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185PROMILITARES.COM.BR OSCILAÇÕES E ONDAS Iniciaremos aqui o primeiro de quatro módulos voltados aos estudos de ondas. Nesse módulo inicial, iremos trabalhar o conceito de ondas, classificações, equação geral e iremos dar uma atenção especial à propagação de onda em cordas vibrantes. INTRODUÇÃO Convivemos com diversos tipos de ondas cotidianamente. Agora mesmo, enquanto você está lendo esse módulo, seja onde estiver, há diversas ondas se propagando ao seu redor. Algumas delas possibilitam a própria leitura desse assunto enquanto outras são capazes de nos emocionar, trazendo uma boa música aos nossos ouvidos. Graças às ondas conseguimos também sentir parte da radiação solar quando estamos de férias, aproveitando um dia ensolarado em uma praia, por exemplo. Perceba aqui que sentimos três sensações diferentes (visão, audição e tato) através de interações com o meio externo via movimentos ondulatórios. O incrível é que há grande maioria das ondas que estão ao nosso redor nós nem sequer notamos. Ondas que possibilitam usarmos o celular para fazer uma ligação, para mandar uma mensagem. Sinal de internet, wi-fi, bluetooth, ondas de rádio (AM e FM) e etc. Mas afinal, o que é uma onda? Usaremos a definição dada pelo professor H. Moysés Nussenzveig no seu livro de Física Básica, vol. 2: “Num sentido bastante amplo, uma onda é qualquer sinal que se transmite de um ponto a outro de um meio, com velocidade definida. Em geral, fala-se de onda quando a transmissão do sinal entre esses dois pontos distantes ocorre sem que haja transporte direto de matéria de um desses pontos ao outro.” REPRESENTAÇÕES DE UMA ONDA UNIDIRECIONAL Para entendermos melhor como uma onda se propaga, iremos concentrar nossos esforços em estudar ondas com apenas uma direção de propagação. Propagação de onda em uma corda. Propagação de onda em uma mola. Para produzirmos uma onda em uma corda conforme representado na figura 1 deve ser aplicado na corda uma força F sobre a mesma. Essa perturbação causada por essa força tem direção vertical, i.e., para uma onda se propagar na direção horizontal em uma corda, esta deve sofrer uma perturbação na vertical. Note na figura que, conforme a onda passa (direção horizontal), os elementos que compõem a corda sobem e descem (direção vertical). Toda onda cuja direção de perturbação é ortogonal à direção de sua propagação é chamada de onda transversal. Entretanto, na figura 2, podemos notar que a direção de vibração dos elementos que compõem a mola (direção esta da força externa aplicada na mola) é a mesma que a direção de propagação da onda. Podemos perceber que essa propagação se dá através de sucessivas compressões e rarefações de partes da mola. Toda onda cuja direção de perturbação é a mesma que a direção de sua propagação é chamada de onda longitudinal. ONDAS ESTACIONÁRIAS Ondas (harmônicas) estacionárias são ondas (séries de ondas) que possuem frequência constante cuja perturbação está em M.H.S.. Retorne à figura 1 e veja o que acontece com o elemento da corda em destaque. Quando a onda passa esse ponto oscila na vertical. Imaginando uma série de ondas passando por esse elemento, percebemos que esse ponto estará em M.H.S.. A figura a seguir representa uma série de ondas harmônicas. crista nó vale Onda harmônica. 186 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR Medidas e pontos notáveis de uma série de ondas como a exposta na figura 3: • crista: topo da onda; • vale: ponto inferior da onda; • nó: ponto em que a onda toca o eixo x. Também chamado de ponto nodal; • comprimento da onda (λ): como o nome diz, é o comprimento de uma onda completa. Pode ser medido como a distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos, ou até mesmo a distância entre o primeiro e o terceiro nó (de modo geral, entre o nó n e o n+2); • amplitude (A): é a distância entre o meio e a crista (ou vale) da onda. Como a velocidade de propagação da onda v é constante, temos que: v T λ = Onde T é o tempo em que uma onda com velocidade leva para percorrer uma distância equivalente a uma onda completa λ. Ou seja, T é o período de oscilação da onda. Lembrando que a frequência é o inverso do período, a equação acima, chamada de equação geral de onda pode ser reescrita sob a seguinte forma: v = λf Exercício Resolvido 01. Ondas de rádio são ondas eletromagnéticas, i.e., não precisam de um meio material para se propagar. Podemos dizer que ondas eletromagnéticas são ondas que se propagam no vácuo com uma velocidade de 300.000 km/s no vácuo. Considerando que essa velocidade seja praticamente a mesma no ar, qual é o comprimento de onda da estação 99,9 FM? Resolução: Primeiramente vamos colocar as unidades dentro do mesmo padrão. Assim a velocidade deve estar em m/s e a frequência, em Hz. Para isso, é importante saber que 1 FM equivale a 1 MHz (106Hz). Agora basta aplicarmos a equação geral de ondas: v = λf ∴ 3 ⋅ 108 = λ ⋅ 99,9 ⋅ 106 ∴ λ ≅ 3m 02. O som é uma onda mecânica, i.e., precisa de um meio material para se propagar. Veremos, no módulo de Acústica, mais detalhes sobre essa onda. Um músico possui um diapasão para afinar seu violão. Esse diapasão, quando tocado, produz um som com uma frequência bem definida de 340 Hz. Sabendo-se que a velocidade do som no ar em um dia de temperatura ambiente (25 °C) é aproximadamente 340 m/s, qual é o comprimento dessa onda? Resolução: Basta aplicar a equação fundamental: v = λf ∴ 340 = λ ⋅ 340 ∴ λ = 1 m Os enunciados dos exemplos anteriores trouxeram uma informação importante. Podemos classificar as ondas de