Resumo de física - Ondulatória e Acústica

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Ondulatória
Período é todo movimento que se repete em
função do tempo. Por exemplo, o período de
rotação do planeta Terra é de 24 horas (h)
Frequência (hz) é o número de ciclos completos
efetuados pelo corpo em um determinado
intervalo de tempo, dado em segundos (s)
A frequência é inversamente proporcional ao
período, o que quer dizer que grandes períodos
correspondem a pequenas frequências, e
vice-versa.
T - Período
F - Frequência
O pulso é uma perturbação que se desloca ao
longo de um corpo (corda, água, ar, etc) e a
Onda é o movimento que esse pulso faz.
Características da onda
❏ É uma perturbação que se propaga no
meio
❏ Transfere energia de um ponto a outro
❏ Não transfere matéria, apenas a
movimenta
❏ É periódica (período) quando há
sequência de pulsos
A onda periódica cossenoidal é a que iremos
observar durante o estudo de ondulatória.
Uma onda cossenoidal é uma onda cuja fonte
realiza MHS (movimento harmônico simples)
Enquanto o pulso caminha, ele possui um ponto
mais alto e um mais baixo, chamado de cristas e
vales, respectivamente. O espaço que a onda
pode caminhar até chegar na crista ou no vale é
chamado de amplitude, e os espaços das
distâncias de uma crista a outra, ou de um vale
ao outro é chamada de comprimento de onda
O comprimento de onda é a distância em que
ela percorre durante um período (T)
Natureza das ondas
Mecânica
São originadas pela deformação de um meio
elástico (corda, água, som, etc), e necessitam de
um meio material para propagar, ou seja, não se
propagam no vácuo
Eletromagnéticas
São originadas pela oscilação de cargas elétricas
e não necessitam de meio material para se
propagar, ou seja, propagam no vácuo (ondas
de rádio, micro-ondas, etc)
Tipos de ondas
Transversais
São ondas em que a direção de propagação
(direita) e a direção de vibração (cima-baixo)
são perpendiculares (ondas eletromagnéticas)
Longitudinais
São ondas em que a direção de propagação e a
direção de vibração são iguais (som)
Mista
Vibração é transversal e longitudinal
simultaneamente (ondas na superfície da água)
Velocidade de propagação de uma onda
λ = 𝑣/𝑓
A velocidade da onda depende do meio em
que ela se propaga
❏ Uma corda grossa tem menor velocidade
que uma mais fina
❏ Se a corda estiver tensionada, a
velocidade de propagação vai ser maior
que em uma menos tensionada
Transição da onda de um meio para outro
❏ A frequência da onda não se altera
❏ A velocidade muda porque o meio é
diferente
❏ O comprimento de onda se altera, de
acordo com a equação λ = 𝑣/𝑓
Onda na superfície de um líquido
A direção de propagação da onda são os raios,
e as cristas são representadas pelas frentes de
onda
Reflexão e refração
❏ A reflexão ocorre quando a onda incide
em algo e volta pelo mesmo meio, já a
refração é quando a onda é transmitida de
um meio para outro
Na superfície da água, o raio incidente é igual ao
ângulo de reflexão
Na superfície da água, a refração é o fenômeno
da onda que passa de um meio para outro e é
modificada pelo meio. O ângulo de incidência é
diferente do ângulo de refração.
Oscilações - Movimento Harmônico Simples
Um movimento é oscilatório, quando o
movimento acontece em torno de um ponto de
equilíbrio, e nesse ponto, a força resultante sobre
o corpo é nula (estado dinâmico)
Força resultante é igual ao produto de sua massa
pela aceleração, de acordo com a Segunda lei
de Newton
(Força=massa x aceleração)
❏ Estado dinâmico ocorre quando a
velocidade do corpo é constante
❏ O pêndulo é exemplo de objeto de
movimento oscilatório
Sistema de Pêndulo Simples - Cinemática
A cinemática é o ramo da mecânica que
estuda o movimento dos corpos sem levar em
conta a origem do movimento, e estuda posição,
deslocamento, referencial, trajetória, etc
O objeto oscilante é submetido somente ao
campo gravitacional terrestre e a força peso é a
força de restituição
Galileu notou que o período do pêndulo
depende somente do seu comprimento (l) e da
aceleração da gravidade no local (g)
Ou seja, de acordo com a fórmula, o período
depende apenas do comprimento do pêndulo e
da força gravitacional
Sistema pêndulo simples - Dinâmica
A Dinâmica é um ramo da mecânica que estuda
o movimento de um corpo e as causas desse
movimento.
