Aula1-Plano de Ensino e Ondas

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1º SEMESTRE/2014
Profª Drª Leila Ribeiro
CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
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1 – ONDAS
Caracterização
Principio de superposição
Movimento harmônico simples
Teorema de Fourier
Som
Propriedades das ondas
Critério de resolução
Polarização da luz
Ultra-som
Instrumentos ópticos
2- MECÂNICA ONDULATÓRIA E QUÂNTICA E OS PROCESSOS VISUAIS:
Dispositivo Dióptrico
Acuidade visual
Visão a cores
Olho Humano
Principais elementos do Olho Humano
Formação da imagem
Lentes de aumento e aumento angular
Defeitos visuais do Olho Humano
Câmaras fotográficas
Microscópios Ópticos
PLANO_CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
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3 - SOM:
Ondas sonoras
Sistemas vibrantes
Fonação
Ouvido humano
Ultra-som aplicado à medicina
4 - ENERGIA E O CORPO HUMANO
Energia
Introdução de energia
Trabalho realizado por uma força constante
Potência
Conservação de Energia
Energia Térmica
Energia Química e Biológica
Transformação da energia na biosfera
Fluxo de energia na Biosfera
O Corpo Humano e a energia
Variação da energia interna
Fontes convencionais de energia
Fontes não convencionais de energia
PLANO_CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
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5 - FLUÍDOS 
Pressão hidrostática
Medidas de pressão
Princípios de Pascal e de Arquimedes
Hidrodinâmica
Escoamento de fluidos
Tensão superficial
Capilaridade
Difusão e osmose
6 – FUNDAMENTOS DE RADIOPROTECAO 
Preparação
Equipamentos
Práticas de trabalho
Informações gerais sobre segurança radiológica
PLANO_CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
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Bibliografia Básica
HENEINE, I. F. Biofísica básica. 2. ed. São Paulo: Atheneu, 2007.
HALLIDAY, D., WALKER, J. e RESNICK, R. Fundamentos de física. 4° ed. São Paulo: LTC, 2004. 
OLIVEIRA, J. R., WACHTER, P. H. e AZAMBUJA, A. A. Biofísica para Ciências Biomédicas. 1ª ed. EDIPUCRS - PUC RS, 2002 
Bibliografia Complementar
OKUNO, E.; CALDAS, I. L. e CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harbra, 1986.
HENEINE, I. F., Biofísica Básica . 2 ed. Editora: Atheneu Editora, 2004 
DURAN, J. E. R., Biofísica fundamentos e aplicações . Ed. Person Prentice Hall, ed. 2003, reimpressão 2005. 
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Ondas
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ONDA
movimento causado por uma perturbação que se propaga através de um meio gasoso, sólido ou líquido.
Exemplo:
ondas do mar, ondas numa corda, ondas numa mola, ondas sonoras, ondas eletromagnéticas, etc.
Introdução
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Classificação das Ondas
As ondas podem ser classificadas em:
 Ondas mecânicas
 Ondas não-mecânicas (eletromagnéticas)
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São aquelas que precisam de um meio material para se propagar - transportando energia mecânica (não se propagam no vácuo). 
Exemplo: ondas em cordas, ondas sonoras (som), ondas do mar...
Ondas Mecânicas
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São ondas geradas por cargas elétricas oscilantes e não necessitam de uma meio material para se propagar (podendo se propagar no vácuo), transportando energia sob a forma de quanta ("pacotes" de energia). 
Ondas Eletromagnéticas
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Quanto à direção de propagação 
Unidimensionais: são aquelas que se propagam numa só direção (a energia propaga-se linearmente).
Exemplo: Ondas em cordas. 
Bidimensionais: são aquelas que se propagam num 
plano (energia propaga-se superficialmente).
Exemplo: Ondas na superfície de um lago. 
Tridimensionais: são aquelas que se propagam em todas as direções (a energia propaga-se no espaço).
Exemplo: Ondas sonoras no ar atmosférico ou em metais. 