acordo com a necessidade ou não de um meio material (com partículas) para se propagar. Essa diferença separa duas ondas fundamentais para as nossas vidas, som e luz. LUZ A luz é uma onda eletromagnética transversal. Eletromagnética porque se propaga com uma velocidade de 300.000 km/s no vácuo (assim como diversas outras ondas, como as ondas de rádio, as micro-ondas, infravermelho, ultravioleta e etc). Transversal porque os campos elétrico e magnético vibram sempre em direções ortogonais à direção de propagação da luz, conforme figura a seguir. Campo elétrico velocidade Campo magné�co M E C Velocidade da Luz λ = Comprimento de onda A luz possui velocidades diferentes em diferentes meios de propagação, conforme estudamos no módulo de refração. A relação entre a velocidade da luz no vácuo c e sua velocidade em outro meio é conhecida como índice de refração do meio (n = c/v). A próxima figura mostra os mais diversos tipos de ondas eletromagnéticas, o chamado espectro eletromagnético. Note que a luz (região visível para nós) corresponde a uma pequena faixa do espectro. 187 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR SOM Mais para frente teremos um módulo dedicado inteiramente ao estudo do som. Aqui, por hora, cabe a nós a sua definição. O som é uma onda mecânica longitudinal. Mecânica porque não se propaga no vácuo. Quanto maior a rigidez do meio maior será a velocidade com que o som irá se propagar. Longitudinal porque as moléculas do meio (que pode ser o ar, água ou qualquer outro meio material) vibram na mesma direção que o som de propaga. A figura abaixo mostra o comportamento das moléculas do ar durante a propagação do som. Note que é similar ao exemplo apresentado de uma onda produzida em uma mola. Compressão Rarefação alto-falante A velocidade do som depende não somente do meio, mas também da temperatura local, que influencia na velocidade das moléculas. Por exemplo, a velocidade do som no ar sob temperatura de 0°C é aproximadamente 330 m/s, já a 25 °C, sobe para 340 m/s. A relação entre a velocidade do som em mesmo meio em função da temperatura é: 2 2 1 1 T v v T = onde vn é a velocidade do som sob uma temperatura Tn, em Kelvin. Então a velocidade do som depende do meio e da temperatura. A equação mais geral está no módulo de Acústica. A tabela a seguir expõe as diferenças comentadas entre luz e som: SOM LUZ Onda mecânica longitudinalOnda eletromagnética transversal νsólido > νlíquido > νgás νsólido < νlíquido < νgás Não se propaga no vácuo νvácuo ≅ 3 · 10 8 m/s Domínio da audição humana: [20,20K]Hz Domínio da visão humana: [400,750]THz Quanto mais próximo de 20Hz, mais grave Quanto mais afastado de 20Hz, mais agudo [400,484]THz - vermelho [668,750]THz - violeta CORDAS VIBRANTES EQUAÇÃO DA POSIÇÃO VERTICAL DOS ELEMENTOS DE CORDA EM FUNÇÃO DE X E DE T A figura abaixo mostra uma possível configuração de uma onda produzida em uma corda em três instantes diferentes, t1, t2, t3. t1 t1 t2 t3 t2 t3 x1 x2 188 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR Perceba que no instante t1 o elemento da corda 1 que está na crista da onda e na direção vertical que passa por x1. Nesse mesmo instante, em x2, o elemento da corda 2 está no vale. Note também que conforme o tempo vai passando, o elemento 1 está descendo, enquanto 2 está subindo. Isso significa que a altura dos elementos de corda dependem de x e de t. Como os elementos da corda estão em M.H.S., para um determinado x, temos: y(t) = Acos(ωt + ϕ), que corresponde à equação da posição y em função do tempo em um movimento harmônico simples. Fazendo 2 T π ω = e relacionando esse tempo T (período) com o tempo para o deslocamento de uma onda completa λ, teremos a equação da posição y de um elemento de corda para um dado x em um instante t qualquer: x t y(x,t) Acos 2 T = π ± + ϕ λ ou ainda: y(x,t) = Acos[kx ± ωt + ϕ], Onde k = 2π/λ é chamado de número de onda. Assim como 1/T significa o número de oscilações por segundo (frequência) e ω = 2π/T, podemos entender que 1/λ exprime o número de comprimentos de onda por unidade de comprimento. Portanto a relação entre k e λ é análoga à relação entre ω e T. Observação Se a propagação for para a direita, usaremos o sinal negativo e se for para a esquerda, positivo. Portanto: y(x,t) = Acos[kx – ωt + ϕ] → direita y(x,t) = Acos[kx + ωt + ϕ] → esquerda Exercício Resolvido 03. Uma onda se propaga com velocidade de 1 m/s para a direita em uma corda conforme figura a seguir: Qual é a equação que relaciona a posição vertical dos elementos dessa corda em função de x e de t? Resolução: Para determinarmos a equação da onda temos que achar as grandezas A, k, ω e ϕ. No tempo t = 0, o elemento que está em x = 0 está na altura y = 0. Portanto: y(x,t) = Acos[kx – ωt + ϕ] y(0,0) = Acos[k ⋅ 0 – ω ⋅ 0 + ϕ] = 0 ∴ ϕ = ± π/2rad Como saber se o ângulo inicial é + π/2 rad ou – π/2rad? Uma dica: veja se esse ponto irá subir ou se irá descer (que é o que acontece nesse exemplo. Basta ver que, em x = 0, a linha pontilhada está abaixo da linha contínua). A velocidade desse elemento de corda é calculada derivando a equação da posição: y y(x,t) V (x,t) Asin [kx t ] t ∂ = = −ω − ω + ϕ ∂ 1 Tomando t = 0 e x = 0, obteremos: vy(0,0) = –ωAsin[k ⋅ 0 – ω ⋅ 0 + ϕ] = – ωAsin[ϕ] Como a velocidade é negativa nesse ponto, ϕ = π/2rad → vy(0,0) = – ωAsin[π/2] = – ωA Portanto / 2 radϕ = π A figura nos informa que λ = 4m e o enunciado nos informou a velocidade da onda. A frequência de oscilação dessa corda é, então: 1 v f 1 4 f f H, 4 = λ ∴ = ⋅ ∴ = e 2 f rad / s 2 π ω = π = Já o número de onda k pode ser facilmente obtido usando