Dyne
Symbol: dynWorldwide (scientific)
O que é um/uma Dyne (dyn)?
Definição Formal
O dyne (símbolo: dyn) é a unidade de força no sistema de unidades centímetro-grama-segundo (CGS). Um dyne é definido como a força necessária para acelerar uma massa de um grama a uma taxa de um centímetro por segundo ao quadrado: 1 dyn = 1 g·cm·s⁻². Em unidades SI, um dyne é exatamente igual a 10⁻⁵ newtons (0.00001 N), ou equivalente a 10 micronewtons.
O dyne é uma unidade de força muito pequena. A força gravitacional sobre uma massa de um grama na superfície da Terra é aproximadamente 980,665 dynes (ou aproximadamente 1 grama-força). A pequena magnitude do dyne o torna bem adequado para medir tensão superficial, forças viscosas e outros fenômenos que envolvem forças pequenas, mas impraticável para aplicações de engenharia.
Contexto do Sistema CGS
O sistema CGS, que utiliza centímetros, gramas e segundos como unidades básicas, foi o sistema dominante na física desde meados do século XIX até a adoção do SI em 1960. Embora o SI tenha substituído em grande parte o CGS, várias unidades CGS — incluindo o dyne — sobrevivem em campos científicos especializados onde fornecem magnitudes convenientes ou onde décadas de dados publicados utilizam unidades CGS.
Etymology
Origem Grega
A palavra "dyne" deriva do grego "δύναμις" (dynamis), que significa poder, força ou força. A mesma raiz nos dá "dinâmico", "dínamo" e "dinastia". O nome foi escolhido para refletir o papel da unidade como a medida fundamental de força no sistema CGS.
O dyne foi introduzido como parte do sistema CGS desenvolvido pela British Association for the Advancement of Science na década de 1870. O comitê, que incluía Lord Kelvin e James Clerk Maxwell, buscou criar um sistema coerente onde quantidades mecânicas, térmicas e eletromagnéticas pudessem ser expressas em termos de centímetros, gramas e segundos.
Convenção de Nomenclatura
Ao contrário da maioria das unidades métricas modernas, o dyne não é nomeado em homenagem a um cientista. Ele segue o padrão de unidades CGS derivadas de raízes gregas ou latinas (erg para energia, do grego "ergon" = trabalho; poise para viscosidade, nomeado em homenagem a Poiseuille). O nome simples e descritivo do dyne ajudou a mantê-lo em uso científico mesmo enquanto as unidades SI substituíam a maioria das outras unidades CGS.
Precise Definition
Definição CGS
O dyne é definido como: 1 dyn = 1 g·cm·s⁻². Esta é a força que acelera uma massa de um grama em um centímetro por segundo ao quadrado. A definição segue diretamente da segunda lei de Newton aplicada em unidades CGS.
Equivalência SI
1 dyn = 10⁻⁵ N = 10 μN (micronewtons). A conversão segue das relações de unidades CGS para SI: 1 g = 10⁻³ kg e 1 cm = 10⁻² m, então 1 g·cm/s² = 10⁻³ kg × 10⁻² m/s² = 10⁻⁵ kg·m/s² = 10⁻⁵ N.
Conversões Chave
1 dyn = 10⁻⁵ N = 10 μN = 0.0000022481 lbf = 0.0000010197 kgf = 1.0197 × 10⁻⁶ gf (grama-força) está incorreto; na verdade, 1 dyn = 1.0197 × 10⁻³ gf. Mais utilmente: 1 N = 100.000 dyn = 10⁵ dyn, e 1 kgf = 980.665 dyn.
História
O Sistema CGS
O sistema centímetro-grama-segundo foi proposto por Carl Friedrich Gauss em 1832 e formalmente desenvolvido pela British Association for the Advancement of Science (BAAS) a partir de 1874. O comitê da BAAS, que incluía William Thomson (Lord Kelvin), James Clerk Maxwell e outros físicos renomados, estabeleceu as unidades mecânicas CGS: o dyne (força), o erg (energia) e o barye (pressão).