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Movimento Harmônico Simples
Considere uma pessoa executando um movimento vertical de sobe e desce na extremidade livre da corda em intervalos de tempo iguais. Esses impulsos causarão pulsos que se propagarão ao longo da corda em espaços iguais, pois os impulsos são periódicos.
frequência  o número de cristas consecutivas que passam por um mesmo ponto, em cada unidade de tempo. 
a distância entre duas cristas ou dois vales é denominada comprimento de onda, representado por 
 a é a amplitude da onda.
período T o tempo necessário para que duas cristas consecutivas passem pelo mesmo ponto. 
unidade: s-1 = Hz (Hertz)
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Velocidade de Propagação da Onda
Temos uma relação simples entra o comprimento de onda, velocidade de propagação da onda (v) e a frequência da onda (), que é dada por:
				 v =  . 
Velocidade de propagação em diferentes materiais
Borracha: 54 m/s
O2: 317 m/s
Ar 20°C: 340 m/s
Água: 1.450 m/s
Ferro: 5.100 m/s
Granito: 6.000 m/s
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Exemplo:
Uma onda do mar aproxima da praia com velocidade de 1,8 m/s. O comprimento da onda é de 2,4 m.
Com qual frequência a onda atinge a praia?
Solução: 
O Hertz é a unidade de medida de frequência, e é representado por Hz.
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Vamos considerar outro exemplo. A figura abaixo mostra uma onda. Qual é o seu comprimento de onda? Se a frequência for de  12 Hz, qual é a sua velocidade de propagação? 
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Ondas Transversais e Longitudinais
Quando a perturbação for perpendicular à direção de propagação da onda, tem-se uma onda transversal. As partículas do meio vibram perpendicularmente à direção da propagação.
Quando a perturbação for paralela à direção de propagação, tem-se ondas longitudinais ou de compressão. 
Nas animações abaixo temos dois exemplos de onda longitudinal.
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Princípio da Superposição
Quando duas ou mais ondas se propagam por um dado ponto, em determinado instante, a perturbação resultante é a soma algébrica das perturbações de cada onda. 
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Interferência
O efeito combinado de duas ou mais ondas num ponto é chamado, de interferência.
Pontos vermelhos - interferência construtiva – encontro entre duas cristas da onda
Pontos pretos – interferência destrutiva - encontro entre um vale e uma crista
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Reflexão das Ondas
A reflexão de ondas é o fenômeno que ocorre quando uma onda atinge um obstáculo e muda a direção de propagação, podendo inclusive retornar ao ponto original.
Quando a extremidade em que a onda se propaga é fixa, a reflexão ocorrerá de forma inversa à normal, porém quando a extremidade for móvel ou livre, a reflexão retorna da mesma forma, sem inversão.
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Programa para simulação....
http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Wave_Interference
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Ondas Sonoras
As ondas sonoras são produzidas por deformações provocadas pela diferença de pressão em um meio elástico qualquer (ar, metais, isolantes, etc.), precisando deste meio para se propagar.
Quando as variações de pressão chegam às nossas orelhas, os tímpanos são levados a vibrar, causando a sensação fisiológica do som. 
Uma pessoa com audição normal consegue ouvir uma faixa de frequência que varia aproximadamente entre 20 e 20000 Hz. 
Ondas que apresentam frequências abaixo de 20 Hz são chamadas de infrassônicas. 
Ondas com frequências acima de 20000 Hz são chamadas ultrassônicas.
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Ondas Sonoras
Para propagação das ondas sonoras necessitamos de um meio material, líquido, sólido ou gasoso, portanto, não há propagação de ondas sonoras no vácuo.
Os sons são, na sua maioria, produzidos pela vibração de objetos sólidos, como o diafragma de um alto-falante de uma caixa de som.
O cone de um alto-falante se movimenta alternadamente para frente e para trás produzindo sucessivos pulsos de compressão e rarefação de ar, que se propagam em forma de onda.
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O efeito Doppler é uma característica observada nas ondas quando emitidas ou refletidas por um objeto que está em movimento com relação ao observador.
A frequência da onda sonora percebida pelo observador (o) é diferente da frequência real da onda emitida pela fonte (f). 
em repouso o = f na aproximação: o > f no afastamento: o < f
* Foi atribuído esse nome em homenagem a Johann Christian Andreas Doppler que descreveu teoricamente este efeito pela primeira vez em 1842. 