a relação abaixo: 12k m 2 −π π= = λ E a amplitude A vale 5 cm. Como a questão não pede para colocar a medida de y no S.I., podemos escrever a equação como: y(x,t) 5cos x t 2 2 2 π π π = − Ou ainda, simplificando: y(x,t) 5sin (x t) 2 π = − EQUAÇÃO DE TAYLOR Sabemos que como a onda em uma corda é uma onda transversal, uma força F vertical deve ser aplicada sobre a corda. É uma força tensora (tração T ). A figura a seguir mostra um pulso da corda sob a aplicação dessa força: Suponha que o pulso formado tenha um formato de um pequeno arco de círculo de raio r e com um pequeno ângulo de abertura 2ε, conforme figura acima. A resultante das forças que atua no elemento dm será vertical para baixo, apontando para o ponto O, que é a resultante centrípeta. Logo: 1 Derivamos a y (x,t) apenas em função do tempo. A operação realizada é cha- mada de derivada parcial y t ∂ ∂ . Podemos pensar que é uma derivada comum que, para nossos usos, não fará diferença. De fato, a equação de derivadas parciais de 2ª ordem 2 2 2 2 2 1 y y 0 v t x ∂ ∂ − = ∂ ∂ é a equação de ondas unidirecionais, uma das equações fundamentais da física. 189 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR 2v 2Tsen dm r ε = Temos também que dl = 2rε. Substituindo na equação acima, teremos: 2v 2Tsen dm 2 dl ε = ε Fazendo dm m sen e dl l ε ≈ ε = = µ , já que a corda é homogênea, ou seja, a densidade de um pequena parte dela é igual a densidade da corda toda, teremos que: 2 T2T v 2 v= µ ∴ = µ Essa equação acima é a equação de Taylor, que nos mostra a relação entre a força T aplicada na corda, sua densidade linear µ (massa/comprimento) e a velocidade de propagação da onda na corda. Podemos perceber que uma mesma força aplicada em cordas de densidades diferentes produz ondas com velocidades diferentes e, consequentemente, frequências diferentes. É o que acontece em um violão (as cordas do violão têm densidades diferentes. As mais densas produzem sons mais graves). Veremos essa situação no módulo de Acústica. Relacionando a frequência da onda produzida em uma corda com a força T nela aplicada, obteremos: 2 T2T v 2 v= µ ∴ = µ Exercício Resolvido 04. (UFJF-PISM 3 2017 modificada) Consideremos uma corda fixa nas suas extremidades e sujeita a certa tensão. Se excitarmos um ponto desta corda por meio de um vibrador de frequência qualquer ou pela ação de uma excitação externa, toda a extensão da corda entra em vibração. É o que acontece, por exemplo, com as cordas de um violão. Existem certas frequências de excitação para as quais a amplitude de vibração é máxima. Estas frequências próprias da corda são chamadas modos normais de vibração. Além disto, formam-se ondas estacionárias exibindo um padrão semelhante aquele mostrado na figura 1a. Com base nestas informações, um estudante usou o laboratório didático de sua escola e montou o seguinte experimento: uma corda tem uma de suas extremidades presa a um diapasão elétrico que oscila com frequência constante e a outra extremidade passa por uma polia na extremidade de uma mesa e é presa a uma massa m pendurada do lado de fora, conforme ilustrado na figura 1b. No experimento, foi usado um diapasão elétrico de frequência constante f = 150Hz. Ele fixou a corda para um comprimento L = 80 cm e massa 80 g. Nesta configuração obteve o padrão de oscilação da corda formando 3 ventres, conforme a figura 1b. Qual é a massa do bloco m que está tensionando a corda? Resolução: A configuração apresentada de 3 ventres é conhecida como 3º harmônico. A primeira configuração, por exemplo, é a mais simples possível, chamada de harmônico fundamental. Como 3 ventres equivalem a 1,5λ, temos que: 8 1,5 0,8 m 15 λ = ∴λ = O diapasão faz com que a corda vibre na mesma frequência que ele (estão em ressonância, fenômeno que será explorado no módulo 18). A velocidade dessa onda é: 8 v f 150 80 m / s 15 = λ = ⋅ = A densidade linear da corda vale m 0,08 L 0,8 µ = = = 0,1kg/m. Assim, a tensão que essa corda está submetida vale: T T v 80 T 640N, 0,1 = ∴ = ∴ = µ e, como a tração do fio tem o mesmo módulo que a força peso do bloco, temos que sua massa vale incríveis 64 kg! EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. Quando se considera a extrema velocidade com que a luz se espalha por todos os lados e que, quando vêm de diferentes lugares, mesmo totalmente opostos, os raios luminosos se atravessam uns aos outros sem se atrapalharem, compreende-se que, quando vemos um objeto luminoso, isso não poderia ocorrer pelo transporte de uma matéria que venha do objeto até nós, como uma flecha ou bala atravessa o ar; pois certamente isso repugna bastante a essas duas propriedades da luz, principalmente aúltima. HUYGENS, C. in: MARTINS, R. A. Tratado sobre a luz, de Cristian Huygens. Caderno de História e Filosofia da Ciência, supl. 4, 1986. O texto contesta que concepção acerca do comportamento da luz? a) O entendimento de que a luz precisa de um meio de propagação, difundido pelos defensores da existência do éter. b) O modelo ondulatório para a luz, o qual considera a possibilidade de interferência entre feixes luminosos. c) O modelo corpuscular defendido por Newton, que descreve a luz como um feixe de partículas. d) A crença na velocidade infinita da luz, defendida pela maioria dos filósofos gregos. e) A ideia defendida pelos gregos de que a luz era produzida pelos olhos. 02. Onda é qualquer perturbação que se propaga em um meio. Ondulatória é a parte da Física que estuda esses fenômenos. Nesse âmbito, assinale o que for correto. 01) Ondas mecânicas não se propagam no vácuo. 