''SOBRE A INTERAÇÃO DAS FORÇAS NATURAIS": UMA DISCUSSÃO SOBRE A PROPOSIÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA NOS ARTIGOS DE HELMHOLTZ

## 'SOBRE A INTERAÇÃO DAS FORÇAS NATURAIS': UMA DISCUSSÃO SOBRE A PROPOSIÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA NOS ARTIGOS DE HELMHOLTZ

## ON THE INTERACTION OF NATURAL FORCES: A STUDY ON THE ENERGY CONSERVATION IN HELMHOLTZ'S PAPERS

## Leticia Glass1, Débora Polli Mendeleski2 Nathan Willig Lima3, Matheus Monteiro Nascimento4

1Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Instituto de Física - Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física - leticia.glass@ufrgs.br

- 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Instituto de Física - debora.polli@ufrgs.br 3 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Instituto de Física - Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física - lima.nathan@ufrgs.br
- 4 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Instituto de Física - Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física - matheus.monteiro@ufrgs.br

## Resumo

O presente trabalho tem por objetivo realizar uma análise histórica de dois textos originais de Hermann von Helmholtz: Sobre as Interações das Forças Naturais e Sobre a Conservação da Força identificando, principalmente, a moldura filosófica subjacente à proposição do autor. Esses artigos são considerados na literatura, os textos que definiram pela primeira vez em sua generalidade o conceito de Conservação de Energia. Como foco para a análise dos textos, escolhemos as visões filosóficas que o autor apresenta em seus escritos. Utilizamos como referencial teórico as ideias do filósofo Bruno Latour. Para conduzir este trabalho, foram formuladas três questões: 1) quais exemplos são apresentados nos artigos originais para definir a conservação de energia? 2) que fenômenos o autor pretende explicar? 3) qual visão filosófica de mundo desse cientista? As respostas para cada uma das questões apresentadas, aparecem durante a análise dos artigos e na conclusão do trabalho.

Palavras-chave : conservação de energia, história e filosofia da ciência,Latour,

## Abstract

The present work aims to carry out a historical analysis of two original texts by Hermann von Helmholtz: On the Interactions of Natural Forces and On the Conservation of Force - identifying, mainly, the philosophical framework underlying the author's proposition. These articles are considered in the literature, the texts that first defined the concept of Energy Conservation in general. As a focus for the analysis of the texts, we chose the philosophical views that the author presents in his writings. We use the ideas of the philosopher Bruno Latour as a theoretical reference. To conduct this work, three questions were asked: 1) what examples are presented in the original articles to define energy conservation? 2) what phenomena does the author intend to explain? 3) what philosophical worldview of this scientist? The answers to each of the questions presented, appear during the analysis of the articles and at the conclusion of the work.

Keywords : conservation of energy, history and philosophy of science,Latour

## Introdução

O princípio da conservação de energia, um dos princípios fundamentais da Física, foi discutido de diferentes formas por um grande número de cientistas de maneira simultânea (KUHN, 1977) e, finalmente, definido em sua generalidade por Hermann Von Helmholtz (ELKANA, 1975).

O processo de definição desse conceito apresenta faces diversas. Ele ocorreu no contexto da revolução industrial, período caracterizado pelo crescente interesse no desenvolvimento de máquinas térmicas, principalmente na Europa. Existia também, no mesmo período histórico, a crença na possibilidade de construção de uma máquina que realizasse movimento perpétuo. Nesse contexto, é impossível apontar apenas um cientista como responsável pela formulação do princípio da conservação da energia. Deve-se atentar, entretanto, que não podemos definir esse como um trabalho colaborativo, mas sim simultâneo, sobre o qual vários nomes da Ciência realizam experimentos e publicações independentes (GOMES, 2018a, 2018b). Isso ocorreu principalmente porque não havia, ainda, uma definição do conceito de Energia, bem como de suas potencialidades e relações. Sendo assim, quando Leibniz estudava a quantidade de movimento, Carnot fazia experimentos sobre máquinas térmicas, Faraday investigava conversões de energia elétrica e Liebig analisava características fisiológicas dos homens e animais. Não se entendia à época, que se tratava de um mesmo fenômeno (KUHN, 1977).

