Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
ÓTICA Ondas I ONDAS ONDAS Ondas Mecânicas –são aquelas que necessitam de um meio material para se propagar, ou seja, uma perturbação em determinado meio material é causado por alguém ou por alguma fonte, e esta perturbação propaga-se de um ponto para o outro na forma de pulsos. Ondas Mecânicas Tipos de Onda Ondas Eletromagnéticas Ondas Materiais ONDAS Por exemplo: - Terremoto no fundo mar causa uma perturbação nas águas do oceano, e esta perturbação propaga-se até encontrar um continente, causando ondas gigantes conhecidas como tsunami; - (Movimento de Placas tectônicas que se propagam pela superfície terrestre provocando terremotos) - Uma onda em uma corda; - Ondas sonoras. ONDAS Observação: No vácuo não há propagação de ondas mecânicas, uma vez que o vácuo é a ausência de matéria numa certa região do espaço. O som é um dos principais representantes deste grupo de ondas. Pode assim ser considerado por que interfere diretamente na vida de todos os seres humanos e na grande maioria dos animais. ONDAS Ondas Eletromagnéticas - são aquelas que não necessitam de meio material para se propagar, elas podem se propagar tanto no vácuo como também em certos tipos de materiais. Exemplo: - Luz solar; - Micro-ondas; - Raios –X; - Ondas de rádio. ONDAS Ondas Materiais – Estas ondas estão associadas com elétrons, prótons e outras partículas fundamentais e até mesmo átomos e moléculas. ONDAS Quanto a direção de propagação, as ondas se classificam em: Ondas Transversais – são aquelas que tem a direção de propagação perpendicular a direção de vibração. Exemplo: Ondas eletromagnéticas. Ondas Longitudinais- são ondas em que a direção de propagação coincide com a direção de vibração. Exemplo: as ondas se propagam desta forma em líquidos e gases. ONDAS Tanto ondas transversais quanto ondas longitudinais são chamadas de ondas progressivas, pois ambas se propagam de um ponto para outro. Observe que é a onda que se movimenta de uma extremidade a outra, não o material através do qual a onda se movimenta. ONDAS ONDAS FASE TERMO OSCILATÓRIO DESLOCAMENTO TEMPO FREQUENCIA ANGULAR POSIÇÃO NUMERO DE ONDA ANGULAR AMPLITUDE ONDAS ONDAS Valor positivo extremo Valor negativo extremo ONDAS Vale ou Cava Pico ou crista ONDAS O deslocamento y será o mesmo. ONDAS x1 x1+λ ONDAS Número de onda angular ONDAS ONDAS t1+T t1 O deslocamento y contra o tempo t em uma certa posição ao longo da corda fazendo x=0 Frequência angular (radianos / segundo) Período (segundos) ONDAS VELOCIDADE DE UMA ONDA PROGRESSIVA A figura mostra dois instantâneos da onda da equação y(x,t)= ymsen(kx-wt), tomados com um pequeno intervalo de tempo Δt de separação. A onda se propaga no sentido positivo de x, todo formato da onda se movendo de uma distância Δx nessa direção durante um intervalo Δt. A razão Δx/ Δt (dx/dt) é a velocidade da onda v. VELOCIDADE DE UMA ONDA PROGRESSIVA Quando a onda se move, cada ponto da forma da onda se move, por exemplo o ponto A marcado sobre o pico, permanece com o seu deslocamento y. Ou seja, os pontos sobre a corda não mantêm seu os seus deslocamentos (valores de y(x,t)), mas os pontos sobre a forma da onda mantêm. VELOCIDADE DE UMA ONDA PROGRESSIVA Se o ponto A mantiver o seu deslocamento ao se mover, a fase (ângulo ou argumento) na equação permanece constante. kx-ωt → constante Embora o argumento seja constante, tanto x como t variam. Quando t aumenta, x aumenta para manter o argumento constante. VELOCIDADE DE UMA ONDA PROGRESSIVA Para calcular a velocidade, temos que derivar a equação da posição. kx-ωt → constante EXEMPLO Uma onda que se propaga ao longo de uma corda é descrita por : Na qual as constantes numéricas estão em unidades SI (0,00327 m, 72,1 rad/m e 2,72 rad/s). a) Qual a amplitude desta onda? b)Quais são o comprimento de onda, o periodo e a frequência desta onda? c)Qual a velocidade da