Ondas - Física 1

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Ondas - Parte 4
Física
1o bimestre - Aula 04
Ensino Médio
3a
SÉRIE
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Ondas.
Compreender o significado de velocidade de propagação do som; 
Compreender e analisar o Efeito Doppler para o som.
Conteúdo
Objetivos
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(EM13CNT104) Avaliar os benefícios e os riscos à saúde e ao ambiente, considerando a composição, a toxicidade e a reatividade de diferentes materiais e produtos, como também o nível de exposição a eles, posicionando-se criticamente e propondo soluções individuais e/ou coletivas para seus usos e descartes responsáveis.
Vire e Converse
Boom Sônico
Observe a imagem ao lado e discuta com seus colegas: 
O que você acha que está acontecendo com o avião?
O que ocorre quando uma aeronave ultrapassa a velocidade do som?
Avião militar F-18 durante um voo.
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Para começar
Se considerarmos uma porção homogênea de ar à temperatura constante, a velocidade do som será constante, portanto, a frequência e o comprimento de onda são grandezas proporcionais. Isso significa que a onda de maior frequência possui menor comprimento de onda.
A velocidade pode ser calculada pela expressão matemática:
Velocidade do Som no Ar
Em que é a velocidade do som (m/s), é o comprimento de onda (m) e é a frequência (Hz).
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Foco no conteúdo
A velocidade de propagação do som não depende da pressão do ar. Isso significa que um aumento ou diminuição de pressão não altera a velocidade de propagação das ondas.
No ar, a velocidade de propagação da onda depende da temperatura absoluta, ou seja, um aumento de temperatura gera um aumento na velocidade do som.
Velocidade do Som no Ar
Pessoas conversando. No ar, a 15ºC, a velocidade do som é de aproximadamente 340m/s.
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Foco no conteúdo
A tabela abaixo fornece valores da velocidade do som em alguns meios:
	Meio	Velocidade do som (m/s)	Meio	Velocidade do som (m/s)
	Ar (a 0°C)	331	Água (a 20°C)	1482
	Ar (a 15ºC)	340	Chumbo	1210
	Oxigênio (a 0°C)	316	Alumínio	5000
	Hidrogênio (a 0°C)	1284	Aço	5960
	Mercúrio (a 20°C)	1450	Berílio	12870
Fonte: Villas Bôas, Newton Tópicos de física : volume 2 / Newton Villas Bôas, Ricardo Helou Doca, Gualter José Biscuola. — 19. ed. — São Paulo : Saraiva, 2012.
Velocidade do Som no Ar
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Foco no conteúdo
O som, por ser uma onda, ao atingir um obstáculo, sofre reflexão. Na reflexão, ocorre mudança na direção ou apenas no sentido da propagação, porém a velocidade, a frequência e o comprimento de onda não se alteram.
A audição humana consegue distinguir sons em intervalo de tempo maior ou igual a 0,1s.
Uma pessoa ao emitir um som que se reflete num obstáculo e retorna num intervalo de tempo menor que 0,1s, terá a impressão de o som ter sido “reforçado”, este fenômeno é a reverberação.
Reverberação
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Foco no conteúdo
Se o som retornar à orelha num intervalo de tempo maior ou igual a 0,1s, será possível diferenciar o som de ida e de volta, esse fenômeno é chamado eco. Vamos considerar o seguinte cálculo:
 distância do observador ao obstáculo, medida em metros.
: velocidade do som no ar, vale 340 m/s.
: tempo de ida e volta do som, medido em segundos.
Eco
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Foco no conteúdo
Em 0,1s o som pode percorrer, com velocidade de 340m/s, uma distância de 34m (ida e volta). Portanto, o eco só ocorre quando o obstáculo estiver a uma distância aproximadamente maior ou igual a 17m da fonte da onda.
Eco
Exemplo de eco: onda sonora é refletida.
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Foco no conteúdo
Faça uma pesquisa sobre a Importância do Eco Sonoro em diferentes contextos, analisando sua importância em diversas situações, como na natureza, na arquitetura, em ambientes urbanos, entre outros.
Eco Sonoro em diferentes contextos 
Todo mundo escreve
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Na prática
Diversas manifestações de eco podem ser observadas quando emitimos um grito em frente a uma montanha ou no interior de uma caverna. Nesses casos, percebemos inicialmente o som direto, seguido pelo som refletido pela própria estrutura montanhosa. Certos animais, como morcegos, baleias e golfinhos, empregam ondas ultrassônicas como ecolocalizadores. Essas ondas servem para identificar a posição de obstáculos sem depender da visão, utilizando, em vez disso, a sensibilidade auditiva desses animais.
Na arquitetura, em catedrais e grandes salões, a arquitetura pode criar condições propícias para o eco, contribuindo para a reverberação de música, cantos ou até mesmo o som de passos.
Eco Sonoro em diferentes contextos 
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Na prática
Salas de Concerto, projetadas especificamente para otimizar a qualidade acústica, muitas vezes, apresentam superfícies que promovem um eco controlado, melhorando a experiência musical.
Sonar: os sonares funcionam a partir da emissão de pulsos sonoros, que se chocam com os obstáculos e retornam à fonte. Conhecendo-se o valor da velocidade de propagação dos pulsos sonoros na água e o tempo entre a emissão e recepção deles, pode-se determinar a distância de um obstáculo ou submarino.