Nesse contexto, Hermann von Helmholtz (1821-1894) se destacava como médico e físico. Desde muito jovem teve contato com os trabalhos de vários cientistas como Newton e D'Alambert. Estudou muitos anos com o também médico Muller e, portanto, era conhecedor de vários estudos relacionados à energia. Helmholtz foi o primeiro a definir o conceito da conservação de energia matematicamente e de forma geral (ELKANA, 1975). Apesar de nem mesmo ele ter uma definição clara do que era a energia, a ideia de conservação de um ente (que ele chama de 'Kraft' e que foi traduzido como força), foi definida por ele.

Outro aspecto de destaque vinculado ao trabalho de Helmholtz é a sua visão sobre a natureza da ciência. A despeito de ser amplamente reconhecido pela sua proposição sobre a conservação da energia ou pela criação do oftalmoscópio, suas contribuições filosóficas extrapolam a Física (e a própria medicina) e o colocam como um nome importante no campo da epistemologia (SCHIEMANN, 2009).

Nosso objetivo é realizar uma análise histórica sobre dois artigos escritos por Helmoltz: On The Conservation of Force (Sobre a Conservação da Força) , considerado o texto no qual o conceito é definido formalmente pela primeira vez e On the Interactions of Natural Forces (Sobre as Interações da Força), texto em que o autor trata das relações entre as forças da natureza e no qual cita o primeiro texto. Esses dois artigos são nosso objeto de estudo e serão discutidos à luz de um conjunto de autores que definem diferentes visões filosóficas. Para isso, buscaremos responder a três perguntas de pesquisa: 1) quais exemplos são apresentados nos artigos originais para definir a conservação de energia? 2) que fenômenos o autor

pretende explicar? 3) qual visão filosófica de mundo subjacente aos trabalhos desse cientista?

## Referencial Teórico-Metodológico

- O presente trabalho apresenta um relato histórico, explicitando, principalmente, as visões filosóficas presentes nos textos. Em especial, pretendemos identificar e categorizar as visões filosóficas de Helmholtz segundo as seguintes categorias: a) holismo versus reducionismo; b) essencialismo versus instrumentalismo.

Um dos precursores do Reducionismo foi René Descartes. Ele propôs a analogia do mundo que funcionava como uma máquina, na qual todos os fenômenos poderiam ser reduzidos às leis de movimento da Física. Descartes também concebe o corpo humano como uma máquina e os movimentos do coração e dos nervos como responsáveis pela vida (DESCARTES, 2013). Ou seja, o reducionismo é uma moldura filosófica para a qual todos os fenômenos podem ser explicados a partir de movimento e interações. O autor Fritjof Capra, ampliando a noção de paradigma científico de Thomas Kuhn, denomina essa moldura filosófica ou visão de mundo como paradigma mecanicista. Em seu livro O Ponto de Mutação (1986) o autor descreve o paradigma reducionista como hegemônico para toda a sociedade moderna, e como esse teve influência em outras áreas do conhecimento que não as exatas, como a concepção de vida e de saúde, a psicologia e a economia (PIGOZZO; LIMA; NASCIMENTO, 2019). Em oposição a este paradigma, o autor apresenta uma moldura filosófica denominada de holismo. O holismo refere-se a uma visão da realidade em função da totalidade e que não pode ser reduzida a unidades menores.

- Já o essencialismo, segundo Popper (1963), descreve a natureza das coisas, sua essência. Segundo essa visão, a ciência fornece explicações 'últimas', ou seja, desvelam ou descobrem as essências da realidade. Em contrapartida, o instrumentalismo refere-se ao posicionamento filosófico que nega ser possível haver uma explicação física definitiva. Alguns filósofos instrumentalistas, como Mach, sequer acreditam que exista uma essência oculta a ser descoberta na natureza. Esses veem a ciência como mero instrumento ou ferramenta capaz de fornecer explicações e previsões, mas não descrições.