190 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR 02) A velocidade de propagação de onda em uma corda depende da densidade linear da corda. 04) Para ondas de mesma natureza, em cada meio, o comprimento de onda é inversamente proporcional à frequência. 08) Ondas longitudinais não sofrem o fenômeno da polarização. 03. Em um violão, a corda mais grossa é responsável pelo som mais grave de baixa frequência e a corda mais fina é responsável pelo som agudo de alta frequência. Suponha que neste violão todas as cordas são feitas do mesmo material e estão submetidas a mesma tensão. A razão entre as densidades lineares entre a corda mais grossa (G) e a corda mais fina (F) é dada por G F 4.µ µ = Alguém dedilha essas duas cordas com a mesma força e provoca um pulso transversal de mesma amplitude. De acordo com o enunciado, assinale a alternativa CORRETA que relaciona as grandezas: velocidade de propagação (v), frequência (f) e comprimento (λ) para a onda criada nessas duas cordas. a) F G F G F Gv 2v ; f f ;= > λ < λ b) F G F G F Gv 1 2v ; f f ;= > λ > λ c) F G F G F Gv 4v ; f f ;= < λ < λ d) F G F G F Gv 2v ; f f ;= < λ < λ e) F G F G F Gv 1 2v ; f f ;= > λ < λ 04. De acordo com a teoria ondulatória, analise as afirmações abaixo I. A velocidade de onda emitida por uma fonte depende do meio de propagação. II. Uma onda é uma perturbação que sempre necessita de um meio material para se propagar. III. O som é uma onda de natureza eletromagnética. Está(ão) correta(s) apenas a(s) afirmativa(s): a) I. b) II. c) III. d) I e III. 05. Um observador percebe que uma torneira com defeito goteja num tanque com água a intervalos regulares de tempo. Ele conta 30 gotas a cada 15 s, portanto, a frequência das ondas circulares produzidas na superfície da água é igual : a) 2,0Hz b) 20Hz c) 10Hz d) 0,50Hz 06. O gráfico a seguir representa uma onda sonora que se propaga com uma velocidade de 340 m/s. Sabendo que o ser humano, em média, consegue ouvir sons de frequência em um espectro de 20 Hz até 20000 Hz, esta onda sonora: a) não pode ser ouvida pelo ser humano, pois apresenta frequência igual a 34000Hz. b) não pode ser ouvida pelo ser humano, pois apresenta frequência igual a 22000Hz. c) pode ser ouvida pelo ser humano, pois apresenta frequência de aproximadamente 11300Hz. d) pode ser ouvida pelo ser humano, pois apresenta frequência de aproximadamente 113Hz. e) pode ser ouvida pelo ser humano, pois apresenta frequência igual a 340Hz. 07. Os morcegos não enxergam muito bem, entretanto, são mamíferos capazes de ouvir sons cujas frequências vão de 1.000Hz a 120.000Hz. O maior comprimento de onda das ondas sonoras audíveis por morcegos é de: Lembre-se de que v f,= λ ⋅ em que: - v é a velocidade de propagação do som no ar, de valor 340m/s; - λ é o comprimento de onda, em m; - f é a frequência da onda, em Hz. a) 0,12m b) 0,34m c) 1,2m d) 120m e) 350m 08. Ondas periódicas são aquelas em que a perturbação do meio se repete periodicamente. Uma onda periódica pode ser visualizada como uma sucessão de pulsos gerados a intervalos de tempo constantes. As ondas peródicas podem ser caracterizadas por cinco parâmetros: amplitude, polarização, velocidade de propagação, frequência e comprimento de onda. a) Considerando que, na superfície de um líquido contido num recipiente, são gerados dez pulsos por segundo e sabendo que a distância entre duas cristas consecutivas é de 2,5 cm, determine a velocidade e o período das ondas. b) Considere que duas barreiras são colocadas à direita e à esquerda do sentido positivo da propagação da onda e que, neste caso, ocorra uma onda estacionária com cinco ventres e seis nós para a frequência de 10 Hz, conforme o esquema da figura. Determine: (i) a distância entre as barreiras; (ii) qual seria a frequência fundamental. 09. A radiação X, com comprimentos de onda entre 0,01nm a 10 nm, tem frequência menor do que a frequência: a) da radiação ultravioleta, cujos comprimentos de onda são na faixa de 9380 10 m−× a 910 m.− b) da radiação infravermelha, cujos comprimentos de onda são na faixa de 700nm a 50.000nm. c) da radiação na faixa visível, cujos comprimentos de onda são na faixa de 400nm a 750nm. d) da radiação gama, cujos comprimentos de onda são na faixa de 1210 m− a 1410 m.− 10. A depilação a laser é um procedimento de eliminação dos pelos que tem se tornado bastante popular na indústria de beleza e no mundo dos esportes. O número de sessões do procedimento depende, entre outros fatores, da coloração da pele, da área a ser tratada e da quantidade de pelos nessa área. Três tipos de laser comumente utilizados para depilação têm comprimentos de onda 1 760 nm,λ ≈ 2 800 nmλ ≈ e 3 1.060 nm,λ ≈ respectivamente. Se a velocidade da luz vale 8c 3,0 10 m s,= × o laser de maior frequência tem uma frequência de aproximadamente: Dados: Se necessário, use aceleração da gravidade g = 10m/s², aproxime π = 3,0 e 1atm = 105Pa. a) 143,9 10 Hz.× b) 52,8 10 Hz.× c) 152,5 10 Hz.× d) 123,7 10 Hz.× EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. Analise as seguintes afirmações: I. Ondas mecânicas se propagam no vácuo, portanto não necessitam de um meio material para se propagarem. 