Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
http://comsizo.zip.net/ Resolução de “Curso de Física Básica” de H. Moysés Nussenzveig Capítulo 06 - Vol. 2 Enenharia Física 09 – Universidade Federal de São Carlos 10/13/2009 *Conseguimos algumas resoluções pela internet, outras foram feitas por nós. 1 – Uma experiência de demonstração divertida consiste em mudar a tonalidade da voz enchendo a boca de gás hélio: uma voz grave transforma-se em aguda (cuidado: não procure fazer isso por sua conta! Inalar hélio é perigoso, podendo levar à sufocação). Para explicar o efeito, admita que os componentes de onda associados à voz são determinados pelas dimensões das cordas vocais, laringe e boca, estas funcionando como cavidades ressonantes, de modo que a variação de tonalidade seria devida unicamente à variação da velocidade do som (embora isto não seja bem correto). a) Calcule a velocidade do som no hélio a 20°C. É um gás monoatômico, de massa atômica ≈ 4 g/mol, com γ ≈ 1,66. A constante universal dos gases R vale 8,314 J/mol.K. b) Explique o efeito, calculando a razão entre as freqüências do som no hélio e no ar para o mesmo comprimento de onda. a) Sendo o processo adiabático, convertemos a temperatura para Kelvin (20°C =293K) e a massa para kilograma (4g/mol = 4.10-3 kg/mol) e temos que: V = ��.�.��� = 1005,45 m/s b) V’ = λ f’ V = λ f Logo: �′� = ′ = 2,93 2 – Um alto-falante de um aparelho de som emite 1W de potência sonora na freqüência υ = 100 Hz. Admitindo que o som se distribui uniformemente em todas as direções, determine, num ponto situado a 2 m de distância do alto-falante: a) o nível sonoro em db; b) a amplitude de pressão; c) a amplitude de deslocamento. Tome a densidade do ar como 1,3 kg/m³ e a velocidade do som como 340 m/s. d) a que distância do alto-falante o nível sonoro estaria 10 db abaixo do calculado em (a)? P = 1 W; υ = 100 Hz ; r = 2 m ; I0 = 10-12 W/m² ; ρ0 = 1,3 kg/m³ ; v = 340 m/s. a) Área = A = 4pi.r² = 4pi.2² = 16pi m² I = P/A = 1(W) / 16pi (m²) = 0,0189 W/m² O nível sonoro vale: =α 0I Ilog10 = −1210 0189,0log10 ⇒ α = 103 db b) v2 1I 0 2 ρ ℘ = ⇒ ℘² = 2.ρ0.v = 2.1,3.340 = 17,587 ⇒ ℘ = 4,2 N/m² c) 220 Uv2 1I ωρ= onde: ω = 2.pi.υ = 2.pi.100 ⇒ ω = 200pi rad/s Logo: 2 0 2 .v. I.2U ωρ = ⇒ U = 0,015 mm d) α’ = α - 10 = 103 – 10 = 93 db I’ = P/A’ = 1/ (4pir²) pi =α −12 2 10 r4 1 log10' = 93 ⇒ 123,9 2 10.10.4 1 r −pi = ⇒ r = 6,3 m 3 – Que comprimento deve ter um tubo de órgão aberto num extremo e fechado no outro para produzir, como tom fundamental, a nota dó da escala média, υ = 262 Hz a 15°C, quando a velocidade do som no ar é de 341 m/s? Qual é a variação de freqüência ∆υ quando a temperatura sobe para 25°C? υ = 262 Hz ; T = 15°C = 288 K ; v = 341 m/s ; T’ = 25°C = 298 K ; Tubo aberto numa extremidade e fechado na outra: L4 v nn =υ (n = 1, 3, 5, ...) (I) Para o tom fundamental, n = 1 e, de acordo com (I), encontramos L: υ = 4 vL ⇒ L = 0,325 m = 32,5 cm Para uma dada massa de ar, a velocidade do som é dada por: T m R m RT v teconsC . tan 321 = == γγ ⇒ T.Cv = Encontrando C, substituindo v e T: 341 = C. 288 ⇒ 288 341C = (II) Encontrando a velocidade v’, quando T’ = 298 K 'T.C'v = = 298 288 341 ⇒ v’ = 346,87 m/s A nova freqüência será: L4 'v ' =υ = )0325(4 87,346 ⇒ υ’ = 266,8 Hz ∆υ = υ’ - υ = 4,8 Hz 4 – Na experiência da pg. 221* (pg 136 – 4ª ed), o diapasão emite a nota lá de 440 Hz. À medida que vai baixando o nível da água no tubo, a 1ª ressonância aparece quando a altura da coluna de ar é de 17,5 cm e a 2ª quando é de 55,5 cm. a) Qual é o comprimento de onda? b) Qual é o valor da correção terminal (cf. pg. 219)**? c) Estime o diâmetro do tubo. d) Qual é a velocidade do som no tubo? * - Diapasão excita ondas sonoras numa coluna de ar contida num tubo cilíndrico de vidro, contendo água na parte inferior. ** - Esta correção terminal equivale a corrigir o comprimento efetivo do tubo, acrescentando-lhe ≈0,6R, onde R é o raio do tubo. a) f = nv/4 L L = 340 / 4. 