## Metodologia

A seleção dos textos se deu através de leituras sobre a gênese do conceito de Energia. A partir de artigos de história da Ciência (GOMES, 2015a, 2015b) foi possível identificar o conceito de conservação como fundamental ao longo da história do conceito de energia. A conservação de um ente, que só depois foi denominado energia, foi o que deu início a esse desenvolvimento. Depois disso, a busca seguiu através de fontes secundárias (ELKANA, 1975) que tratavam sobre o tema da conservação de forma mais aprofundada. A partir da leitura dessas obras, identificamos a importância dos dois textos escritos pelo físico Hermann von Helmholtz, os quais estavam indicados como fontes da primeira definição generalizada da conservação de energia.

Em paralelo à busca das fontes historiográficas primárias, estudamos as diferentes doutrinas filosóficas que disputavam a concepção sobre a natureza do conhecimento e da realidade - chegando ao delineamento das quatro categorias

supracitadas. As fontes historiográficas primárias foram, então, analisadas buscando verificar suas relações com os diferentes posicionamentos filosóficos.

## Um resgate das Ideias Originais de Helmholtz sobre Conservação de Energia

- O primeiro artigo de que tratamos é On the Interaction of Natural Forces (HELMHOLTZ, 1995a). O objetivo desse artigo é discutir o moto perpétuo, ou seja, máquinas capazes de reutilizar sua energia infinitamente na geração de trabalho, tema importante na época. Helmholtz falava da busca incessante pela produção de uma máquina que fosse capaz de realizar tal tarefa. O argumento inicial, o qual Helmholtz pretende refutar, é o de que homens e animais parecem corresponder a um aparato capaz de realizar moto perpétuo, uma vez que realizam movimento sem consumir combustível algum, ou seja, usando sua própria energia. Então, se os homens pudessem ser construídos, o moto perpétuo seria encontrado. A intenção de Helmholtz a apresentar esse argumento é a de refutá-lo (bem como o moto perpétuo de modo geral), não por considerar que homens e animais não possam ser comparados a máquinas, mas por entender que esses, assim como as máquinas, necessitam de combustível para realizar suas ações.

O corpo do animal, portanto, não difere do motor a vapor no que diz respeito à maneira como obtém calor e força, mas difere dele na maneira pela qual a força adquirida é utilizada. Além disso, o corpo é mais limitado que a máquina na escolha de seu combustível [...] (HELMHOLTZ, 1995a, tradução nossa)

Nesse trecho, a visão mecanicista do autor aparece explícita, na concepção de corpo apenas como um instrumento que usa energia para realizar movimentos, como uma máquina.

Para provar a impossibilidade do moto perpétuo, o autor apresenta o argumento das transformações de forças 1 . Ressaltamos ainda que, como citado na introdução, muitos cientistas trabalhavam simultaneamente nesse mesmo conceito, através de diferentes experimentos e métodos. Nenhum deles, porém, usara a palavra energia para caracterizar esse ente. Mesmo assim, considera-se que a definição de Helmholtz tenha sido a original. Por questão de correspondência, nessa análise usaremos o termo força, como consta no artigo original.

- A argumentação para provar essa impossibilidade através das transformações inicia nos processos inorgânicos. A tarefa então seria rastrear para quais transformações existe um ganho de força. Ao invés disso, no entanto, o autor inverte a pergunta.

Como posso fazer uso das relações conhecidas e desconhecidas das forças naturais para construir um moto perpétuo? Mas se eu perguntar: se o moto perpétuo é impossível, quais são as relações que devem existir entre as forças naturais? Tudo é ganho por essa inversão da questão. As

relações das forças naturais se articulam com as consequências dessa suposição, uma série de relações desconhecidas é descoberta ao mesmo tempo e a correção daquilo que ainda falta provar. Se uma dessas relações puder ser falsa, então o moto perpétuo seria possível. (HELMHOLTZ, 1995a, tradução nossa)

Para responder esse questionamento, o autor apresenta um exemplo de conversão de forças da natureza em força mecânica, o de um moinho que usa a força do rio (uma força da natureza) para erguer um martelo (força mecânica). Segundo o texto, esse exemplo e uma série de outras transformações e descrições de máquinas, encontram-se detalhados no artigo Da conservação da Força (HELMHOLTZ, 1995b) que é considerado o artigo da primeira formulação do conceito de conservação de energia, no qual o próprio autor a denomina de lei universal.

