Física Aplicada: Ondas Sonoras, Temperatura e Radiações

Prévia do material em texto

FÍSICA APLICADA
Curso Técnico de Segurança de 
Trabalho
Prof. Alexandre D´Agostini Zottis, 
Fis. MSc.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1. Onda Sonora
2. Temperatura
3. Radiações Eletromagnéticas
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA : O que é 
importante aprender ?
1) Onda sonora: 
1.1 O que é som? 1.2 Propriedades físicas do som; 1.3 Tipos de 
frequências; 1.4 Como é medido o som?; 1.5 Relação entre a intensidade 
e pressão sonora; 1.6 Fenômenos físicos associados ao som; 1.7 meios 
de propagação do som; 1.8 capacidade de absorção em materiais 
diferentes; 1.9 Riscos físicos do som nos seres vivos;
2)Temperaturas extremas: 2.1 Diferenças entre calor e temperatura; 2.2 
Processos de transferência de calor; 2.3 Efeitos físicos: 2.4 Dilatação dos 
corpos;
3)Radiações Eletromagnéticas: 3.1 Espectro; 3.2 Radiação não 
ionizante: luz visível; ultravioleta; infravermelha; 3.3 Radiação Ionizante: 
descoberta dos raios X; 3.4 Uso e os perigos da radiação ionizante;
3.5 Formas de medir as radiações ionizantes.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas da onda sonora
1.2.3 Frequência de uma onda sonora
• É o número de vezes que a oscilação é repetida, na unidade de tempo.
• Normalmente é medida em ciclos por segundo ou Hertz (Hz).
• Para a fisiologia humana,
a frequência sonora é identificada
com a altura do som:
• Quanto menor a frequência,
menor a altura e mais grave o som,
Quanto maior a frequência, maior a
altura e mais agudo é o som.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
RISCOS FÍSICOS – NR15
• LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA 
RUÍDOS DE IMPACTO
• VIBRAÇÕES
• LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA 
EXPOSIÇÃO AO CALOR
• RADIAÇÕES IONIZANTES
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1.1 Onda Sonora (O que é ?)
Fenômeno físico originado de uma vibração que 
resulta de variações de pressão no ar.
A variação de pressão se dá em torno da pressão 
atmosférica.
Fonte sonora:
Qualquer fenômeno físico que causar ondas de 
pressão no ar.
Explosão; sirene; corpo sólido em vibração.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1. Representação esquemática do som no ar
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1.2 Propriedades físicas do som: 
• O som é um tipo de Onda Mecânica tipo Longitudinal;
• As ondas sonoras dependem de um meio;
• Sua direção de propagação é paralela à de vibração
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA
1.2.Movimento da onda sonora: alto falante e a 
mola slink
Fonte: terra.com.br
O movimento da onda sonora de um alto falante pode ser comparado com 
ondas longitudinais da mola slink, pois existem duas regiões:
• Região de compressão: o movimento oscilatório “empurra” o ar;
• Região de rarefação: o movimento oscilatório “puxa” o ar;
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1.2 Propriedades físicas do som: 
• Direção de vibração e de propagação;
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1.2 Propriedades físicas do som: 
• A onda sonora se propaga pelo espaço sem
necessariamente transportar a matéria;
• Ondas que dependem de um meio para se 
propagarem são Ondas Mecânicas.
• Ondas que não dependem de um meio para se 
propagar são: Ondas Eletromagnéticas.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1.2.1 Ondas mecânicas 
•
Fonte: www. terra.com.br
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA
1.2.2 Onda longitudinal : som da fala 
Fonte: terra.com.br
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA 
1.2.2 Ondas eletromagnéticas
•
Fonte: www. terra.com.br
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
1.2.2 Onda transversal
Fonte: terra.com.br
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA
1.2 Onda transversal : onda eletromagnética
Fonte: terra.com.br
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA APLICADA
DESAFIO:
As pessoas que moram em um prédio perto de um estádio 
de futebol ouvem o grito de gol do locutor de rádio antes
do grito de gol da torcida, que ouvem diretamente do 
estádio. O que você pode concluir dessa observação ?
a) impossível;
b) possível, pois a antena do rádio está próxima do prédio;
c) impossível, pois a velocidade do som no ar é maior que 
das ondas do rádio;
d) possível, pois a velocidade do som no ar é menor que 
das ondas do rádio; 
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA
COMENTÁRIO:
• As ondas originadas do barulho da torcida são do 
tipo Ondas Mecânicas e o som percorre em 1s cerca 
de 343 m;
• As ondas originadas pelas antenas de rádio da 
cabine do locutor são do tipo Ondas 
Eletromagnéticas e percorrem em 1s cerca de 
300.000.000 m. 