440 L � 19 cm Sendo: λ = 4 L λ � 76 cm b) Como a medida com o diapasão é 17,5 cm e a altura teórica é 19 cm, o fator de correção (y) é: y= 19 – 17,5 y = 1,5 cm c) Sendo y = 0,6 R y = 0,3 D D = 1,5/0,3 D = 5cm d) Pela relação, temos: v = λ f v= 0,76 . 440 v = 334,4 m/s 5 - O tubo de Kundt, que costumava ser empregado para medir a velocidade do som em gases, é um tubo de vidro que contém o gás, fechado numa extremidade por uma tampa M que se faz vibrar com uma freqüência υ conhecida (por exemplo, acoplando-a a um alto-falante) e na outra por um pistão P que se faz deslizar, variando o comprimento do tubo. O tubo contém um pó fino (serragem, por exemplo). Ajusta-se o comprimento do tubo com o auxílio do pistão até que ele entre em ressonância com a freqüência υ, o que se nota pelo reforço da intensidade sonora emitida. Observa-se então que o pó fica acumulado em montículos igualmente espaçados, de espaçamento ∆l, que se pode medir. a) A que correspondem as posições dos topos dos montículos? b) Qual é a relação entre ∆l, υ e a velocidade do som no gás? c) Com o tubo cheio de CO2 a 20°C e υ = 880 Hz, o espaçamento médio medido é de 15,2 cm. Qual é a velocidade do som no CO2 a 20°C? Tubo fechado nas duas extremidades. 1 2 2 nl l nλλ= ⇒ = 12 2 v v l l λυ υ υ= = ⇒ = a) Os nós do deslocamento. Antinodos de pressão ou nodos de deslocamento. O deslocamento "varre" as partículas para os nós do deslocamento. b) 2 2 l lλ λ∆ = ⇒ = ∆ 2v . l.υ= ∆ c) v = 2.(0,152).880 ⇒ v = 267,5 m/s 6 - a) Mostre que, para uma onda sonora harmônica de freqüência angular ω e três dimensões num fluido cuja densidade de equilíbrio é ρ0, o deslocamento ur (que neste caso é um vetor!) está relacionado com a pressão p por: grad p = ρ0.ω². ur . b) Considere uma onda sonora harmônica que se propaga no semi-espaço x > 0, com p=p(x,y,z,t), e suponha que o plano x = 0 é uma parede fixa, rígida. Mostre, utilizando o resultado da parte (a), que p tem de satisfazer a condição de contorno 0 x p = ∂ ∂ para x=0, qualquer que seja t. Em particular, isto vale na extremidade fechada de um tubo de órgão. a)Tomamos � como potencial de velocidades e ���, �� � � cos���� � ���� � ����� !� � "�. Sabendo que v = #� e que a velocidade esta relacionada à pressão pela expressão: P = ρ0 $%$& Temos: P = ρ0 $%$& ⇒ P = ρ0 $²($&² ⇒ P = ρ0.ω².� ) b)P = P (x,y,z,t) P = ρ0 ω² � cos���� � ���� � ����� !� � "� *+/*� = -K’ ρ0 ω² � sen(��� � ���� � ����� !� � "� Se x = 0 , P = P (0,y,z,t) assim, $-$. � /012�31�4 � 0. ) 7 – Uma onda sonora plana monocromática de pressão dada por [cf. (6.5.7)] ( )tykxkcosPp yxi ω−+−= , onde k² = kx² + ky² = ω² / v² ( v = velocidade do som), incide com ângulo de incidência θ1 sobre o plano x = 0, ocupado por uma parede rígida (fig.), dando origem à onda refletida, de pressão dada por ( )tykxkcos'Pp yxr ω−+= , associada ao ângulo de reflexão θ’1=θ1 (fig.). a) Verifique que kx = k.cosθ1, ky = k.senθ1. b) Aplique a condição de contorno do problema 6 à onda total p = pi + pr e determine P’ em