Ao longo de seu artigo, Helmholtz discute fenômenos mecânicos, térmicos, elétricos e químicos (ainda são dados exemplos astronômicos e fisiológicos no outro artigo). Além do exemplo do moinho, Helmholtz descreve a produção de calor através da fricção e ainda exemplares de baterias. Esses aparatos mecânicos e descrições tem o objetivo de exemplificar as transformações da força, mostrando que essa se conserva quando é transformada de um tipo para outro. No final desse artigo, Helmholtz ainda afirma que essa lei serve também para a natureza orgânica.

Voltando ao artigo Das Interações das Forças Naturais , destacamos ainda que o autor se debruça sobre fenômenos astronômicos, como a formação planetária e a rotação e translação dos planetas. No entanto, se para os processos inorgânicos a impossibilidade do moto perpétuo está clara, resta saber, como citado no início da sessão se o mesmo vale para os processos orgânicos.

Ao final deste artigo então, o autor retorna à questão da fisiologia humana e do moto perpétuo.

Se, então, o processo no corpo animal não se distingue desse processo inorgânico, de onde vem o nutrimento que constitui a fonte da força do corpo? (HELMHOLTZ, 1995a, tradução nossa)

A explicação final para a impossibilidade do moto perpétuo realizado pelo corpo humano é que, mesmo o corpo precisa de uma fonte de força, um combustível que é o alimento (plantas). Os nutrientes presentes no alimento, por sua vez, necessitam da luz solar para serem produzidos, ou seja, usam a força do sol (força da natureza) para seu desenvolvimento.

Se essa visão se provar correta, dela derivamos o resultado de que todas as forças, por meio das quais nosso corpo vive e se move, encontram suas fontes na mais pura luz do sol [...] (HELMHOLTZ, 1995a, tradução nossa)

Após explicar de forma breve, citando os estudos de Liebig, o consumo de nutrientes através das plantas e relacionar a produção destes a exposição ao Sol, Helmholtz, então, resume tudo a força do Sol.

Dados todos os exemplos de máquinas e transformações de forças, as relações com cosmologia, química e fisiologia, o autor conclui que a natureza possui

um estoque inesgotável de força que não pode ser consumido ou aumentado, mas que se conserva.

A quantidade total de todas as forças capazes de realizar trabalho, em todo o universo, permanece eterna e imutável ao longo de todas as suas mudanças. (HELMHOLTZ 1995b, tradução nossa)

A conservação das forças, então, refuta o moto perpétuo, tanto em processos inorgânicos, quanto orgânicos.

Nesse sentido, podemos entender que a proposta de Helmholtz pode ser concebida como uma visão reducionista. Essa visão, difundida por Descartes também teve forte influência na Biologia e seu triunfo aconteceu com o modelo fisiológico proposto por William Harvey. Ele aplicou o modelo reducionista para explicar o sistema circulatório e conseguiu, sem o uso de aparelhos, descrever todo o funcionamento desse sistema (CAPRA, 1986). Ambos os cientistas, Helmholtz e Harvey compartilham a mesma moldura filosófica que entende o corpo como uma máquina. Para Helmholtz, o corpo é uma máquina que usa energia para realizar movimento e para Harvey, mesmo os processos fisiológicos do corpo podem ser descritos pelo movimento (BRIGNDANT; LOVE, 2017).

No trecho em que Helmholtz aponta o Sol como fonte de todas as forças, podemos notar que ele resume todas as interações de forças a uma única. O reducionismo é a filosofia que se opõe ao holismo, ou seja, acredita que o mundo pode ser reduzido a fenômenos separados e simples, nesse caso a conservação. Para Helmholtz, a física poderia explicar todos os fenômenos do mundo, inclusive os fisiológicos. Nesse sentido o autor difere-se fortemente do paradigma holístico, no qual a visão de mundo é a da totalidade e os eventos são explicados por diversos meios e não apenas por um único.

Além de reducionista, podemos associar a visão de Helmholtz a uma visão essencialista, isto é, ele assume que os constructos científicos se referem a essências do mundo real e não são meros instrumentos para falar do mundo, como defende a doutrina oposta, o instrumentalismo (POPPER, 1963). Para um instrumentalista não existe força ou energia, tais conceitos são apenas instrumentos criados pelos humanos para falar da natureza. Helmholtz, por outro lado, fala das forças do mundo, inclusive mencionando uma força natural, como se fosse algo real e objetivamente existente. Sendo, por isso, um essencialista.