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas da onda sonora
1.2.3 Frequência 
• É o número de vezes que a oscilação é repetida, na unidade de tempo.
• Normalmente é medida em ciclos por segundo ou Hertz (Hz).
• Para a fisiologia humana,
a frequência sonora é identificada
com a altura do som:
• Quanto menor a frequência,
menor a altura e mais grave o som,
Quanto maior a frequência, maior a
altura e mais agudo é o som.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas da onda sonora
1.2.4 Comprimento de onda
Comprimento de onda: é a distância percorrida, para que a 
oscilação repita a situação imediatamente anterior, em 
amplitude e fase.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2.5 Velocidade de propagação de uma onda
sonora no ar:
V = λ x f
V= velocidade de propagação do som no ar (300 K ou
27ºC) (m/s)
f = freqüência da oscilação (Hz)
λ = comprimento de onda (m)
c) Som: Energia transmitida por vibrações no ar (ou outros 
materiais) e que causa a sensação de audição. Quando o som não é 
desejado, é molesto ou nocivo, deve ser chamado de barulho.
d) Ruído: é um fenômeno físico que, no caso da Acústica, indica uma 
mistura de sons cujas freqüências não seguem nenhuma lei precisa.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas do som:
1.2.5 Velocidade de propagação de uma onda
sonora no ar em função da temperatura:
Velocidade de propagação da onda sonora no ar:
V = 20,05 √T (m/s) ; T = temperatura absoluta (ºK);
T = 27ºC ; V~ 347 m/s
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas do som:
1.2.5 Velocidade de propagação de uma onda sonora no ar em
função da temperatura e do meio:
V = 20,05 √T (m/s) ; T = temperatura absoluta (ºK);
T = 27ºC ; V~ 347 m/s
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas do som:
1.2.5 Velocidade de propagação de uma onda sonora no
ar em função da temperatura e do meio:
•O módulo da velocidade de propagação de uma onda
mecânica depende das características do meio;
A) Meio gasoso: as perturbações que formam as ondas são
transmitidas de um ponto a outro através das colisões mútuas das
partículas que formam o gás.
- Desse modo, quanto maior a densidade (ρ) do gás e quanto maior a
sua temperatura, maior é o módulo da velocidade de propagação das
ondas sonoras;
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas do som:
1.2.5 Velocidade de propagação de uma onda sonora no ar em
função da temperatura e do meio:
B) Meio sólido: as partículas constituintes estão presas, a posições fixa,
pelas interações mútuas.
Essas interações propagam com grande rapidez as perturbações que
caracterizam as ondas mecânicas. Por isso, o módulo da velocidade de
propagação das ondas sonoras é maior nos sólidos do que nos gases.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2 Propriedades físicas do som:
1.2.5 Velocidade de propagação de uma onda sonora no ar em
função da temperatura e do meio:
C) Meio Líquido: As partículas que formam os líquidos estão menos
ligadas umas às outras, em comparação com as partículas que formam os
sólidos, mas estão mais ligadas se comparadas às partículas que formam
os gases. Por isso, o módulo da velocidade de propagação das ondas
sonoras nos líquidos é maior do que nos gases, mas menor do que nos
sólidos.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2.4 VIBRAÇÕES E RUÍDOS
O ramo da Física que estuda as vibrações
mecânicas é denominado de Acústica.
Do ponto de vista da Higiene do Trabalho
(Segurançado Trabalho):
• determinar as características das vibrações ou dos
sons que podem causar efeitos nocivos;
• especificar medidas de controle tais, que eliminem
ou reduzam os riscos a níveis suportáveis e
compatíveis com a preservação da saúde.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.3.4 Características básicas e definições das
vibrações :
O organismo humano está sujeito aos efeitos das 
vibrações, quando elas apresentam valores específicos 
de amplitude que depende da intensidade do fenômeno 
e de freqüência.
a) Amplitude: é o máximo valor, considerando a parte de um 
ponto de equilíbrio, atingido pela grandeza física que 
está sendo considerada.
• a velocidade, a aceleração ou a pressão.
• vibrações sonoras: a amplitude é dada pela pressão.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.3.3 VIBRAÇÕES E RUÍDOS
Vibração ao movimento, oscilação, balanço de objetos, de 
coisas. 
Contudo, nem sempre podemos perceber o movimento 
através do tato. Por exemplo o ar ao redor da corda também 
se movimenta, e o tato nada nos indica, apesar de as duas 
oscilações serem essencialmente semelhantes. 
Se a oscilação for detectável pelo sistema auditivo, é 
chamada de som, ou vibração sonora. É interessante 
destacar que há vibrações que não são detectáveis por 
órgãos sensoriais humanos. Na verdade, apenas uma 
pequena porção das vibrações o são.