onda? RESOLUÇÃO Primeiramente vamos ver que dados o problema nos forneceu.Comparando as duas equações: Temos: ym =0,00327m; K=72,1 rad/m ; ω=2,72 rad/s. a) Qual a amplitude da onda? ym =0,00327m RESOLUÇÃO b) Quais o comprimento de onda, período e frequência desta onda? Comprimento de onda λ Periodo T Frequência f RESOLUÇÃO b) Qual a velocidade desta onda? Velocidade desta onda v. EXEMPLO Suponha uma onda se propagando em uma corda com frequência igual a 1/π e número de onda igual a 1. Quando a fase da onda for π/2 o seu deslocamento é igual a 2. a) Qual a amplitude desta onda? b)Quais são o comprimento de onda, o período e a frequência angular desta onda e a velocidade? c)Escreva a equação que descreve esta onda. d)Faça o gráfico da equação de onda em função do tempo e em função da posição. RESOLUÇÃO Dados fornecidos pelo problema Frequência igual a 1/π. Número de onda igual a 1. K=1 Quando a fase for igual a π/2, o deslocamento é igual a 2 A fase é o ângulo da equação, ou seja, kx-ωt. Desta forma, kx-ωt = π/2. Assim, sen(kx-ωt)=sen(π/2)=1 RESOLUÇÃO Como a equação da onda é dada por: Quando a fase for π/2 → kx-ωt = π/2 → sen(kx-ωt)=sen(π/2)=1 o deslocamento é igual a 2, ou seja, y(x,t)=2. Assim, RESOLUÇÃO a) Qual a amplitude desta onda? ym =2 m b)Quais são o comprimento de onda, o período e a frequência angular desta onda e a velocidade? Comprimento de onda λ O período T A frequência angular ω. Velocidade v c)Escreva a equação que descreve esta onda. d)Faça o gráfico da equação de onda em função do tempo e em função da posição. Gráfico em função do tempo. Gráfico em função da posição 2 - 2 2π π t y T 2 - 2 2π π x y λ ONDAS VELOCIDADE DA ONDA EM UMA CORDA ESTICADA No caso de ondas lineares, a velocidade das ondas mecânica depende exclusivamente de propriedades do meio através do qual a onda se propaga. → Massa – Para haver energia cinética → Elasticidade – Para haver energia potencial. Determinam a rapidez que a onda se propaga A velocidade v em função da tensão da corda e da massa por unidade de comprimento é dada por: ONDAS EXEMPLO Uma corda uniforme tem massa de 0,3 kg e comprimento de 6m. A tensão se mantém na corda por um corpo de massa de 2kg pendurado numa extremidade. Ache a velocidade de um pulso de onda nessa corda. 5m 1m 2Kg 5m 1m 2Kg T P ONDAS ONDAS REFLEXÃO E TRANSMISSÃO DE ONDAS Sempre que uma onda progressiva atinge uma fronteira entre dois meios, parte da onda, ou toda ela, será refletida. Suponha uma corda fixa a uma parede. Quando o pulso atinge uma parede fixa é refletido suponha que o suporte que fixa a corda à parede é rígido, o pulso não transmite nenhuma perturbação para a parede). Pela terceira lei de Newton (lei de ação e reação). “Se um corpo A aplicar uma forçasobre um corpo B, receberá deste uma força de mesma intensidade e mesma direção e sentido contrário” ONDAS Desta forma, vai ocorrer a inversão do pulso na reflexão. Suponha que agora a corda esteja presa a um anel, que pode deslizar livremente num pino vertical, sem atrito. O pulso será refletido, mas neste caso não será invertido. A B FAB FBA ONDAS PROPAGAÇÃO DE UM ONDA EM MEIOS DIFERENTES Quando um pulso ondulatório se propaga do meio A para o meio B, e v A > v B , ( B é mais denso que A), o pulso se inverte na reflexão. kv. Mas se o pulso ondulatório se propaga do meio B para o meio A, o pulso não é invertido na reflexão. ONDAS ENERGIA E POTENCIA DE UMA ONDA PROGRESSIVA EM UMA CORDA. Quando produzimos uma onda em uma corda esticada, fornecemos energia para o movimento da corda. Quando a onda se afasta, ela transporta essa energia, na forma de energia cinética e de energia potencial elástica. ONDAS ENERGIA CINÉTICA. Um elemento da corda de massa dm, oscilando transversalmente em um movimento harmônico simples quando uma onda passa por ele, possui energia cinética associada à sua velocidade transversal. dm ONDAS Em Y=0 → velocidade transversal (energia cinética) é MÁXIMA. Y=Ym → velocidade transversal (energia cinética) é NULA. ONDAS ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA Quando um elemento de corda de comprimento dx oscila transversalmente, o seu comprimento aumentar e diminuir de maneira periódica para que o elemento de corda se ajuste à forma de onda senoidal. Y=0 → energia potencial é NULA. Y=Y m → energia potencial é MÁXIMA, ONDAS TRANSPORTE DE ENERGIA. Energia cinética MAXIMA Energia potencial elástica NULA Y=0 Quando a onda se propaga ao longa da corda, forças devidas à tração na corda realizam trabalho continuamente para transferir a energia das regiões com energia para regiões sem energia. ONDAS TAXA DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA Sabemos que a energia cinética é dada por: Desta forma, a energia cinética dk associada a um elemento de corda de massa dm é dada por: ONDAS velocidade Variação do espaço pelo tempo onde, como, ONDAS ONDAS ONDAS ONDAS Deslocamento que a corda estaria sujeita se cada onda estivesse se propagando sozinha ONDAS Ondas superpostas se somam algebricamente para produzirem uma onda resultante. Ondas superpostas não alteram de forma alguma a propagação de cada uma delas. Interferência de ondas Suponha duas ondas senoidais do mesmo comprimento de onda e mesma amplitude sejam enviadas no mesmo sentido ao longo de uma corda esticada. Aplicamos o principio de superposição. Que onda resultante teremos; A onda resultante depende do quanto as ondas estejam em fase (em concordância) uma em relação a outra. Interferência de ondas Vimos que, duas ondas senoidais de mesmo comprimento de onda e mesma amplitude estão em: FASE → Os picos e os vales das duas ondas estão alinhados → o deslocamento é duplicado, quando comparado o de uma das ondas atuando sozinha. ym ym 2ym FORA DE FASE → Os picos de uma estão alinhados com os vales da outra →ao se combinarem, todos os pontos sã anulados → as ondas se interferem. Seja uma onda que se propaga ao longo de uma corda esticada dada por: E outra defasada da primeira por: As ondas possuem: → Mesma frequência angular ω (consequentemente a mesma frequencia f . → Mesmo número de onda angular k (ou seja, mesmo comprimento de onda λ). → Mesma amplitude ym. y1(x,t) =ymsen (kx-ωt) y1(x,t) =ymsen (kx - ωt + φ) Ambas se propagam no sentido positivo do eixo x, com a mesma velocidade, dada por: Elas diferem apenas por um ângulo constante φ (constante de fase). Dizemos que estas ondas estão: → Fora de fase por φ ; → Elas possuem uma diferença de fase φ; → Uma onda está com um deslocamento de fase de φ em relação à outra Pelo Principio da Superposição, a onda resultante é a soma algébrica de duas ondas que estão se interferindo e tem deslocamento. y’(x,t) = y1(x,t) + y2 (x,t) y’(x,t) = ymsen (kx-ωt) + ymsen (kx - ωt + φ) y’(x,t) = ym[sen (kx-ωt) + sen (kx - ωt + φ)] Lembrando que y’(x,t) = ymsen (kx-ωt) + ymsen (kx - ωt + φ) Seja α = kx – ωt e β = kx - ωt + φ α + β = kx – ωt + kx - ωt + φ = 2kx - 2ωt + φ α - β = kx – ωt – (kx - ωt + φ) = kx – ωt – kx + ωt – φ = – φ Então Assim, y’(x,t) = ym[sen (kx-ωt) + sen (kx - ωt + φ)] y’(x,t) = ym[sen (α) + sen (β)] Então E como cos (- φ) = cos (- φ), temos: A onda resultante também é uma onda senoidal se propagando na direção crescente de x. Ela difere das ondas que estão interferindo em dois aspectos: → Sua constante de fase (½) φ → A amplitude y’m Se → φ = 0 rad = 0º → as duas ondas que estão interferindo estão exatamente em fase. O cos(0°)=1 então, ym ym 2ym O gráfico desta onda resultante está esboçado a seguir. E observe que a amplitude da onda resultante é duas vezes a amplitude de cada onda que está interferindo. Esta é a maior amplitude que a onda resultante pode ter, pois o termo do cosseno tem valor máximo quando φ =0. INTERFERÊNCIA TOTALMENTE CONSTRUTIVA é a interferência que produz a maior amplitude possível. Se φ = π rad = 180º →as duas ondas que estão interferindo estão exatamente fora de fase. cos[(½) φ] = cos (π /2) = 0 e a amplitude da onda resultante é nula. y‘(x,t) = 2ym cos (π /2) = 0 INTERFERÊNCIA TOTALMENTE DESTRUTIVA é quando enviamos duas ondas ao longo da corda e não vemos nenhum movimento da corda Se φ = 2π rad = 360º →corresponde a uma onda em relação à outra onda de uma distância equivalente a um comprimento de onda. Desta forma a diferença de fase pode ser descrita tanto em termos de comprimento de onda quanto em termos de ângulos. Assim, diferença de fase podem ser descritas em termos de comprimento de onda quanto em termos de ângulos. INTERFERÊNCIA INTERMEDIÁRIA – é quando a interferência não é nem totalmente construtiva nem totalmente destrutiva. A amplitude a onda resultante está entre 0 e 2ym. Duas ondas com mesmo comprimento de onda estão em fase se a sua diferença de fase for nula ou igual a qualquer número inteiro de comprimentos de onda. Desta forma, a parte inteira de qualquer diferença de fase expressa em comprimento de onda pode ser descartada. Exemplo: A diferença de fase de 0,2 comprimento de onda é equivalente em todos os aspectos a uma de 3,2 comprimento de onda. Fasores Uma onda y(x,t) pode ser representada por um fasor. FASOR – é um vetor que possui módulo (intensidade) igual a amplitude ym da onda e que gira em torno de uma origem com uma velocidade angular igual a frequência angular ω da onda. A onda y1(x,t) =ym1sen (kx- ωt) ym1 y1 Representação da onda pelo fasor. y1(x,t) =ym1sen (kx- ωt) A amplitude da onda, ym1, é a intensidade do fasor. Quando o fasor gira ao redor da origem a uma velocidade angular ω , a sua projeção y1 sobre o eixo vertical variasenoidalmente, de um máximo de ym1 passando por zero até um mínimo de –ym1 e volta a ym1. Esta variação corresponde à variação senoidal no deslocamento y1 de qualquer ponto ao longo da corda quando a onda passa por ele. ym1 y1 Suponha duas ondas , y1(x,t) e y2(x,t), se propagando ao longo da mesma corda no mesmo sentido, podemos representá-las em um diagrama fasorial dadas por: y1(x,t) =ym1sen (kx- ωt) y2(x,t) =ym2sen (kx- ωt + φ) A segunda onda está defasada da primeira onda por uma constante de fase φ. Como os fasores giram à mesma velocidade angular ω, o ângulo entre os dois fasores é sempre φ. ym1 y2 ym2 y1 Se φ > 0 → o fasor para a onda 2 estará atrasado em relação ao fasor para onda 1. φ < 0 → o fasor para a onda 2 estará avançado em relação ao fasor para onda 1. Como y1 e y2 possuem: → O mesmo número de onda angular k. → A mesma frequência angular ω. A equação resultante é dada por: y‘(x,t) = y’m sen (kx – ωt + β) ym → amplitude da onda resultante. β → constante de fase. Ondas Estacionárias Uma onda estacionária é produzida quando ocorre a interferência de duas ondas senoidais de mesma amplitude e mesmo comprimento de onda que se propagam em sentidos opostos ao longo de uma corda esticada. Ondas Estacionárias Suponha duas ondas de mesmo comprimento de onda e de mesma amplitude se propagando em sentidos opostos, uma para esquerda e outra para a direita. Aplicando o princípio da superposição, podemos observar que na onda resultante existem locais ao longo da corda que nunca se move, chamados de nós. E entre os nós adjacentes estão os antinós, onde a amplitude da onda resultante é máxima. Ondas Estacionárias A figura mostra o seguinte: a) Ondas se propagando para a esquerda; b) Ondas se propagando para a direita; c) Onda resultante (soma) aplicando graficamente o principio da superposição. Ondas Estacionárias Estes padrões de onda são chamados de ondas estacionárias porque os padrões de onda não se movem nem para direita nem para esquerda. E os locais de máximo e de mínimo não mudam. Ondas Estacionárias Sejam y1(x,t)= ym sen(kx-wt) y2(x,t)= ym sen(kx+wt) duas ondas que se propagam em sentidos opostos. Pelo principio da superposição, a onda resultante