## Conclusões

Nesse trabalho apresentamos uma breve análise de dois artigos de Hermann von Helmohltz, reconhecidos como estando associados à origem da Conservação de Energia. A partir da análise dos textos fomos capazes de identificar a moldura filosófica na qual Helmholtz estava inserido ao escrever sobre a conservação, bem como os experimentos e fenômenos que o autor descreve ao tratar do assunto. Primeiramente vimos que os experimentos e fenômenos estudados e apresentados para definir a conservação eram diversos, desde fenômenos mecânicos, elétricos, químicos e até fisiológicos.

Ademais, foi possível associar a visão do autor a concepções filosóficas específicas, que, de fato, faziam parte do contexto social do cientista. Como pano de fundo de todo o texto, identificamos a forte presença de uma visão mecanicista, uma vez que todos os exemplos citados eram reduzidos a máquinas, suas peças e o funcionamento das partes. Mesmo o corpo humano fora comparado a uma máquina, ou um aparato que usa energia para produzir movimento, mais de uma vez. Todos os exemplos recaíam a ideia de movimento e interações entre corpos materiais no espaço. Além disso, em dado trecho do texto o autor reduz todas as forças e interações a forças da natureza, ou força do Sol, mostrando estar ainda inserido em uma moldura reducionista.

Dito isso, podemos perceber como o reducionismo cartesiano, teve influência sobre todas as áreas do conhecimento. Apesar de hoje o conceito de energia ser considerado parte da Física, em sua gênese, ele fora associado à medicina, química e biologia de maneira igual. Helmholtz apresenta exemplos de todas essas áreas de conhecimento ao falar sobre um mesmo tema, deixando clara, ainda, sua visão essencialista.

Concluindo, ressaltamos que a abordagem didática contemporânea, que reduz a conservação de energia a exemplos mecânicos, acaba por suprimir seu caráter 'interdisciplinar' e por apagar a moldura filosófica que viabilizou o desenvolvimento desse princípio. Entendemos que resgatar a discussão original de Helmholtz no ensino de física pode viabilizar uma discussão sobre o Princípio de Conservação de Energia de forma mais ampla, além de ensejar uma possível discussão sobre as relações entre Física e Filosofia.

## Referências

BRIGNDANT, I.; LOVE, A. Reductionism in Biology. The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Spring 2017 Edition) , Palo Alto, 2017.

CAPRA, F. O Ponto de Mutação: A Ciência, A Sociedade E A Cultura Emergente . 25. ed. São Paulo: Cultrix, 1986.

DESCARTES, R. Discurso do Método . 1. ed. São Paulo: L&PM, 2013.

ELKANA, Y. The Discovery of the Conservation o f Energy . 2a. ed. Cambridge: Harvard University Press, 1975.

GOMES, L. C. A história da evolução do conceito físico de energia como subsídio para o seu ensino e aprendizagem - parte II. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 32, 2015 a.

GOMES, L. C. A história da evolução do concei to f ísico de energia como subsídio para o seu ensino e aprendizagem - parte I. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 32, p. 407-411, 2018 a.

HELMHOLTZ, H. von. On the Interaction of the Natural Forces. In : CAHAN, D. (org.). Science and Culture Popular and Philosophical Essays . Chicago: University of Chicago Press, 1995 a.

HELMHOLTZ, H. von. On the Conservation of Force. In : CAHAN, D. (org.).

Science and Culture Popular and Philosophical Essays . Chicago: University of Chicago Press, 1995 b.

KUHN, T. S. Energy Conservation as an Example of Simultaneous Discovery. In : The Essential Tension Selected Studies in Scientific Tradition and Change . Chicago: University of Chicago Press, 1977. v. 18p. 223.

POPPER, K. Conjeturas e Refutações : Routledge and Kegan Paul, 1963.

SCHIEMANN, G. Hermann von Helmholtz's Mechanism: the loss of certainty : Springer Science, 2009.