191 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR II. Ondas longitudinais são aquelas cujas vibrações coincidem com a direção de propagação. III. Ondas eletromagnéticas não precisam de um meio material para se propagarem. IV. As ondas sonoras são transversais e não se propagam no vácuo. Assinale a alternativa que contém todas as afirmações verdadeiras. a) I e II b) I e III c) II e III d) II e IV 02. Um garoto mexendo nos pertences de seu pai, que é um professor de física, encontra um papel quadriculado como a figura a seguir. Suponha que a figura faça referência a uma onda periódica, propagando-se da esquerda para a direita. Considerando que no eixo das abscissas esteja representado o tempo (em segundos), que no eixo das ordenadas esteja representada a amplitude da onda (em metros), que o comprimento de onda seja de 8m e que cada quadradinho da escala da figura tenha uma área numericamente igual a 1, a sua velocidade de propagação (em metros por segundo) será de: a) 0,25 b) 1 c) 8 d) 16 03. O comprimento de onda da luz emitida por um laser é de 675nm no ar, onde a velocidade de propagação de ondas eletromagnéticas é de 83,0 10 m s.× Com base nessas informações, pode-se afirmar que a velocidade de propagação e a frequência da luz emitida por esse laser, em um meio onde o comprimento de onda é 450nm, são, respectivamente: a) 82,0 10 m s× e 84,0 10 Hz× b) 82,5 10 m s× e 144,4 10 Hz× c) 82,0 10 m s× e 84,4 10 Hz× d) 82,0 10 m s× e 144,4 10 Hz× e) 82,5 10 m s× e 84,0 10 Hz× 04. Uma onda propagando-se em um meio material passa a propagar- se em outro meio cuja velocidade de propagação é maior do que a do meio anterior. Nesse caso, a onda, no novo meio tem: a) sua fase invertida. b) sua frequênciaaumentada. c) comprimento de onda maior. d) comprimento de onda menor. 05. Uma corda ideal está atada a um diapasão que vibra com frequência 1f e presa a um corpo de massa m =2,5kg, conforme a figura 1. A onda estacionária que se forma possui 6 ventres que formam 3,0m de comprimento. Um diapasão de frequência 2f é posto a vibrar na borda de um tubo com água, conforme a figura 2. O nível da água vai diminuindo e, na altura de 42,5 cm, ocorre o primeiro aumento da intensidade sonora. Desprezando os atritos e considerando a roldana ideal, a razão entre as frequências 2f e 1f é de aproximadamente: Dado: densidade linear da corda = 250g/m. a) 2,0 b) 4,0 c) 20,00 d) 40,0 e) 60,0 06. Analise a figura abaixo. A figura acima ilustra quatro fontes sonoras pontuais 1 2 3(F , F , F e 4F ), isotrópicas, uniformemente espaçadas de d = 0,2m, ao longo do eixo x. Um ponto P também é mostrado sobre o eixo x. As fontes estão em fase e emitem ondas sonoras na frequência de 825Hz, com mesma amplitude A e mesma velocidade de propagação,330m/s. Suponha que, quando as ondas se propagam até P, suas amplitudes se mantêm praticamente constantes. Sendo assim a amplitude da onda resultante no ponto P é a) zero b) A/4 c) A/2 d) A e) 2A 07. O comprimento de onda da luz amarela de sódio é 0,589µm. Considere um feixe de luz amarela de sódio se propagando no ar e incidindo sobre uma pedra de diamante, cujo índice de refração é igual a 2,4. Quais são o comprimento de onda, em angstroms, e a frequência, em quilo-hertz, da luz amarela de sódio no interior do diamante? Dados: c = 3⋅108m/s; 1 angstrom 1010 m−= a) 2.454454 e 115,1 10⋅ b) 2.454 e 145,1 10⋅ c) 5.890 e 112,1 10⋅ d) 5.890 e 142,1 10⋅ e) 14.140 e 145,1 10⋅ 08. Uma hélice de avião gira a 2.800rpm. Qual a frequência (f) de rotação da hélice, em unidades do Sistema Internacional (SI)? Adote 3.π ≅ a) 16,77 b) 26,7 c) 36,7 d) 46,7 09. Se o ser humano pode ouvir sons de 20 a 20.000 Hz e sendo a velocidade do som no ar igual a 340 m/s, qual o menor comprimento de onda audível pelo ser humano, em m? a) 17 b) 1,7 c) 11,7 10−⋅ d) 21,7 10−⋅ 10. A velocidade do som na água líquida é de 1,48 km/s, enquanto que no ar ela vale 343 m/s, ambas à temperatura de 20oC e à pressão de 1,0 atm. Podemos afirmar que a diferença citada acima se deve, principalmente, ao fato da água ser um meio que apresenta em relação ao ar: a) maior atrito e maior calor específico. b) maior densidade e menor compressibilidade. c) maior frequência da onda sonora. d) maior comprimento da onda sonora. e) menor ocorrência de ondas estacionárias. 11. Um instantâneo de uma corda, onde se estabeleceu uma onda estacionária, é apresentado na figura a seguir. 192 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR Nesta situação, considerada ideal, a energia associada aos pontos 1, 2 e 3 da corda é apenas potencial. No instante igual a 3 4 de ciclo após a situação inicial acima, a configuração que melhor representa a forma da corda e o sentido das velocidades dos pontos 1, 2 e 3 é: a) b) c) d) 12. Considere duas ondas sonoras que produzem variações na pressão em um mesmo ponto do espaço por onde elas se propagam. Caso a pressão nesse ponto seja dada por P = 5 + 2cos(4t) quando uma das ondas passa, e P = 5 + 2sen(4t) quando a outra passa pelo ponto, é correto afirmar que as duas ondas têm: a) amplitudes diferentes. b) mesmo timbre. c) frequências diferentes. d) mesma fase. 13. A figura a seguir representa um aparato experimental para demonstração de ondas estacionárias em cordas. O experimento, conhecido como gerador de ondas estacionárias, é composto por um vibrador, um dinamômetro, uma corda e uma base sólida para fixação do aparato. Sabe-se que a corda utilizada tem comprimento igual a 1 metro e massa igual a 10 gramas. Considerando a onda estacionária gerada no momento em que a foto do experimento foi registrada e o fato de, nesse instante, o dinamômetro indicar uma força de tensão de 156,25 Newtons, a frequência de vibração da fonte é igual a: a) 6,00Hz b) 93,75Hz c) 156,25Hz d) 187,50Hz 14. Uma corda elástica, de densidade linear constante 0,125 kg m,µ = tem uma de suas extremidades presa a um vibrador que oscila com frequência constante. Essa corda passa por uma polia, cujo ponto superior do sulco alinha-se horizontalmente com o vibrador, e, na outra extremidade, suspende uma esfera de massa 1,8kg, em repouso. A configuração da oscilação da corda é mostrada pela figura 1. Em seguida, mantendo-se a mesma frequência de oscilação constante no vibrador, a esfera é totalmente imersa em um recipiente contendo água, e a configuração da oscilação na corda se altera, conforme figura 2. Adotando g = 10m/s² e sabendo que a velocidade de propagação de uma onda em uma corda de densidade linear µ, submetida a uma tração T, é dada por T v ,= µ calcule: a) a frequência de oscilação, em Hz, do vibrador. b) a intensidade do empuxo, em N, exercido pela água sobre a esfera, na situação da figura 2. 