uma tábua, nela coloca dois pregos distantes entre si, amarra neles as pontas de um pedaço de barbante, e com um lápis, esticando bem o barbante, desenha a curva. Esta curva é a elipse. Os pregos são os seus focos. Veja que com o mesmo pedaço de barbante você pode desenhar elipses distintas, bastando mudar a distância entre os pregos. Veja que se você colocar os pregos no mesmo lugar você desenha um círculo. A órbita da Terra é quase um círculo, a distância entre a Terra e o Sol muda proporcionalmente pouco, e isto tem implicações importantes sobre o nosso clima.
O clima da Terra.
Mas o calendário foi inventado para ser um instrumento de previsão do nosso clima. O movimento periódico dos corpos celestes resulta que eles podem ser utilizados como um relógio para nós, avisando sobre o clima que virá. Entretanto, cabe uma pergunta por que o clima muda. Rigorosamente o clima é um fenômeno muito complexo que depende de inúmeros fatores. Você poderá comprovar isto hoje pela dificuldade das previsões do tempo mesmo de um dia para o outro. Por outro lado, o grande responsável pelo nosso clima é o Sol, entendo a mudança de como a sua luz chega na Terra torna possível entender as características gerais das estações. Por isto foi necessário a estudar a luz e a sua relação com o calor.
A inclinação do globo terrestre e as estações.
Durante o ano o clima muda bastante como é que a Física também ajuda a explicar. Para caracterizar cada época, nós temos as estações do ano. Porque será que elas acontecem? Dependendo de onde você esteja sobre a Terra as estações são muito diferentes, quais as razões? A maneira mais simples de entender isso é observando de fora da Terra. Deste ponto de vista, ela gira em torno de um eixo que passa pelos pólos e faz um ângulo de 23,7o com uma reta perpendicular ao plano da órbita. É esta a razão pela qual o globo terrestre, que deveria estar presente em cada sala de aula, está inclinado. Na verdade este ângulo varia entre 22,0o e 24,5o. Vamos ver como esta inclinação produz as estações do ano
Clima, luz e calor
Há uma figura do portal da Wikipedia. que pode servir para como ilustração. Entretanto, tome cuidado, pois as diferenças das distâncias entre o Sol e a Terra e o ângulo de inclinação, no desenho, estão um pouco exagerados, os valores escritos corretos. O grande efeito no clima é a inclinação do eixo de rotação que faz com que a incidência da luz do Sol em cada um dos hemisférios dependa da sua posição na órbita. Vejamos o que causa esta inclinação do eixo da Terra nesta figura. Observe na figura que o pólo sul recebe mais luz e o pólo norte não. Menos luz significa menos calor, clima mais frio. ( Para ler um texto em português acesse o livro Astronomia e Astrofísica. Nele você poderá, entre outras coisas, ver figurassemelhantes a esta)
As estações e as observações.
Existem outros efeitos que também são produtos da inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à órbita e que vocês podem correlacionar com o clima. Um deles é o tamanho da parte clara do dia, o intervalo de tempo entre o Sol nascer e se por. Este intervalo de tempo varia durante todo o ano. Por exemplo, nós temos um dia que é o mais longo do ano e outro que é o dia mais curto. Estes dois dias são chamados de solstício, o mais longo marca o início do Verão e o mais curto o início do Inverno. Além destes, outros dois são especiais, os dias de 12 horas chamados de equinócios. Um corresponde ao início do Outono e outro ao início da Primavera. Sendo ambos de 12 horas, como é que distinguimos um do outro? Quando chega o equinócio do Outono, os dias estão diminuindo e no equinócio da Primavera, os dias estão aumentando. Dias mais longos significam, na ausência de nuvens, dias mais quentes; e dias mais curtos, dias mais frios. Com isto fica claro como o Sol afeta as estações. É a incidência da luz do Sol que esquenta a Terra; quanto maior a parte clara do dia, maior a incidência de luz e calor. Outros fenômenos afetam o clima na Terra, mas este é o mais importante.
Outra observação é a mudança da posição do nascer do Sol durante o ano. Costuma-se dizer que o Sol nasce a leste e se põe a oeste. Entretanto, se você observar cuidadosamente, a cada dia ele nasce num local distinto do dia anterior. Durante o inverno e a primavera, ele nasce cada dia mais ao sul e durante o verão e o outono, ele caminha para o norte. Medir esta mudança de um dia para o outro com instrumentos simples não é fácil, mas se você deixar passar uma semana ou 15 dias, o efeito é tão grande que será visível na sua casa, apartamento, sala de aula ou mesmo num sinal de trânsito.
Estas três observações, mudança no clima, mudança na parte clara do dia e mudança na posição onde nasce o Sol, são sinais distintos da mesma causa; a mudança do eixo de rotação da Terra em relação ao Sol na sua órbita.
Os meridianos e os círculos polares
Entendendo o efeito desta inclinação você pode entender como determinar o círculo polar. Ele é determinado da seguinte forma: no dia do solstício a partir daquela latitude, a incidência do Sol é nula. Isto dá um ângulo de 23,5 a partir do eixo de rotação. Não é por acaso que eles são gelados.
Resumo
Entender o clima da Terra está intimamente relacionado com o entendimento do seu movimento relativo frente ao Sol e da posição relativa do seu eixo de rotação. Entender o movimento dos planetas está na origem do surgimento da Física, a Mecânica de Newton. Mas este problema também chama a atenção para duas outras subáreas, já que a luz está ligada à Óptica e o Calor à Termodinâmica. A luz do Sol causa efeitos como o arco-íris com suas diversas cores e é a fonte de energia essencial para a vida na Terra.
