Mecânica newtoniana, equações de Maxwell e as transformações de Lorentz

dc.contributor.advisor1Seixas, Wladimir
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1697352974728327
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-0843-3500
dc.contributor.authorOliveira, Karolina Kathallyn Silva de
dc.date.accessioned2026-10-01T14:38:54Z
dc.date.issued2025-12-10
dc.description.abstractThis work develops a mathematical and conceptual analysis of the transition from Newtonian Mechanics to Special Relativity, emphasising the formal structures underpinning each theory and the reasons that make the relativistic reformulation of space and time necessary. Aimed at an audience with a mathematical background, it seeks not only to present the physical results, but also to illuminate the algebraic and geometric structures that enable this theoretical reformulation. In the first part, Classical Mechanics is presented in the light of vector formalism and analytic geometry, discussing the concepts of absolute space, absolute time, laws of motion, reference frames, and conserved quantities. Subsequently, Electromagnetism is introduced through Maxwell’s equations, the interpretation of light as an electromagnetic wave, and the description of electric and magnetic fields. This analysis highlights the incompatibility between Galilean relativity and the invariance of Maxwell’s equations, a conflict empirically reinforced by the Michelson–Morley experiment. From this conceptual crisis, the work proceeds to the second part, devoted to the formulation of Special Relativity. Einstein’s postulates, Lorentz transformations, and the structure of space-time are introduced, presenting fundamental relativistic quantities such as proper time, four-vectors, the electromagnetic tensor, and the Minkowski metric. It is shown how the classical concepts of momentum, energy, and force are reformulated within the new theoretical framework, as well as the covariant form of Maxwell’s equations, which acquire elegance and geometric coherence within the tensor formalism. Finally, some applications and consequences of modern physics are discussed, highlighting phenomena and technologies whose understanding depends directly on Relativity, such as global positioning systems (GPS), high-energy processes in particle physics, properties of electromagnetic fields and waves, and the foundations of contemporary astrophysics. Thus, the work demonstrates that Special Relativity does not replace Classical Physics, but rather generalises it in a consistent manner, preserving it as a limiting case and integrating mechanical and electromagnetic descriptions within a single conceptual and mathematical framework. In conclusion, this work emphasises that Special Relativity emerged not merely as a theoretical correction, but as a natural consequence of a deeper mathematical conception. By presenting the concepts and derivations with formal precision, it is hoped that this work contributes to a clearer mathematical understanding of this conceptual leap.eng
dc.description.resumoEste trabalho desenvolve uma análise matemática e conceitual da transição da Mecânica Newtoniana para a Relatividade Especial, enfatizando as estruturas formais que sustentam cada teoria e os motivos que tornam necessária a reformulação relativística do espaço e do tempo. Voltado a um público de formação matemática, busca-se não apenas expor os resultados físicos, mas também iluminar a estrutura algébrica e geométrica que permitem essa reformulação teórica. Na primeira parte, apresenta-se a Mecânica Clássica à luz do formalismo vetorial e da geometria analítica, discutindo-se os conceitos de espaço absoluto, tempo absoluto, leis do movimento, sistemas de referência e quantidades conservadas. Em seguida, introduz-se o Eletromagnetismo por meio das equações de Maxwell, da interpretação da luz como onda eletromagnética e da descrição dos campos elétrico e magnético. Essa análise evidencia a incompatibilidade entre a relatividade galileana e a invariância das equações de Maxwell, conflito reforçado empiricamente pelo experimento de Michelson–Morley. A partir dessa crise conceitual, o trabalho avança para a segunda parte, dedicada à formulação da Relatividade Especial. São introduzidos os postulados de Einstein, as transformações de Lorentz e a estrutura do espaço-tempo, apresentando grandezas relativísticas fundamentais como o tempo próprio, os quadrivetores, o tensor eletromagnético e a métrica de Minkowski. Mostra-se como os conceitos clássicos de momento, energia e força são reformulados no novo arcabouço teórico, bem como a forma covariante das equações de Maxwell, que adquirem elegância e coerência geométrica no formalismo tensorial. Por fim, discutem-se algumas aplicações e consequências da física moderna, destacando fenômenos e tecnologias cuja compreensão depende diretamente da Relatividade, como sistemas de posicionamento global (GPS), processos de altas energias em Física de partículas, propriedades de campos e ondas eletromagnéticas, e fundamentos da astrofísica contemporânea. Assim, o trabalho evidencia que a Relatividade Especial não substitui a Física Clássica, mas a generaliza de modo consistente, preservando-a como caso limite e integrando as descrições mecânicas e eletromagnéticas em um único quadro conceitual e matemático. Por fim, este trabalho destaca que a Relatividade Especial emergiu não apenas como uma correção teórica, mas como uma consequência natural de uma concepção matemática mais profunda. Ao apresentar os conceitos e as deduções com precisão formal, espera-se contribuir para o entendimento matemático desse salto conceitual.por
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamento
dc.identifier.citationOLIVEIRA, Karolina Kathallyn Silva de. Mecânica newtoniana, equações de Maxwell e as transformações de Lorentz. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Matemática) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2025. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.14289/24782.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24782
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.courseMatemática - M
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectFísica clássicapor
dc.subjectRelatividade especialpor
dc.subjectHistória da físicapor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::AREAS CLASSICAS DE FENOMENOLOGIA E SUAS APLICACOES
dc.subject.ods4. Educação de Qualidade
dc.titleMecânica newtoniana, equações de Maxwell e as transformações de Lorentzpor
dc.title.alternativeNewtonian mechanics, Maxwell’s equations, and Lorentz transformationseng
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