O sistema CGS tornou-se o sistema dominante na física e na química por quase um século. Foi particularmente favorecido porque as equações eletromagnéticas assumiram formas mais simples em CGS do que no sistema original MKS (metro-quilo-segundo). Gerações de físicos aprenderam e publicaram em unidades CGS, criando um vasto corpo de literatura denominado em dynes, ergs e gauss.
Competição com MKS
O sistema MKS (metro-quilo-segundo), proposto por Giovanni Giorgi em 1901, competiu com o CGS ao longo do início do século XX. O sistema MKS ofereceu tamanhos de unidades mais práticos para engenharia: o newton (= 10⁵ dyn) era mais adequado para forças do dia a dia, e o joule (= 10⁷ erg) era mais apropriado para medições de energia prática. O estabelecimento do SI em 1960 formalizou a abordagem MKS, relegando o CGS ao status de legado.
Sobrevivência em Campos Específicos
Apesar da dominância do SI, o dyne sobrevive em vários contextos científicos. A tensão superficial é frequentemente relatada em dynes por centímetro (dyn/cm) em química e ciência dos materiais. A viscosidade na unidade CGS poise (dyn·s/cm²) permanece comum. A literatura astronômica, particularmente referências mais antigas, utiliza extensivamente unidades CGS. O dyne por centímetro quadrado (barye) aparece em alguns contextos de ciência atmosférica.
Uso atual
Medição de Tensão Superficial
O dyne por centímetro (dyn/cm) é a unidade mais comum para expressar a tensão superficial em química, ciência dos materiais e indústria. A água a 20 °C tem uma tensão superficial de aproximadamente 72,8 dyn/cm. O etanol tem cerca de 22 dyn/cm. O mercúrio tem cerca de 487 dyn/cm. A unidade equivalente do SI é milinewtons por metro (mN/m), e a conversão é convenientemente simples: 1 dyn/cm = 1 mN/m exatamente.
Viscosidade
A unidade CGS de viscosidade dinâmica, o poise (P), é definida como 1 dyn·s/cm². O centipoise (cP) — um centésimo de um poise — é a unidade de viscosidade mais comumente usada na indústria. A água a 20 °C tem uma viscosidade de aproximadamente 1 cP. O equivalente SI, o milipascal-segundo (mPa·s), tem o mesmo valor numérico: 1 cP = 1 mPa·s.
Astrofísica
Alguns cálculos astrofísicos continuam a usar unidades CGS, incluindo o dyne. A pressão de radiação, pressão magnética e tensões gravitacionais em interiores estelares podem ser expressas em dynes por centímetro quadrado. Embora publicações mais novas usem cada vez mais o SI, o legado do CGS na astrofísica persiste.
Ciência de Polímeros e Colóides
A ciência dos polímeros e a química de coloides frequentemente usam dyn/cm para medições de tensão interfacial. A tensão superficial crítica de molhamento para superfícies de polímeros — um parâmetro chave na tecnologia de adesão e revestimento — é tradicionalmente relatada em dyn/cm.
Everyday Use
Uma Força Extremamente Pequena
O dyne é muito pequeno para medições de força do dia a dia. Segurando este texto na frente do seu rosto, o peso de um único cílio é de cerca de 0,5–1 dyne (5–10 micronewtons). Um mosquito pousando no seu braço exerce cerca de 2–5 dynes. Um grão de areia pesa cerca de 25–50 dynes. Esses exemplos ilustram por que o dyne nunca encontrou aplicação prática no dia a dia.
Tensão Superficial na Vida Diária
Embora a maioria das pessoas não use o dyne diretamente, a tensão superficial medida em dyn/cm governa muitos fenômenos cotidianos. O fato de que a água tem uma tensão superficial de cerca de 73 dyn/cm (muito mais alta do que a maioria dos líquidos) é a razão pela qual a água forma gotas, por que pequenos insetos podem andar sobre a água e por que um copo ligeiramente transbordante mantém água acima de sua borda.