função de P. c) Escreva a onda total p em função de P, usando (b), e interprete o resultado. Mostre que, no caso particular em que ky = 0, ele se reduz ao que foi encontrado na pg. 220 para a reflexão na extremidadefechada de um tubo de órgão. a) Considerando o raio incidente (Pi) como um certo vetor (k), temos Analisando trigonométricamente, concluimos: ky = k.senθ1 e kx= k.cos θ1 ) b) c) 8 – Uma lente esférica plano-convexa delgada é formada por um meio onde o som se propaga com velocidade v2, limitada por uma face plana e outra esférica de raio de curvatura R; o raio h = I’A da face plana é suposto <<R. No meio externo à lente, o som se propaga com velocidade v1, com n v v 12 = , onde n é o índice de refração relativo. Supomos n > 1. Nestas condições, uma onda sonora plana incidente perpendicularmente sobre a face plana é focalizada pela lente em seu foco F. A distância f = OF do foco à face curva chama-se distância focal, e AO = e é a espessura da lente. a) Mostre que, para h << R, tem-se e = h² / (2R). Para isso, você poderá utilizar a aproximação: ε±≈ε± 2 11 1 , válida para |ε| << 1. b) Com o auxílio do Princípio de Huygens, mostre que )1n( Rf − = . Sugestão: Partindo da frente de onda plana incidente II’, iguale o tempo que as frentes de onda secundárias levam para convergir no foco passando pela periferia da lente (caminhos I’F, IF) e pelo centro (caminho AO + OF) e use o resultado da parte (a). a) Por pitagoras: 67 87 � �6 9�7⇒√67 87 � 6 9⇒�67 ;< 8767= � 6 9⇒ 9 � 6 6>< 8767 Pela relação fornecida, temos: 9 � 6�< �< 8767)⇒ 9 � 6�< �< <7 8767)⇒ 9 � 6�<7 8767)⇒ 9 � 8776� ) b) Pela equação dos fabricantes, temos: <? � @A7A< <B @ <6< � <67B Como 6< C �∞, já que a lente é plana, e A< � < (ar),então: <? � �A <� @E � <6B <? � A <6 ? � 6A < ) 9 – Duas fontes sonoras A e B oscilam em fase com a freqüência de 20 kHz, no ar, emitindo ondas esféricas; a distância AB = 3d é de 10,2 m. Considere o plano perpendicular a AB que passa pelo terço O do segmento AB : AO = d = (1/2) OB. Ache as distâncias x do ponto O associadas dos dois primeiros mínimos e aos dois primeiros máximos de interferência sobre esse plano. Você poderá utilizar a aproximação ε±≈ε± 2 11 1 (|ε| << 1); a velocidade do som no ar é de 340 m/s. Se as ondas emitida por A e B têm a mesma amplitude, qual é a razão da intensidade dos máximos à dos mínimos? 3G � 10,2 G � 3,4 K � L. M 340 � L. 20.10N L � 0,017 P Sabemos que em O há interferência construtiva, já que: L1 � G 1 � 3,40,017 1 � 200 Portanto, para ondas construtivas: +QRRRR +�RRRR � 1L ��S � 4GS�T� ��S � GS�T� � 1L 2G U �S4GS � 1V WS G U�SGS � 1V WS � 1L 2 U �S4GS � 1V WS U�SGS � 1V WS � 1LG Pela relação fornecida, temos: 2 ; .�XY� � 1= ; .�SY� � 1= � Z[Y � � ;1 Z[Y =T� . 2G para ondas construtivas. Calculamos, então, os valores logo abaixo de n=200 para encontrar os próximos máximos. Sabemos, também, que, no meio de dois máximos, há sempre um mínimo. Assim: Máximos\] ^1 � 199 C � � ;1 W``.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 �W � 48 /P 1 � 198 C � � ;1 W`X.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 �S � 68 /P f Mínimos\] ^1 � 199,5 C � � ;1 W``,h.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 �`W � 34 /P 1 � 198,5 C � � ;1 W`X,h.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 �`S � 59 /P f Sabemos que: j � jk � jl � 2mjkjlcos �"WS� n j�k.