Capacidade de detectar : audibilidade
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
1.2.4 Qual é frequência de audibilidade humana ?
• 20 e 20.000Hz (espectro sonoro), que naturalmente, 
são captadas e processadas por nosso sistema 
auditivo.
• Que se origina a partir de vibrações do ar que são 
captadas pelo tímpano com freqüência e amplitudes 
pré-definidas.
• infra-sons : abaixo de 20 Hz
Tremores de terra: 0,02 Hz
• ultra-sons: acima de 20 kHz
• Gases 10 GHz
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
FÍSICA
1.3 Como é medido o som ?
Fonte: terra.com.br
Decibelímetro:
Fabricado conf. norma IEC-651 - Tipo1
- Escala: 30 a 130 dB em 3 faixas
- Precisão: ± 1 dB
- Resolução: 0.1 dB
- Microfone de eletreto condensado destacável
- Freqüência: 31.5 Hz a 8 Khz
- Saída AC: 0.4 Vrms
- Temperatura de operação: 0 a 50ºC
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
Para resolver:
1) Uma pedra jogada em uma piscina gera uma
onda na superfície da água. Essa onda e a onda
sonora são classificadas, respectivamente,
como:
a) transversal-mecânica e longitudinal-
mecânica;
b) longitudinal-mecânica e transversal-
mecânica;
c)transversal-magnética e longitudinal-
magnética;
d) transversal-eletromagnética e longitudinal-
eletromagnética.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
Para resolver:
2) Na superfície de um lago o vento produz
ondas periódicas que se propagam com
velocidade de 2,0 m/s. O comprimento de onda é
de 8,0 m. Uma embarcação ancorada nesse lago
executa movimento oscilatório de período:
a) 0,1 s;
b) 0,4 s;
c) 0,8 s;
d) 4,0 s;
e) 16 s.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
Para resolver:
3) Os morcegos são “cegos” e se orientam
através das ondas de ultra-som emitidas por
eles. O menor comprimento de onda que eles
emitem no ar é de 3,3 x 10-3 m. A frequência mais
elevada que os morcegos podem emitir no ar, onde
a velocidade do som é de aproximadamente 340
m/s, é de:
a) 105 Hz;
b) 104 Hz;
c) 106 Hz;
d) 103 Hz;
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
Para resolver:
4) um radioreceptor opera em duas
modalidades: uma AM, que cobre a faixa de
freqüência de 600 kHz a 1500 kHz e outra, FM, de
90 Mhz a 120 Mhz. O menor e o maior
comprimento de onda que podem ser captados
por esse aparelho valem:
a) 2,5 m e 500 m;
b) 1,33 m e 600 m;
c) 3,33 m e 500 m;
d) 2,5 m e 200 m;
e) 6,0 m e 1500 m;
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
Para resolver:
5) uma onda sonora de 1000 Hz propaga-se no ar a
340 m/s quando atinge uma parede, onde passa a se
propagar com velocidade de 2000 m/s. É correto
afirmar que os valores do comprimento de onda e
da frequência da onda propagando-se na parede
são, respectivamente:
a) 0,340 m e 1000 Hz;
b) 0,680 m e 1000 Hz;
c) 0,850 m e 2000 Hz;
d) 2,0 m e 1000 Hz;
e) 2,50 m e 500 Hz;
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
Como o som é detectado em nossos ouvidos ?
• Experiências realizadas demonstram que as frequências sonoras 
são detectadas de maneira não linear;
• Lei de Weber : as sensações/estímulos variam com o logarítmo 
dos estímulos que a produzem;
• Sensação da audição das frequências do som:
-Os intervalos de 100 e 200 Hz, 200 e 400 Hz; 400 e 800 Hz parecerão 
iguais ao nosso ouvido;
- Lei de Weber mostra que o intervalo de frequências não se 
mede pela diferença de frequências, mas sim pela relação 
entre elas:
- 200 / 100 = 400 / 200 = 800 / 400 = 2 → 1oitava 
obs: Esta é a razão que intervalos entre as notas DÓ sucessivas de um 
teclado de piano parecem sempre iguais, constituindo o intervalo de uma 
oitava
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
Frequências audíveis em nossos ouvidos
• No S.I usa-se como referência padrão : 1000 Hz
a) Baixas freqüências ou sons graves as 4 oitavas de menor 
freqüência, ou seja, 31,25 ; 62,5 ; 125 e 250 Hz.
b) Médias freqüências ou sons médios as três oitavas centrais, ou 
seja, 500, 1000 e 2000 Hz.
c) Altas freqüências ou sons agudos as três oitavas de maior 
freqüência, ou seja, 4.000, 8.000 e 16.000 Hz.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
2.1 Intensidade sonora (I)
1º) quantidade de energia contida no movimento vibratório. Essa 
intensidade se traduz com uma maior ou menor amplitude na vibração 
ou na onda sonora;
• A intensidade I de uma onda, é a energia E que atravessa uma área S 
em um intervalo de tempo Δt :
I = E / S.Δt
Aplicação: Um microfone com uma área efetiva de 3 cm quadrados recebe 
durante 5 segundos uma energia sonora de 1,5 x 10-9 J. Qual é a intensidade 
do som ?
