Ondulatória

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Ondulatória
A Ondulatória é a parte da física que estuda as ondas e os fenômenos relacionados a elas.
1. Conceito de onda
Ondas são perturbações regulares que se propagam, mas não transportam matéria. As ondas apenas transportam energia.
2. Classificação das ondas
As ondas podem ser classificadas de acordo com sua natureza e com a direção de vibração e propagação.
2.1 Quanto à natureza
· Ondas mecânicas: são aquelas que precisam de um meio material para se propagarem.
As ondas mecânicas não se propagam no vácuo.
Ex.: ondas em cordas e ondas sonoras.
· Ondas eletromagnéticas: são aquelas que não necessitam de um meio material para se propagarem, podendo fazê-lo no vácuo.
Todas as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo com a velocidade de 300 000km/s.
Ex.: ondas de rádio, de televisão e de luz.
2.2 Quanto à direção de vibração
· Transversais: são aquelas cujas vibrações são perpendiculares à direção de propagação. 
Ex.: ondas em cordas.
· Longitudinais: são aquelas cujas vibrações coincidem com a direção de propagação. Ex.: ondas sonoras
2.3 Quanto à direção de propagação
· Unidimensionais: são aquelas que se propagam numa só direção. 
Ex.: ondas em cordas.
· Bidimensionais: são aquelas que se propagam em duas direções, isto é, num plano.
Ex.: ondas na superfície de um lago.
· Tridimensionais: são aquelas que se propagam em todas as direções.
Ex.: ondas sonoras no ar atmosférico ou em metais.
Representação de onda:
3. Ondas sonoras
As ondas sonoras perceptíveis ao ouvido humano são denominadas sons.
O meio em que a onda se propaga pode ser material ou não. É justamente essa característica – existência ou não de matéria – que orienta a classificação das ondas em eletromagnéticas ou mecânicas.
As ondas eletromagnéticas propagam-se tanto em meios materiais quanto no vácuo. Já as ondas mecânicas se propagam somente em meios materiais.
O som é uma onda de natureza mecânica. Isso significa que, para se propagar, ele necessita de um meio material, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. E, por ser uma onda mecânica, o som não se propaga no vácuo.
O som é uma onda longitudinal, o que significa que a onda sonora vibra na mesma direção em que se propaga.
4. Propagação do som
Ao se propagar, o som adquire certa velocidade, que depende da disposição das moléculas que compõe o meio.
Nos sólidos, as moléculas estão mais próximas umas das outras. No estado líquido, um pouco mais distante, já no estado gasoso encontram-se bem distantes.
Como o som depende da existência de matéria para se propagar, a maior proximidade das moléculas no meio favorece a sua velocidade, logo a onda sonora é mais veloz nos meios sólidos que nos líquidos; e, por sua vez, propaga-se melhor nos líquidos que nos gases.
A velocidade do som segue, portanto, esta relação:
gás
líquido
sólido
v
v
v
ñ
ñ
Além do tipo de meio material, há outro fator que influencia a velocidade de propagação do som: a temperatura do meio.
Assim, no ar, a 15ºC, o som se propaga a uma velocidade de, aproximadamente, 340m/s. Na água, a sua velocidade é de 1 470m/s, a essa mesma temperatura. E no ferro, ainda a 15ºC, sua velocidade é de, aproximadamente, 4 400m/s.
Entretanto, em dias em que a temperatura do ar está mais elevada, a velocidade de propagação do som é diminuída, porque há um afastamento entre as moléculas que produz essa redução.
5. O que caracteriza o som
As características mais importantes relativas ao som são altura, intensidade e timbre.
Inicialmente precisamos compreender frequência.
Frequência indica o número de repetições de um evento (ciclos, voltas, oscilações) observadas ao longo de um intervalo de tempo, que normalmente varia de um segundo a um minuto.
No SI, a unidade de frequência é dada em hertz (Hz). Assim, 1Hz equivale a uma oscilação completa dada em 1 segundo. Para ondas sonoras é comum se utilizar múltiplos dessa unidade, como o quilo-hertz (kHz), que é igual a 1 000Hz, e o mega-hertz (MHz), que equivale a 1 000 000Hz (1 milhão de Hz).