é dada por: y'(x,t)= y1(x,t)+y2(x,t)=ym sen(kx-wt)+ ym sen(kx+wt) Lembrando que: senα+senβ=2sen[½(α+β)]cos[ ½(α-β)] Ondas Estacionárias Seja α=kx – wt e β= kx+wt α+β=kx – wt + kx+wt=2kx α-β =kx – wt –( kx+wt)=kx – wt –kx-wt)=-2wt Então sen[½(α+β)]=sen[½(2kx)]=sen(kx) cos[ ½(α-β)]= cos[ ½(-2wt)]= cos(-wt)=cos(wt) Assim, y'(x,t)= 2 ym sen(kx)cos(wt) Ondas Estacionárias A equação y'(x,t)= 2 ym sen(kx)cos(wt) descreve uma onda estacionária. Onde, y'(x,t)= 2 ym sen(kx)cos(wt) Como o valor do seno pode assumir valores negativos e positivos, e como a amplitude é sempre positiva, tomamos o valor absoluto da grandeza 2ymsen[½(kx)] como sendo a amplitude em x. Amplitude na posição Termo oscilatório Deslocamento Ondas Estacionárias Observe que em uma onda senoidal progressiva, a amplitude da onda é a mesma para todos os elementos de corda (para todos os pontos). O que não ocorre em uma onda estacionária, na qual o valor amplitude varia com a posição. Exemplo: A amplitude é nula para sen(kx)=0, ou seja, para valores: kx=nπ, para n=0, 1, 2,... Como k=(2 π)/λ, então kx=nπ → [(2 π)/λ]x=n → 2x = λn → x = nπ/2 Ondas Estacionárias n=0, 1, 2, 3, .... A amplitude da onda estacionária possui um valor máximo de 2y, que ocorre para valores de kx que fazem com que |sen(kx)|=1. Posição dos nós n=0, 1, 2, 3, .... Ondas Estacionárias Como k=(2 π)/λ, então → → Posição dos antinós Ondas Estacionárias Reflexão em um Contorno Podemos reproduzir uma onda estacionária em uma corda esticada permitindo que uma onda progressiva seja refletida na extremidade mais distante da corda de modo que ela se propague de volta para si mesma. A onda original incidente e a onda refletida podem ser descritas por: y1(x,t)= ym sen(kx-wt) y2(x,t)= ym sen(kx+wt) respectivamente. Ondas Estacionárias e Ressonância Considere uma corda que esteja esticada entre dois fixadores. Suponha que enviamos uma onda senoidal continua de uma certa frequência ao longo da corda para direita. Quando a onda atinge a extremidade ela se reflete e começa a se propagar de volta para a esquerda. Essa onda indo para a esquerda se sobrepõe então à onda que está se propagando para a direita. Ondas Estacionárias Quando a onda que está indo para esquerda atinge a outra extremidade, ela se reflete novamente e a onda que acabou de ser refletida começa a se propagar para a direita, se sobrepondo às ondas que estão indo para a esquerda e para a direita. Conclusão Em pouquíssimo tempo temos várias ondas progressivas se sobrepondo, que interferem umas com as outras. Ondas Estacionárias e Ressonância Para certas frequências, a interferência produz um padrão de ondas estacionárias com nós e grandes antinós. Podemos dizer que uma onda estacionária como esta é produzida na ressonância e que a corda ressoa nestas frequências particulares (frequências de ressonância). Ondas Estacionárias Se vibrarmos a corda em alguma outra frequência que não seja uma frequência de ressonância, não se produz uma onda estacionária. Desta forma, a interferência das ondas que se propagam para a direita com as que se propagam para a esquerda resulta em apenas pequenas oscilações da corda. Ondas Estacionárias e Ressonância Frequência de ressonância Ondas Estacionárias e Ressonância As frequências de ressonância são múltiplos inteiros da frequência de ressonância mais baixa. para n=1 Modo Fundamental ou Primeiro Harmônico- modo de oscilação com a frequência mais baixa (para n=1). Ondas Estacionárias e Ressonância Segundo Harmônico- modo de oscilação com n=2. Terceira Harmônico- modo de oscilação com n=3. As frequências associadas a estes modos são normalmente indicadas por: f1 , f2 , f3 e assim por diante. Serie Harmônica – conjunto de todos os modos de oscilação possíveis. n- número harmônico do enésimo harmônico. O fenômeno de ressonância é comum em todos os sistemas oscilantes e pode ocorrer em duas e três dimensões.
Compartilhar