Quando o pêndulo é jogado, a aceleração
aumenta em direção ao equilíbrio pela energia
potencial gravitacional, e chega no meio do
pêndulo em direção ao outro extremo pela
energia cinética mantida pela inércia (energia
cinética foi a que usamos ao dar energia para
jogar o pêndulo no início)
Sistema Massa - mola - Cinemática
O objeto oscilante é submetido somente à ação
de uma mola, onde a força elástica é a força de
restituição, que é a que faz a moola voltar. Nesse
sistema, a gravidade não é considerada
O período desse corpo depende somente da sua
massa (k) e da constante elástica da mola (k)
Acústica
Ondas sonoras são longitudinais e mecânicas por
sequência de compressões e rarefações
Infrassom e ultrassom
As ondas mecânicas cujos intervalos inaudíveis
pelo ser humano estão abaixo do mínimo audível
são denominadas infrassons, e as com intervalos
inaudíveis acima do máximo audível é chamado
de ultrassom. O ser humano consegue ouvir de
20-20000 Hz.
Velocidade da onda sonora
A velocidade das ondas depende do meio e
temperatura em que elas se propagam. Isso é
explicado pela teoria cinético-molecular dos
gases, que define que quanto maior a
temperatura, maior também a velocidade média
das partículas.
O processo de captação e decodificação da
onda sonora é chamada de capacidade
auditiva através do sistema auditivo.
Qualidades fisiológicas do som
São características do som que permite o estudo
e compreensão mais abrangente dessas ondas,
são elas a altura do som, a intensidade e o
timbre.
Altura
A frequência do som está interligada com a
altura dele, sendo também responsável pelos
sons graves (baixa frequência) e agudos (alta
frequência)
Intensidade do som (volume)
A intensidade é atribuída a energia transportada
pela onda, que é transmitida a determinada
região do espaço-tempo (espaço em um
intervalo de tempo)
De acordo com essa classificação, podemos
agrupar os sons como intensos ou fortes, e fracos
No quadro acima podemos perceber a relação
entre amplitude e volume sonoro (intensidade)
Fórmula
Se a fonte sonora possuir potência constante,
então a frequência de onda transportará a
mesma quantidade de energia. Sendo assim, à
medida que as frentes de onda avançam, a
quantidade de energia é distribuída em mais
área da superfície que encosta.
Mas e se a potência não for constante?
Então calculamos a potência média.
Desse modo, tem-se a intensidade como a razão
entre a quantidade de energia recebida pela
fonte sonora por unidade de tempo (potência) e
área que abrange.
𝐼 = 𝐸/∆𝑇/𝐴
ou
Onde , que é a potência média𝑃 = 𝐸/∆𝐴
(constante) que será calculada
❏ Caso a potência não seja variável, é só
utilizar a fórmula no quadro acima
Nível de intensidade sonora
A percepção do som pelo ouvido não é a
mesma que o som real emitido. Isso porque o
ouvido externo (orelha) atenua a intensidade das
ondas originais, modificando sua amplitude. Ou
seja, se aumentarmos o volume de uma música
cem vezes, perceberemos apenas duas vezes
mais alto, o que significa que o nível de
intensidade sonora é dado em logaritmo.
Onde
- Nível de intensidade sonoraβ
Io- Intensidade sonora mínima percebida pelo ser
humano (constante)
I - Intensidade da onda sonora (decibel)
1db=0,1 Bel - para fator de conversão
Timbre
Timbre é a superposição de várias ondas sonoras
mais simples. É o motivo pelo qual cada ser
humano tem uma voz diferente.
O harmônico fundamental
❏ É o som principal emitido pela fonte e
define a nota musical
Superior
❏ Também chamados de primeiro
harmônico, segundo, etc .
A frequência da nota está relacionada com o
harmônico fundamental, e quando essa fonte
principal vibra, os superiores surgem. Eles são o
que caracteriza a identidade do som, ou seja, a
nota dó tocada por um piano pode ser
diferenciada por uma nota dó tocadano violino
Efeito Doppler
Ocorre alteração da frequência entre o som
percebido pelo observador, quando a fonte de
som se move, como por exemplo, podemos
detectar uma ambulância se movendo em nossa
direção e indo embora por causa desse efeito.
❏ Com o movimento de aproximação do
observador e a fonte, a frequência
percebida é maior (agudo)
❏ Com o movimento de afastamento, a
frequência percebida é menor (grave)
O cálculo para definir a frequência ouvida pelo
observador depende da velocidade do som no
meio em relação ao solo, velocidade da fonte
emissora de som em relação ao solo, velocidade
do observador em relação ao solo, e a
frequência original do som emitido pela fonte