15. Na figura abaixo, uma corda é presa a um suporte e tensionada por um corpo esférico de 500g, que se encontra totalmente imerso em um recipiente contendo água. Determine a velocidade com que se propaga uma onda na corda. Considere a corda como um fio ideal. (Dados: massa específica da água = 1g/cm³; volume da esfera 30,1dm ;= densidade da corda = 1,2g/m; aceleração da gravidade 210 m s .)= a) 47,3 m s b) 49 m s c) 52,1m s d) 54,5 m s e) 57,7 m s 16. A figura representa uma onda harmônica transversal, que se propaga no sentido positivo do eixo x, em dois instantes de tempo: t = 3s (linha cheia) e t = 7s (linha tracejada). Dentre as alternativas, a que pode corresponder à velocidade de propagação dessa onda é: a) 0,14 m/s b) 0,25 m/s c) 0,33 m/s d) 1,00 m/s e) 2,00 m/s 193 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR 17. O gráfico acima representa uma onda que se propaga com velocidade constante de 200m/s. A amplitude (A), o comprimento de onda ( )λ e a frequência (f) da onda são, respectivamente, a) 2,4 cm; 1,0 cm; 40 kHz b) 2,4 cm; 4,0 cm; 20 kHz c) 1,2 cm; 2,0 cm; 40 kHz d) 1,2 cm; 2,0 cm; 10 kHz e) 1,2 cm; 4,0 cm; 10 kHz 18. O primeiro forno de micro-ondas foi patenteado no início da década de 1950 nos Estados Unidos pelo engenheiro eletrônico Percy Spence. Fornos de micro-ondas mais práticos e eficientes foram desenvolvidos nos anos 1970 e a partir daí ganharam grande popularidade, sendo amplamente utilizados em residências e no comércio. Em geral, a frequência das ondas eletromagnéticas geradas em um forno de micro-ondas é de 2450 MHz. Em relação à Física de um forno de micro-ondas, considere as seguintes afirmativas: 1. Um forno de micro-ondas transmite calor para assar e esquentar alimentos sólidos e líquidos. 2. O comprimento de onda dessas ondas é de aproximadamente 12,2 cm. 3. As ondas eletromagnéticas geradas ficam confinadas no interior do aparelho, pois sofrem reflexões nas paredes metálicas do forno e na grade metálica que recobre o vidro da porta. Assinale a alternativa correta. a) Somente a afirmativa 1 é verdadeira. b) Somente a afirmativa 2 é verdadeira. c) Somente a afirmativa 3 é verdadeira. d) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras. e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras. 19. Os morcegos se orientam e encontram suas presas emitindo, de suas narinas, ondas ultra-sônicas e recebendo as ondas refletidas. Para detectar uma presa, na mais completa escuridão, o morcego emite ondas numa certa frequência fE, que são refletidas pela presa e voltam para ele com outra frequência fD. O morcego ajusta a frequência emitida até que a recebida seja de 80 kHz, que corresponde ao máximo de sensibilidade para a audição de um morcego.Dessa forma, ele pode tanto calcular a posição quanto a velocidade da presa. Considerando a velocidade do som no ar igual a 340 m/s, é correto afirmar: a) Ondas ultra-sônicas são ondas sonoras com frequências mais baixas que as detectadas pelo ouvido humano. b) Se uma mariposa estiver voando de encontro ao morcego, a frequência detectada pelo morcego será menor que a emitida por ele. c) Se a presa produzir suas próprias ondas ultra-sônicas pode confundir o sistema de detecção do morcego e assim salvar sua vida. d) Para a frequência de máxima sensibilidade de recepção, o comprimento de onda vale 4,25 m. e) Se o morcego está em repouso e uma mariposa está se afastando dele, do ponto de vista do morcego, o comprimento de onda detectado será menor do que o da onda emitida por ele. 20. Um instrumento musical de cordas possui cordas metálicas de comprimento L. Uma das cordas possui diâmetro d, densidade ρ e, quando sujeita a uma tensão T, vibra com uma frequência fundamental de 420 Hz. Suponha que um músico troque essa corda por outra de mesmo material e comprimento, mas com a metade do diâmetro da corda original. Considere que as cordas estão fixas nas suas extremidades. Faça o que se pede, justificando suas respostas. a) Encontre a expressão para a velocidade de propagação da onda na corda em função das grandezas T, d e .ρ b) Determine a velocidade da onda na nova corda, quando sujeita a uma tensão quatro vezes superior à primeira, em função da velocidade na corda original. c) Calcule a frequência fundamental nessa nova situação. 21. As ondas em um oceano possuem 6,0 metros de distância entre cristas sucessivas. Se as cristas se deslocam 12m a cada 4,0s, qual seria a frequência, em Hz, de uma boia colocada nesse oceano? a) 1,80 b) 1,50 c) 1,00 d) 1,20 e) 0,50 22. Um apontador laser emite uma radiação de comprimento de onda igual a 600nm, isto é, 9600 10 m.−× São dadas a velocidade da luz no ar, 8c 3,0 10 m s,= × e a constante de Planck, 346,6 10 J s.−× ⋅ Os valores que melhor representam a frequência da radiação e a energia de cada fóton são, respectivamente, a) 50 Hz e 323,3 10 J.−× b) 50 Hz e 351,32 10 J.−× c) 180 Hz e 311,2 10 J.−× d) 145,0 10 Hz× e 201,8 10 J.