�cos�"WS� � 1� � omjk � mjlpSj�qZ�cos�"WS� � 1� � omjk mjlpS f Assim: j�k.j�qZ � omjk � mjlp S omjk mjlpS � r s1 � �jljk1 �jljkt u S �v w1 � 121 12x S � 9 * yzy{ � |}��y} � Wc 10 – Uma onda sonora plana harmônica de comprimento de onda λ incide perpendicularmente sobre um anteparo opaco com três fendas igualmente espaçadas, de espaçamento d >> λ. Para a distâncias R >> d, determine as direções de observação θ em que aparecem mínimos de interferência, generalizando a (6.8.11)* de duas para três fendas. Qual é a intensidade nos mínimos? Sugestão: Você terá de calcular a resultante de três oscilações com defasagens consecutivas δ iguais. Use a notação complexa e a fórmula (demonstre-a!) δ δ = − − =++ δ δ δδ 2 sen 2 3 sen 1e 1e ee1 2 2 2 i i32i2i . O mesmo método se aplica a um número qualquer de fendas igualmente espaçadas. * + = )( 2 1 )( destrutivan aconstrutivn dsen λ λ θ (n = 0, ±1,...) Vimos que: ~ � �W � G241�S � �W � 2G241f Como G, então: � �W e �S � �W Pelas equações da 68, temos: \] ^ �W � 3�W cos ���W ���S � 3�S cos���W � �G241 �� � 3�S cos�� ���N � 3�N cos���W � �2G241 �� � 3�N cos ���S �� f Pela equação de Euler: \] ^ �W � k� Re. e�T&��S � k� Re. e�T&�. 4q��N � k� Re. e�T&�. 4qS� f , onde � �G241 Assim: � � �W � �S � �N � 3 Re. e�T&�1 � 4q� � 4qS� Vamos calcular as intensidades: jj � |�|S|�W|S � 1 � 4q� � 4qS�S Analisando com atenção, notamos que 1 � 4q� � 4Sq� representa a soma de uma progressao geométrica de termo inicial 1 e razão 4q�. Assim: N � kkTW � WW (*) Por (*), temos: jj � 4Nq� 14q� 1 S � 4Nq�S @4Nq�S 4Nq�S B4q�S @4q�S 4q�S B S � 4q�S. 4Nq�S 4Nq�S4q�S 4q�S S Mas, sabemos que: 4q� � �cosS � 241S�T� e 4q 4q � 2241 Assim, temos: jj � 241 S ;3G2 =241S ;G2= Logo, há mínimo de interferência quando 241S ;NYS = C 0. Portanto: 32 � 1 32 . 2L G241 � 1 G241Z � 1L3 Com ZN não inteiro já que a interferência é destrutiva. 11 – Uma ambulância, em velocidade constante e com sua sereia sempre ligada, passa ao lado de um observador parado. A tonalidade da sereia percebida pelo observador varia de um semitom da escala cromática entre quando ela está se aproximando, vindo de longe, e quando se afasta, já distante. A velocidade do som no ar é de 340 m/s. Calcule a velocidade da ambulância (em km/h). 12 - Dois trens viajam em sentidos opostos, sobre trilhos paralelos, com velocidades de mesma magnitude. Um deles vem apitando. A freqüência do apito percebida por um passageiro do outro trem varia entre os valores de 348 Hz, quando estão se aproximando, e 259 Hz, quando estão se afastando. A velocidade do som no ar é de 340m/s. a) Qual é a velocidade dos trens (em km/h)? b) Qual é a freqüência do apito? � Mk � M w1 � KK 1 KK x � 348 ¡� ; � Mk� � M w 1 KK 1 � KK x � 259 ¡� Isolando UW£ ¤¤¥W ¤¤¥ V em i e ii, temos: \] ^UW£ ¤¤¥W ¤¤¥ V � �{¦�}UW£ ¤¤¥W ¤¤¥ V � �}�{§ f �{¦�} � �}�{§ M � mMk. Mk� M � 300,22 ¡� a� Substituindo em i, temos: Mk � M w1 � KK 1 KK x ⇒ 348 � 300,22 w 1 � K3401 K340 x K � 25,2 P2 � 90,72 �P² b) M � 300,22 ¡� 13 – Numa estrada de montanha, ao aproximar-se de um paredão vertical que a estrada irá contornar, um motorista vem buzinando. O eco vindo do paredão interfere com o som da buzina, produzindo 5 batimentos por segundo. Sabendo-se que a frequencia da buzina é de 200 Hz e a velocidade do som no ar é de 340 m/s, qual é a velocidade do carro (em km/h)? Freqüência recebida pela parede: M� � M w 11 K³K x Freqüência recebida pelo carro (fonte é a montanha): M�� � M� @1 � K³K B ∆M � M�� M � M w1 � K³K 1 K³K x M � M w 1 � K³K 1 K³K 1x � 2M K³K 1 K³K ∆M � 5 � 2.200. K³;1 K³340= K³ � 4,2 P2 � 15,11 �P² 14 – Uma fonte