Eco Sonoro em diferentes contextos 
Sonar
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Na prática
Acesse o simulador disponível em: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=kv_doppler&l=pt. 
Acesso em: 12 dez. 2023
Efeito Doppler
Clique no botão verde no lado inferior direito;
Aguarde a execução do simulador;
Agora, clique na seta azul também no lado inferior direito;
Repita as etapas anteriores até o simulador voltar na posição inicial.
Discuta com seus colegas sobre suas observações a cerca desse fenômeno sonoro.
O que você conclui sobre suas observações?
Vire e Converse
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Na prática
Situação I: a fonte (carro de som) e o observador 
se deslocam juntos, não há mudança na frequência do som, em relação à fonte e ao observador.
Efeito Doppler
Situação III: o observador está em repouso, e a fonte sonora se aproxima, temos um som mais agudo e quando se afasta do observador, o som se torna mais grave.
Situação II: temos a fonte sonora em repouso e o observador que se aproxima e se afasta da fonte, assim, temos uma mudança de frequência sonora.
I
II
III
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Na prática
Em 1842, o físico austríaco Christian Johann Doppler (1803-1853) escreveu um artigo afirmando que a frequência sonora percebida por um observador depende do movimento relativo entre fonte e observador.
Efeito Doppler é a alteração da frequência percebida pelo observador em virtude do movimento relativo de aproximação ou de afastamento entre fonte e observador.
O Efeito Doppler sonoro é comumente percebido, por exemplo, quando um automóvel se aproxima de nós buzinando, percebemos o som da buzina mais agudo (maior frequência) do que perceberíamos se o veículo estivesse em repouso. Contudo, quando o automóvel se afasta buzinando, percebemos um som mais grave (menor frequência) do que perceberíamos se o veículo estivesse em repouso.
Efeito Doppler
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Foco no conteúdo
Podemos escrever que a frequência percebida por um observador, quando houver movimento relativo entre esse observador e a fonte:
Em que:
 a velocidade do observador;
 a velocidade da fonte;
 a velocidade do som no ar;
a frequência real do som (emitido pela fonte);
 a frequência do som percebida pela pessoa.
Efeito Doppler
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Foco no conteúdo
Para descobrir os sinais das velocidades, basta construir um eixo orientado do observador para a fonte:
Efeito Doppler
Observador
Fonte
Por convenção, se a velocidade estiver a favor da orientação, será positiva, se estiver contra à orientação, será negativa.
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Foco no conteúdo
Exercício de aplicação
Considere que a frequência do som emitido pela buzina de um carro é 400 Hz, que esse automóvel se movimenta com velocidade 20 m/s e que a velocidade do som no ar é de 340 m/s. Determine a frequência percebida por um menino nas seguintes situações: quando o veículo se aproxima e quando se afasta dele.
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Na prática
Exercício de aplicação
Na primeira situação, o veículo se aproxima do menino:
 (contrárioao sentido do observador-fonte)
Na segunda situação, o veículo se afasta do menino:
 (coincide com o sentido do observador-fonte)
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Na prática
Agora, com os conhecimentos sobre velocidade do som, retome a atividade inicial e reescreva suas respostas aos questionamentos.
Boom Sônico
Todo mundo escreve
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Aplicando
 
Boom Sônico
Os aviões supersônicos são aeronaves projetadas para voar a velocidades superiores à velocidade do som, que é aproximadamente 1.225 quilômetros por hora (761 milhas por hora) ao nível do mar e em condições atmosféricas padrão. O avião supersônico mais conhecido é o Concorde, que estava em operação até 2003, mas atualmente existem novos projetos sendo desenvolvidos.
Quando a aeronave atinge ou excede a velocidade do som, ela entra no regime supersônico, ou seja, as ondas de pressão do ar são deixadas para trás, gerando um cone de som. Esta grande quantidade de energia sonora é captada pelo ouvido humano semelhante a uma forte explosão ou trovão. As ondas são geradas pela resistência das camadas de ar ao avanço do avião, que será maior à medida que sua velocidade aumenta.
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Aplicando
Compreendemos que a velocidade do som no ar depende da temperatura e do material no qual está se propagando;
Compreendemos e analisamos o Efeito Doppler no som.
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O que aprendemos hoje?
Lemov, Doug. Aula nota 10: 49 técnicas para ser um professor campeão de audiência. Trad. Leda Beck; consultoria e revisão técnica de Guiomar N. de Mello e Paula Louzano. São Paulo : Da Prosa: Fund. Lemann, 2011.
Villas Bôas, Newton Tópicos de física : volume 2 / Newton Villas Bôas, Ricardo Helou Doca, Gualter José Biscuola. — 19. ed. — São Paulo : Saraiva, 2012.
Slide 3: https://pixabay.com/pt/photos/quebrando-a-barreira-do-som-jato-99684/
Slide 5: Elaborado para o material
Slide 9: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/persistencia-audicao.htm
Slide 12: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonar_example.svg
Slide 13: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=kv_doppler&l=pt
Slide 14: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=kv_doppler&l=pt
Slide 19: Elaborado para o material
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Referências
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