Solução: I = E / S.Δt
I = 1,5 x 10-9 J /(3 x 10-4 m2
e
)(5s) ?Solução: I = 10-6 W / m2 
Obs: esse valor de intensidade sonora é de uma conversação normal.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
2.1 Intensidade sonora (I)
Aplicação 2: Um microfone com uma área efetiva de 3 cm quadrados 
recebe durante 5 segundos uma energia sonora de 1,5 x 10-8 J. Qual é a 
intensidade do som ?
Aplicação 3: Um microfone com uma área efetiva de 15 cm quadrados 
recebe durante 5 segundos uma energia sonora de 1,5 x 10-9 J. Qual é a 
intensidade do som ?
Aplicação 4: Um microfone com uma área efetiva de 3 cm quadrados recebe 
durante 20 segundos uma energia sonora de 1,5 x 10-9 J. Qual é a intensidade 
do som ?
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
2.1 Intensidade sonora (I)
Caso específico: onda transversal ou longitudinal de frequência f e amplitude A , se 
propagando com velocidade v num meio de densidade ρ, de tal forma que 
teremos:
I = 2π2 ρvf2A2
Se a frequencia angular ω = 2πf é substituída na equação acima, temos:
I = ω2 ρvA2 / 2
A intensidade sonora é influenciada pelo tipo de meio, velocidade e sua 
amplitude de deslocamento horizontal dos elementos de volume do ar.
Qual é a relação entre a intensidade do som I da onda sonora e a amplitude 
de pressão ?
I = P02/2ρv onde P0 é a variação máxima de pressão com relação à 
pressão atmosférica normal.
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
2.1 Intensidade sonora (I)
Exemplo: a intensidade máxima do som com frequência de 1000 Hz que o ouvido humano 
pode tolerar é de aproximadamente 1 W / m2
2. 
Dados: v=344 m/s a 20ºC e a densidade do ar é 
1,2 kg/m3.
a) Qual é o deslocamento máximo horizontal dos elementos de volume do ar 
correspondente a essa intensidade ?
Solução:
I = 2π2ρvf2A2
Isolando a amplitude de deslocamento do volume de ar, temos:
A2 = I / 2π2ρvf2
A = 1 /2πf (2I/ρv)
Substituindo os dados: A = 1 /2π . 1000 ((2 x1 J/m2s)/1,2 kg/m3.344 m/s)
A = 1,1 x 10-5 m (diâmetro médio da hemácia)
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
2.1 Intensidade sonora (I)
Exemplo: a intensidade máxima do som com frequência de 1000 Hz que o ouvido 
humano pode tolerar é de aproximadamente 1 W / m2
2. 
Dados: v=344 m/s a 20ºC e a 
densidade do ar é 1,2 kg/m3.
b) Qual é a amplitude de pressão ?
Solução:
I= P02/2ρv 
Isolando a amplitude de pressão, temos:
P0 = (I.2ρv)1/2
Po = (1 W/m22(1,2 kg/m3.344 m/s)1/2
Po= 28,7 N/ m2
Pressão atmosférica 1,01 x 105 N /m2
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
2.2 Pressão sonora (P)
2º) pressão do ar causado pela onda sonora 
(BAR = 1 dina / cm2
2
Obs: Como valor de referência para as medições, fixou-
se a menor intensidade sonora audível.
Esse valor, obtido da média da população, foi de :
para energia = 10-12
-
W/cm2
2
para pressão = 2x10-5
5-
BAR
Prof. Alexandre (IFSC - CTST)
2. Pressão sonora
• o sistema auditivo consegue detectar variações da pressão do ar 10 
milhões de vezes superior ao limiar de audibilidade;
• audiofrequência (16 – 20.000 Hz);
0,00002 N / m2
2
– 200 N / m2
2
; Lei de Weber-Fechner : “para haver 
um aumento na sensação, é necessário que a intensidade do estímulo 
cresça”;
• “o aumento da sensação é proporcional ao logaritmo do estímulo”;
• o estímulo físico cresce em função dos números: 1-2-4-10-100-
1000-10.000-100.000-1.000.000
• a sensação humana cresce em função: 0-0,3-0,6-1-2-3-4-5-6;