5.1 Altura
Essa propriedade do som – caracterizada pela frequência da onda sonora – qualifica-o em grave ou agudo. Assim, um som com baixa frequência é conhecido como grave, e o som com altas frequências, como agudo.
No que diz respeito aos seres humanos, é comum o homem apresentar voz mais grave (com baixa frequência), e a mulher, voz mais aguda (com alta frequência).
5.2 Intensidade ou volume
A intensidade – também chamada sonoridade – é a característica do som que permite classifica-lo em forte (mais intenso) e fraco (menos intenso).
É pela intensidade sonora que se calcula o nível sonoro, que indica se um som tem um volume muito intenso ou não, cuja unidade de medida é o decibel (dB). A decolagem de um avião (130dB) tem o nível sonoro bem superior ao de uma conversa normal (60dB).
Exemplo de alguns sons considerados como ruídos simples do nosso dia-a-dia e seu nível sonoro.
· o ruído de uma sala de estar chega a 40dB;
· um grupo de amigos conversando em tom normal chega a 55dB;
· o ruído de um escritório chega a quase 64dB;
· um caminhão pesado em circulação chega a 74dB;
· o tráfego de uma avenida de grande movimento pode chegar aos 85dB;
· o tráfego de uma avenida com grande movimento em obras com britadeiras até 120dB;
· um estádio cheio de vuvuzelas pode chegar até 140dB
A partir de 55 dB pode-se considerar uma fonte sonora como incômodo. Emissões sonoras entre 60 a 75 dB produzem stress físico. A partir do nível sonoro de 85 dB a fonte sonora é potencialmente danosa aos ouvidos, e 120dB é considerado o limiar da dor.
5.3 Timbre
Esta característica permite a diferenciação entre outros sons de mesma frequência e de mesma intensidade, desde que as ondas sonoras desses sons sejam diferentes. Por exemplo: uma mesma nota musical tocada em uma flauta e em um piano será percebida de modo bem distinto pelos ouvintes.
6. Fenômenos sonoros
6.1 Reflexão
Quando o som alcança algum obstáculo e retorna. A reflexão pode causar os fenômenos do eco e da reverberação.
6.1.1 Eco
Os obstáculos que refletem o som podem apresentar grandes asperidades. Assim, o som pode ser refletido por um muro, uma montanha,...
O som refletido chama-se eco, quando se distingue do som direto.
Para uma pessoa ouvir o eco de um som por ela produzido, deve ficar situada a 17m, no mínimo do obstáculo refletor.
Exemplo de utilização: O sonar é um aparelho capaz de emitir ondas sonoras na água e captar seus ecos, permitindo, assim, a localização de objetos sob a água.
6.1.2 Reverberação
Em grandes salas fechadas ocorre o encontro do som com as paredes. Esse encontro produz reflexões múltiplas que não só reforçam o som, como também o prolongam durante algum tempo, depois que cessou a emissão.
É esse prolongamento que constitui a reverberação.
A reverberação ocorre quando o som refletido atinge o observador no instante em que o som direto está se extinguindo, ocasionando o prolongamento da sensação auditiva.
6.2 Refração
Consiste no processo de a onda sonora passar de um meio para outro, mudando sua velocidade de propagação e o comprimento de onda, mas mantendo constante a frequência.
6.3 Difração
Fenômeno em que a onda sonora pode transpor obstáculos.
Exemplo: Quando se coloca um obstáculo entre uma fonte sonora e o ouvido, o som é enfraquecido, porém não extinto. Logo, as ondas sonoras não se propagam somente em linha reta, mas sofrem desvios nas extremidades dos obstáculos que encontram.
6.4 Ressonância
Quando um corpo começa a vibrar por influência de outro, na mesma frequência deste, ocorre um fenômeno chamado ressonância.
Como exemplo, podemos citar o vidro de uma janela que se quebra ao entrar em ressonância com as ondas sonoras produzidas por um avião a jato.
Exemplos:
1. Na época de chuvas é comum o aparecimento de nuvens carregadas eletricamente. As descargas elétricas entre nuvens produzem, geralmente, ondas de luz (relâmpagos), acompanhadas de ondas sonoras, que chamamos de trovão. Considerando que avistamos o relâmpago e ouvimos o trovão 20s após, determine a distância entre nós e o local da descarga elétricaentre as nuvens. Considere que a velocidade do som seja igual a 340m/s.