sonora fixa emite som de freqüência υ0. O som é refletido por um objeto que se aproxima da fonte com velocidade u. O eco refletido volta para a fonte, onde interfere com as ondas que estão sendo emitidas, dando origem a batimentos com freqüência ∆υ. Mostre que é possível determinar a magnitude |u| da velocidade do objeto móvel em função de ∆υ, υ0 e da velocidade do som v. O mesmo princípio é utilizado (com ondas eletromagnéticasem lugar de ondas sonoras) na detecção do excesso de velocidade nas estradas com auxílio do radar. \] ^ M � M ;1 � µK = Freqüência recebida pelo objeto M� � M w 11 µK x Freqüência recebida de volta �objeto é a fonte� f ∆M � M� M � M w1 � µK 1 µK x � M w 1 � µK1 µK 1x � 2M µK1 µK ∆M � 2M µK1 µK ∆M ∆M µK � 2M µK |µ| � K∆M2M � ∆M 15 - Dois carros (1 e 2) trafegam em sentidos opostos numa estrada, com velocidades de magnitudes v1 e v2. O carro 1 trafega contra o vento, que tem velocidade V. Ao avistar o carro 2, o motorista do carro 1 pressiona sua buzina, de freqüência υ0. A velocidade do som no ar parado é v. Qual é a freqüência υ do som da buzina percebida pelo motorista do carro 2? Com que freqüência υ’ ela é ouvida pelo motorista de um carro 3 que trafega no mesmo sentido que o carro 1 e com a mesma velocidade? Com a ação do vento, a velocidade do som no ar passa a ser: K�� � K Á I) M � M UW£ ¤�¤¥ÂÃW ¤T¤¥Âà V ⇒ M � M ; ¥%£ � ¥% T = , com |v1| = |v2| II) Se ambos os carros estão andando na mesma direção em MRU, a situação torna-se análoga a se ambos estivessem parados um ao lado do outro. Assim: M � M 16 – Complete a teoria do efeito Doppler para movimento numa direção qualquer θ υ = v Vcos -1 vque em 0 calculando a freqüência υ percebida por um observador quando a fonte, de freqüência υ0 está em repouso na atmosfera e o observador se move ao longo de uma direção P0P com velocidade de magnitude u. No instante considerado, a direção PF que liga o observador à fonte faz um ângulo θ com a direção do movimento. Verifique que se recai nos resultados obtidos no texto para θ = 0 e θ = pi. 17 – Mostre que se pode obter o efeito Doppler a partir da transformação de Galileu. a) Considere primeiro uma onda sonora harmônica em uma dimensão, para uma fonte sonora em repouso no meio, de freqüência υ0. Escreva a expressão da onda num ponto x no instante t, no referencial S do meio. Considere agora um observador que se desloca com velocidade u em relação a S, na direção θ. Relacione x com a coordenada x’ do observador, no referencial S’ que se desloca com ele. Substitua na expressão da onda e interprete o resultado. b) Considere agora o caso em que o observador se move com velocidade u numa direção qualquer. Generalize o resultado de (a), usando a transformação de Galileu geral, e mostre que se obtém a mesma expressão para o efeito Doppler encontrada no Problema 16. Parta da expressão geral para uma onda plana. Expressão geral: [ ])tr.k(iAeRe)tr.kcos(A)t,r( ω−=δ+ω−=ϕ 18 - Um avião a jato supersônico está voando a Mach 2 (o dobro da velocidade do som). a) Qual é o ângulo de abertura do cone de Mach? b) 2,5 s depois de o avião ter passado diretamente acima de uma casa, a onda de choque causada pela sua passagem atinge a casa, provoca um estrondo sônico. A velocidade do som no ar é de 340 m/s. Qual é a altitude do avião em relação à casa? a) v = 2V = 2.(340) = 680 m/s 1 30 2 2 V V sen v V α α= = = ⇒ = ° b) Pelo desenho, temos que: tg(30°)=h/v.∆t ⇒ h = v.∆t.tg(30°) = 680.2,5.√3/3 ≈ h = 981 m
Compartilhar