Sabão e detergentes funcionam reduzindo a tensão superficial da água de cerca de 73 dyn/cm para cerca de 25–30 dyn/cm, permitindo que a água molhe superfícies e penetre em tecidos de forma mais eficaz. Esta é uma aplicação direta da ciência medida em dynes por centímetro.
Impressão e Revestimentos
A indústria de impressão e revestimentos usa a tensão superficial (em dyn/cm) para garantir a adesão adequada da tinta. Filmes plásticos devem ter uma energia superficial de pelo menos 38–42 dyn/cm para que a tinta adira adequadamente. O tratamento corona ou o tratamento a chama aumentam a energia superficial oxidando a superfície do polímero. O controle de qualidade verifica a energia superficial usando canetas de teste de dyne — marcadores calibrados para valores específicos de dyn/cm.
In Science & Industry
Teoria Eletromagnética (CGS)
Em unidades CGS gaussianas (uma variante do CGS usada em eletromagnetismo), o dyne aparece na lei de Coulomb como: F = q₁q₂/r² (em estáticoulombs e centímetros, dando força em dynes). Esta forma é mais simples do que o equivalente SI, que requer a constante 1/(4πε₀). Muitos livros didáticos de física teórica, particularmente os mais antigos, usam essa formulação.
Biologia Molecular
Forças em nível molecular estão frequentemente na faixa de piconewtons (10⁻¹² N = 10⁻⁷ dyn). Embora os piconewtons tenham substituído em grande parte os dynes nas publicações modernas de biofísica, a conversão é direta. A força para descompactar o DNA é cerca de 10–15 pN (10⁻⁶ dyn). A força gerada por uma única proteína motor kinesina se movendo ao longo de um microtúbulo é de cerca de 6 pN.
Dinâmica de Fluidos
O sistema CGS fornece uma estrutura particularmente conveniente para a dinâmica de fluidos em pequenas escalas. O número de Reynolds — o parâmetro adimensional chave que governa o comportamento do fluxo de fluidos — assume formas simples em CGS. O arrasto viscoso em pequenas partículas (lei de Stokes) dá força diretamente em dynes ao usar entradas CGS: F = 6πηrv, onde η está em poise, r em centímetros e v em cm/s.
Química de Superfície
Medições de tensão superficial e interfacial são centrais para a química de superfície. O método da placa de Wilhelmy, o método do anel de Du Noüy e o método da gota pendente todos fornecem resultados em dyn/cm ou mN/m. As medições de ângulo de contato são interpretadas usando a equação de Young, onde as energias superficiais estão em dyn/cm (= erg/cm²).
Interesting Facts
The dyne is so small that Earth's gravitational force on a single grain of rice is about 25,000 dynes (0.25 N). A dyne is roughly the weight of 1/1000 of a grain of rice.
Water's surface tension (about 73 dyn/cm at 20 °C) is unusually high because of hydrogen bonding between water molecules. Only mercury (about 487 dyn/cm) has a substantially higher surface tension among common liquids.
Dyne test pens, used in the printing industry, contain liquids calibrated to specific surface tensions (typically 30–56 dyn/cm). When drawn across a plastic surface, the ink either beads up (surface energy too low) or spreads evenly (surface energy adequate for printing).
The CGS system in which the dyne lives was partly developed by James Clerk Maxwell — the same physicist who unified electricity, magnetism, and optics. Maxwell preferred CGS because it simplified electromagnetic equations.
In Gaussian CGS units, the speed of light appears explicitly in electromagnetic equations, making the connection between electricity and magnetism more transparent than in SI. This pedagogical advantage kept CGS alive in physics education for decades after SI adoption.
The erg (the CGS energy unit) equals 1 dyne-centimeter, just as the joule equals 1 newton-meter. One erg = 10⁻⁷ joules — another illustration of the CGS system's small-scale orientation.