−× e) 145,0 10 Hz× e 193,3 10 J.−× 23. Nas questões com respostas numéricas, considere o módulo da aceleração da gravidade como 2g 10,0 m s ,= o módulo da carga do elétron como 19e 1,6 10 C,−= × o módulo da velocidade da luz como 8c 3,0 10 m s= × e utilize 3.π = Supondo-se que uma equação de onda de ultrassom, utilizada em um exame pré-natal, tem o deslocamento ao longo da direção y dado pela relação 6 3y(x, t) 50 sen [(60 10 )t (4 10 )x],= × + × onde x e y estão medidos em micrômetros e o tempo t, em segundos. Essa equação representa uma onda: a) que viaja com uma velocidade de 15 mm/s no sentido negativo do eixo x. b) de amplitude 25 mµ que viaja ao longo do sentido negativo do eixo x. c) que possui número de onda igual a 140 m .− d) de comprimento de onda 60 m.µ e) de frequência 610 MHz. Quando necessário, adote, na próxima questão: - módulo da aceleração da gravidade: 210 m s−⋅ - calor latente de vaporização da água: 1540 cal g−⋅ - calor específico da água: 1 11,0 cal g C− −⋅ ⋅ ° - densidade da água: 31g cm−⋅ - constante universal dos gases ideais: 1 1R 8,0 J mol K− −= ⋅ ⋅ - massa específica do ar: 3 31,225 10 g cm− −⋅ ⋅ - massa específica da água do mar: 31,025 g cm−⋅ - 1cal 4,0 J= 24. Duas fontes harmônicas simples produzem pulsos transversais em cada uma das extremidades de um fio de comprimento 125cm, homogêneo e de secção constante, de massa igual a 200g e que está tracionado com uma força de 64N. Uma das fontes produz seu pulso t∆ segundos após o pulso produzido pela outra fonte. Considerando que o primeiro encontro desses pulsos se dá a 25cm de uma das extremidades dessa corda, determine, em milissegundos, o valor de t.∆ 194 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR a) 37,5 b) 75,0 c) 375,0 d) 750,0 25. A energia elétrica que chega às nossas residências é na forma de tensão alternada a uma frequência de 60Hz. Na prática, a diferença de potencial elétrico entre os dois polos de uma tomada de parede é proporcional a uma função do tipo 2 t sen , 60 π onde t é o tempo em segundos. Considere uma lâmpada que somente emita luz quando recebe uma diferença de potencial diferente de zero. Assim, ao ser ligada nessa tomada, a lâmpada apagará quantas vezes a cada segundo? a) 60. b) 30. c) 2 . 60 π d) 120. EXERCÍCIOS DE COMBATE Nas questões com respostas numéricas, considere o módulo da aceleração da gravidade como g = 10,0m/s², o módulo da carga do elétron como e = 1,6 × 10-19C, o módulo da velocidade da luz como c = 3,0 × 108 m/s e utilize π = 3. 01. (UPE-SSA 3 2017) Supondo-se que uma equação de onda de ultrassom, utilizada em um exame pré-natal, tem o deslocamento ao longo da direção y dado pela relação y(x,t) = 50 sen [(60 × 106)t + (4 × 103)x], onde x e y estão medidos em micrômetros e o tempo t, em segundos. Essa equação representa uma onda: a) que viaja com uma velocidade de 15mm/s no sentido negativo do eixo x. b) de amplitude 25µm que viaja ao longo do sentido negativo do eixo x. c) que possui número de onda igual a 40m-1. d) de comprimento de onda 60µm. e) de frequência 106 MHz. 02. (EN 2016) Analise a figura abaixo. A figura acima mostra uma montagem em que o bloco de massa m = 0,70kg, preso à extremidade de uma mola vertical, oscila em torno da sua posição de equilíbrio. No bloco, prende-se uma corda muito longa estendida na horizontal. A massa específica linear da corda é 1,6⋅10-4kg/m. Após algum tempo, estabelece-se na corda uma onda transversal cuja equação é dada por y(x,t) = 0,030⋅cos(2,0x – 30t), onde x e y estão em metros e t em segundos. Nessas condições, a constante elástica da mola, em N/m, e a tração na corda, em mN, são, respectivamente: a) 157 e 144 b) 210 e 36 c) 210 e 160 d) 630 e 36 e) 630 e 144 03. (UERJ 2017) Observe no diagrama o aspecto de uma onda que se propaga com velocidade de 0,48 m/s em uma corda: Calcule, em hertz, a frequência da fonte geradora da onda. 04. (UEPG 2017) Uma onda periódica se propaga em uma corda, de 2 m de comprimento e que possui uma massa de 400 g, de acordo com a equação: y = 10cos (10πt –2πx), onde y e x estão em metros e t em segundos. Sobre o assunto, assinale o que for correto. 01) A frequência de oscilação da onda é 5Hz. 02) O comprimento de onda é 2 m. 04) A velocidade de propagação da onda na corda é 5 m/s. 08) A intensidade da força que traciona a corda é 5N. 16) A amplitude da onda é 10 m. 05. (UNESP 2016) Uma corda elástica está inicialmente esticada e em repouso, com uma de suas extremidades fixa em uma parede e a outra presa a um oscilador capaz de gerar ondas transversais nessa corda. A figura representa o perfil de um trecho da corda em determinado instante posterior ao acionamento do oscilador e um ponto P que descreve um movimento harmônico vertical, indo desde um ponto mais baixo (vale da onda) até um mais alto (crista da onda). Sabendo que as ondas se propagam nessa corda com velocidade constante de 10 m/s e que a frequência do oscilador também é constante, a velocidade escalar média do ponto P, em m/s, quando ele vai de um vale até uma crista da onda no menor intervalo de tempo possível é igual a: a) 4 b) 8 c) 6 d) 10 e) 12 06. (ITA 2016) Uma corda de cobre, com seção de raio rC, está submetida a uma tensão T. Uma corda de ferro, com seção de raio rF , de mesmo comprimento e emitindo ondas de mesma frequência que a do cobre, está submetida a uma tensão T/3. Sendo de 1,15 a razão entre as densidades do cobre e do ferro, e sabendo que ambas oscilam no modo fundamental, a razão rC/rF é igual a a) 1,2 b) 0,6 c) 0,8 d) 1,6 e) 3,2 07. (UFRGS 2016) A figura abaixo representauma onda estacionária produzida