Efeito Doppler*
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É uma característica observada nas ondas quando emitidas
ou refletidas por objeto que está em movimento em relação com o observador. O efeito Doppler permite medir a velocidade de objetos através da reflexão de ondas emitidas pelo próprio equipamento de medida, que podem ser os radiadores, baseados em radiofrequência, ou lasers, que utilizam frequências luminosas.
Efeito Doppler
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O eco acontece porque algumas das ondas sonoras do seu grito se refletem em uma superfície e fazem todo o caminho de volta até os seus ouvidos.
O tempo levado entre o momento em que você gritou e o momento em que ouviu o eco é determinado pela distância entre você e a superfície que o criou. 
O Eco
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Movimento ondulatório na forma de onda mecânica de frequencia superior àquela que o ouvido do ser humano pode perceber, aproximadamente 20.000 Hz. 
A onda do ultrassom tem natureza longitudinal, isto é, a direção da oscilação é a mesma que a da propagação. Essas ondas requerem de um meio para sua propagação (não se propagam no vácuo) e causam compressão e expansão do meio.
Ultrassom
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Ultrassom, propagam-se nos meios sólidos e líquidos, e não no gasoso, por zonas de condensação e de rarefação de suas moléculas.
Em sua progressão refletem-se ao atingir estruturas de densidades diferentes. Esse fenômeno é o eco, o sinal emitido deparando com uma barreira reflete.
A ecografia hoje integrante do arsenal diagnóstico da medicina, estuda a forma das estruturas no interior do corpo humano. 
Ultrassom
A ecografia é um exame não invasivo. Suas ondas não representam perigo.
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Decibel*
A intensidade do som indica o fluxo de intensidade sonora ou potência acústica sobre uma dada área.
Para medimos a intensidade do som usamos uma escala logarítmica chamada de decibel que é a razão entre valores de Intensidade medida e Intensidade de referência.
A intensidade do som no limiar da audibilidade, I0, é 10 -12 W/m2 (Watt /m2). 
A equação para decibel é:
Exemplo: Consideremos o ruído de um discurso. A intensidade do som deste discurso é de I = 10-6 W/m2, determine a intensidade do ruído na unidade de decibel.
Solução: Valor em dB 
 10 . log10(10-6/10-12) = 10.log10(106) = 10.6 = 60 dB
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Decibel
O ruído de um avião a jato, que tem intensidade sonora aproximada de I = 1 W/m2, determine a intensidade sonora em decibel.
Solução: 
*unidade decibel que é derivada de nome Alexander Graham Bell
A unidade bel é uma medida muito grande para uso diário, o decibel (dB), que corresponde a um décimo de bel (B), acabou se tornando a medida de uso mais comum
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Na figura abaixo a linha superior indica o limiar da dor à diferentes frequências.
A linha inferior é o limiar da audibilidade. 
Se o número de dB - decibéis - aumentar de 10 dB, o som é duas vezes mais alto! 
Exemplo: variar um auto-falante de 100 Watts para 1000 Watts.
A mudança é 10 dB, ou duas vezes mais alto. 
Decibel
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Sons produzidos e sons produzidos e audíveis 
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A audição envolve um sistema mecânico que estimula as células receptoras do som. A função do ouvido é converter uma fraca onda mecânica no ar em estímulos nervosos.
Sistema Auditivo
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Fonte: Purves et al., Vida a ciência da Biologia. 6a. Ed. Artmed editora, 2002 (pg. 802).
Sistema Auditivo
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Fonte: Purves et al., Vida a ciência da Biologia. 6a. Ed. Artmed editora, 2002 (pg. 803).
Sistema Auditivo
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Resumindo...
Filme...
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Exercícios
Complete a tabela abaixo, determinando os valores da intensidade do som em decibéis.
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Emico Okuno, Iberê L. Caldas e Cecil Chow; Física para Ciências Biológicas e Biomédicas; Editora Harbra LTDA.
Eduardo A. C. Garcia; Biofísica; Editora Savier
José Enrique Rodas Durán; Biofísica – Fundamentos e Aplicações; Editora Prentice Hall
http://www.if.ufrj.br/teaching/phys2.html
http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/ondas1/ondulatorio.html
Referências
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