2. Um tiro é disparado contra um alvo preso a uma grande parede refletora de som. O atirador ouve o eco do disparo 3s depois de disparar o tiro. Supondo-se que o som viaje no ar com velocidade de 340m/s, calcule a distância que separa o atirador da parede refletora, em metros:
Exercícios:
1. Quais são os dois fatores relevantes para se determinar a velocidade do som?
2. Que característica do som permite classifica-lo em grave ou agudo?
3. Que propriedade do som permite diferenciar a fonte de uma mesma nota dada em instrumentos musicais diferentes, como um piano e uma flauta?
4. Um trem de ondas planas propagando-se na água atinge um obstáculo e sofre um desvio, tendendo a contorna-lo. Esse fenômeno ondulatório denomina-se:
a) Interferência
d) Refração
b) Polarização
e) Reflexão
c) Difração
5. (PUC – SP) Uma onda de qualquer natureza é necessariamente uma forma de transmissão de:
a) Massa
b) energia
c) temperatura
d) frequência
e) força
6. (PUC – SP) No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas:
a) Têm a mesma frequência.
b) Têm a mesma intensidade.
c) Se propagam com a mesma velocidade.
d) Se propagam com velocidades menores do que a da luz.
e) São polarizadas.
7. (UFMG) Daniel brinca produzindo ondas ao bater com uma vareta na superfície de um lago. A vareta toca a água a cada 5 segundos. Se Daniel passar a bater a varinha a cada 3 segundos, as ondas produzidas terão maior:
a) Comprimento de onda.
d) Velocidade.
b) Frequência.
e) Força.
c) Período.
8. (FMTM – MG) Se emitimos duas notas de mesma frequência e amplitude, em um piano e em um violino, é possível distingui-las claramente porque os instrumentos emitem sons de diferentes:
a) Alturas.
d) Comprimentos de onda.
b) Intensidades relativas.
e) Velocidades.
c) Timbres.
9. (UFMG) O som é um exemplo de uma onda longitudinal. Uma onda produzida numa corda esticada é um exemplo de uma onda transversal. O que difere ondas mecânicas longitudinais de ondas mecânicas transversais é:
a) A frequência.
d) A direção de propagação.
b) A direção de vibração do meio de propagação.
e) O timbre.
c) O comprimento de onda.
10. Com o início do período chuvoso, é comum vermos o relâmpago e logo em seguida ouvirmos o trovão. Qual seria a distância aproximada do observador, em metros, do local onde caiu o raio, sabendo que ele escutou o som do trovão 3 segundos após ter visualizado o relâmpago? Dada a velocidade do som de 340m/s.
a) 720
b) 940
c) 1000
d) 1020
e) 1200
11. O trovão é uma manifestação sonora natural. A fonte do trovão é uma descarga elétrica (raio), que, por sua vez, produz um clarão (relâmpago). Trovão e relâmpago ocorrem ao mesmo tempo. O som emitido pelo trovão se desloca a uma velocidade de 340m/s, no ar, enquanto o relâmpago emite luz a uma velocidade de 300 000 000m/s, no ar. Se um raio cair a 3 400m de distância de um ouvinte, quanto tempo ele demora para ouvi-lo após ter visto o relâmpago?
12. Um caçador dispara sua arma diante de um anteparo refletor e ouve o eco do tipo após 6s. Sabendo que o som se propaga no ar com velocidade de 340m/s, calcular a distância do caçador ao anteparo:
13. Um observador está diante de um muro situado a 680m de distância contra o qual dá um tiro. Sabendo-se que a velocidade do som é de 340m/s, após quantos segundos o observador perceberá o eco do tiro?
14. O sonar de um submarino recebe as ondas sonoras refletidas pelo casco de um navio 4s após a emissão das ondas. Desprezando a velocidade relativa entre o submarino e o navio e admitindo que a velocidade de propagação do som na água do mar é de, aproximadamente, 1 450m/s, calcule a distância aproximada entre o navio e o submarino:
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