em uma corda de comprimento L = 50cm. Sabendo que o módulo da velocidade de propagação de ondas nessa corda é 40 m/s, a frequência da onda é de: a) 40 Hz b) 60 Hz c) 80 Hz d) 100 Hz e) 120 Hz 195 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR 08. (ESPCEX (AMAN) 2015) Uma das atrações mais frequentadas de um parque aquático é a “piscina de ondas”. O desenho abaixo representa o perfil de uma onda que se propaga na superfície da água da piscina em um dado instante. Um rapaz observa, de fora da piscina, o movimento de seu amigo, que se encontra em uma boia sobre a água e nota que, durante a passagem da onda, a boia oscila para cima e para baixo e que, a cada 8 segundos, o amigo está sempre na posição mais elevada da onda. O motor que impulsiona as águas da piscina gera ondas periódicas. Com base nessas informações, e desconsiderando as forças dissipativas na piscina de ondas, é possível concluir que a onda se propaga com uma velocidade de: a) 0,15 m/s b) 0,30 m/s c) 0,40 m/s d) 0,50 m/s e) 0,60 m/s 09. (EN 2015) Analise a figura abaixo. A figura acima representa o perfil, num dado instante, de uma onda se propagando numa corda com velocidade de 15 m/s no sentido negativo do eixo y, sendo que os elementos infinitesimais da corda oscilam na direção de z. Com base nos dados da figura, a função, z(y,t), que pode descrever a propagação dessa onda é: y a) 10 cos 15 t 3 2 y b) 5,0 cos 5 t 3 3 y c) 10 sen 5 t 3 2 2 y d) 5,0 sen 5 t 9 3 2 y e) 5,0 sen 15 t 9 2 � �� �� � � � � �� � �� � � � � �� � �� � � � � �� �� � � � � �� �� � � � π ππ π ππ π ππ π ππ π ππ y a) 10 cos 15 t 3 2 y b) 5,0 cos 5 t 3 3 y c) 10 sen 5 t 3 2 2 y d) 5,0 sen 5 t 9 3 2 y e) 5,0 sen 15 t 9 2 � �� �� � � � � �� � �� � � � � �� � �� � � � � �� �� � � � � �� �� � � � π ππ π ππ π ππ π ππ π ππ 10. (PUC-RJ 2016) Uma onda eletromagnética com comprimento de onda de 500nm se propaga em um meio cujo índice de refração é 1,5. Qual é a frequência da onda, nesse meio, em Hz? Considere a velocidade da luz no vácuo c = 3,0 × 108 m/s. a) 4,0 × 1014 b) 6,0 × 1014 c) 9,0 × 1014 d) 1,5 × 1015 e) 2,3 × 1015 DESAFIO PRO 1 Uma onda harmônica propaga-se para a direita com velocidade constante em uma corda de densidade linear µ = 0,4 g cm. A figura mostra duas fotos da corda, uma num instante t = 0s e a outra no instante t =0,5s. Considere as seguintes afirmativas: I. A velocidade mínima do ponto P da corda é de 3m/s. II. O ponto P realiza um movimento oscilatório com período de 0,4s. III. A corda está submetida a uma tensão de 0,36N. Assinale a(s) afirmativa(s) possível(possíveis) para o movimento da onda na corda a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) II e III. 2 A figura acima mostra uma onda transversal na forma de um pulso ondulatório em uma corda esticada. A onda está se propagando no sentido positivo do eixo x com velocidade igual a 0,5 m/s. Se o deslocamento y, em metros, para uma coordenada x, em metros, no instante t = 0 é dado por = +2 1 y(x) x 4 O deslocamento y, em centímetros, para x = 3 metros e t = 2 segundos é: a) 5,50 b) 6,25 c) 8,50 d) 12,50 e) 15,25 3 Uma buzina B localizada na proa de um barco, 1 m acima da superfície da água, é ouvida simultaneamente por uma pessoa P na margem, a 20 m de distância, e por um mergulhador M, posicionado diretamente abaixo da buzina. A profundidade do mergulhador, em metros, é Dados: - Temperatura do ar e da água: 20oC; - Razão entre as massas molares da água e do ar: 0,04. a) 75 b) 80 c) 85 d) 90 e) 95 196 OSCILAÇÕES E ONDAS PROMILITARES.COM.BR 4 Em uma superfície líquida, na origem de um sistema de coordenadas encontra-se um emissor de ondas circulares transversais. Bem distante dessa origem, elas têm a forma aproximada dada por = π λ −1 0h (x,y,t) h sen (2 (r / ft)) , em que λ é o comprimento de onda, f é a frequência e r, a distância de um ponto da onda até a origem. Uma onda plana transversal com a forma = π λ −2 0h (x,y,t) h sen (2 (x / ft)) superpõe-se à primeira, conforme a figura. Na situação descrita, podemos afirmar, sendo Z o conjunto dos números inteiros, que a) nas posições λ − λ2P P(y / (2n ) n / 8,y ) as duas ondas estão em fase se ∈n . b) nas posições λ − λ2P P(y / (2n ) n / 2,y ) as duas ondas estão em oposição de fase se ∈n e ≠n 0 . c) nas posições λ − + λ2P P(y / (2n ) (n 1/ 2) / 2,y ) as duas ondas estão em oposição de fase se ∈n e ≠n 0 . d) nas posições + λ − + λ2P P(y / ((2n 1) ) (n 1/ 2) / 2,y ) as duas ondas estão em oposição de fase se ∈n . e) na posição λ − λ2P P(2y / / 8,y ) a diferença de fase entre as ondas é de 45°. 5 Uma onda bidimensional se propaga em uma corda longa segundo um plano vertical. Os deslocamentos verticais, em relação à posição horizontal de repouso da corda, são dados em função do tempo por π = .t y 2.sen 6 em que y está em decímetros, e t, em segundos. A figura abaixo representa um trecho dessa onda. A velocidade de propagação da onda, em dm/s, é a) 2 3 b) 3 2 c) 3 4 d) 4 3 e) 4 9 GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. C 02. SOMA:15 03. A 04. A 05. A 06. C 07. B 08. a) T = 0,1s b) ff = 2 Hz 09. D 10. A EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. C 02. B 03. D 04. C 05. C 06. A 07. A 08. D 09. D 10. B 11. C 12. B 13. D 14. a) f = 5 Hz b) E = 16 N 15. E 16. B 17. D 18. E 19. C 20. a) 2 2 T T 4T v v v d d 4 2 T v . d = ⇒ = ⇒ = ⇒ ρ πµ ρ π = π ρ b) 4v c) 1.640Hz 21. E 22. E 23. A 24. A 25. D EXERCÍCIOS DE COMBATE 01. A 02. D 03. DISCURSIVA 04. SOMA:29 05. B 06. D 07. E 08. D 09. B 10. B DESAFIO PRO 01. E 02. D 03. E 04. D 05. C ANOTAÇÕES
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