As ondas na física tem como explicação serem perturbações nas condições físicas de um ponto, que são propagadas ao longo do meio. Vamos entender melhor sobre este assunto? Confira tudo aqui!
Ondas na física: aprenda!
Quando ocorre uma modificação das condições físicas de um ponto de um meio, dizemos que houve uma perturbação. Quando essa perturbação é propagada ao longo do meio, constitui uma onda. Se essa perturbação for periódica, ou seja, repetir igualmente em tempos iguais, chamamos de onda periódica.
Para melhorar ainda mais o seu entendimento sobre as ondas na física e te prepara totalmente para o Enem, separamos alguns pontos importantes.
Classificação das ondas na física
Quanto à natureza
mecânicas: a onda necessita de um meio material para se propagar. Ex: som, ondas em molas e cordas, etc;
eletromagnéticas: a onda não necessita de um meio material para se propagar, ou seja, pode ser propagada no vácuo e em determinados meios materiais. Ex: luz, ondas de rádio, radar, micro-ondas, etc;
Quanto à direção de propagação
- unidimensional: uma direção de propagação. Ex: ondas em cordas;
- bidimensional: duas direções de propagação. Ex: ondas em superfície de líquidos;
- tridimensional: três direções de propagação. Ex: som e luz.
Quanto à direção de vibração das moléculas
- transversal: a direção da oscilação é perpendicular à direção de propagação da onda. Ex: ondas em uma corda;
- longitudinal: a direção da oscilação coincide com a direção da propagação da onda. Ex: ondas sonoras.
OBS: A onda NÃO transporta matéria, apenas energia.
Componentes das ondas na física
- vale: ponto mais baixo da onda;
- crista: ponto mais alto da onda;
- comprimento de onda (λ): distância entre dois pontos consecutivos onde a perturbação se repete. Unidade no SI: metro (m);
- frequência (f): número de perturbações (ou oscilações) por unidade de tempo. Unidade no SI: Hertz (Hz = 1/s);
- período (T): intervalo de tempo entre um comprimento de perturbações iguais. Note que: f = 1/T e T = 1/f;
- velocidade (v): relação do comprimento de onda com o período (ou com a frequência). V = λf ou v = λ/T.
Componentes da onda
Superposição ou interferência
Quando duas ondas se superpõe num meio, ocorre o fenômeno da superposição ou interferência de ondas. Existem dois princípios básicos na interferência de ondas na física:
- no ponto onde ocorre a interferência, o efeito resultante será a soma dos efeitos que seriam produzidos pelas ondas separadas, caso atingissem isoladamente aquele ponto;
- após a interferência, as ondas seguem seu caminho com as mesmas características que tinham antes da interferência.
Existem dois tipos de interferência de ondas:
- construtiva: a amplitude da onda resultante é maior do que a amplitude de cada uma das ondas separadamente;
Interferência construtiva de ondas em uma corda.
- destrutiva: a amplitude da onda resultante é menor do que a amplitude de cada uma das ondas separadamente.
Interferência destrutiva de ondas em uma corda.
Ondas estacionárias
As ondas estacionárias acontecem quando duas ondas periódicas de frequência, com comprimento de onda e amplitude iguais e de sentidos contrários, se superpõe num meio.
O caso mais simples é quando se tem uma corda esticada, onde as ondas produzidas numa extremidade se superpõem às ondas refletidas na extremidade oposta.
Os pontos onde a interferência é sempre destrutiva chamam-se nós (ou nodos), enquanto os pontos de amplitude máxima são chamados de ventres. Já a distância entre dois nós consecutivos (ou entre dois ventres consecutivos) é correspondente à metade do comprimento de onda (λ/2).
Exemplo de onda estacionária
Note que a amplitude da onda resultante (A) é igual ao dobro da amplitude (a) das ondas que estão se superpondo:
A = 2a
Ondas sonoras
As ondas sonoras são ondas mecânicas, longitudinais e tridimensionais. O ouvido humano é capaz de captar sons de frequência desde 20Hz até 20.000Hz. Esse intervalo é chamado de intervalo audível. Sons de frequência abaixo de 20Hz são chamados de infrassons e de frequência superior a 20.000Hz são chamados de ultrassons.
Como são ondas mecânicas, a velocidade das ondas sonoras depende do meio em que estão se propagando. Quanto mais rígido for o meio, maior a velocidade de propagação.
Uma onda sonora pode sofrer:
- reflexão: onda incide em um obstáculo e volta para o mesmo meio, mantendo as características;
- refração: onda muda de meio e a velocidade de propagação muda de direção;
- difração: onda desvia de alguns obstáculos (depende diretamente do comprimento de onda).
Para exemplificar: se um piano e um violão tocam uma mesma nota musical, o som nunca sai o mesmo. Isso se dá pelo fato do timbre das ondas geradas pelos instrumentos ser diferente. Ou seja, o formato da onda é diferente.
Onda s com o mesmo comprimento de onda, porém com diferentes timbres
A frequência da onda sonora irá influenciar na nota: quanto maior a frequência, mais agudo será o som; quanto menor a frequência, mais grave será o som.
Já a amplitude da onda sonora irá influenciar no volume: quanto maior a amplitude, maior o volume do som; quanto menor a amplitude, menor o volume do som.
Por fim, o comprimento de onda influencia na difração: quanto maior o comprimento de onda, maior a difração.
Cordas vibrantes
A corda de um instrumento musical vibra ao ser tocada e forma uma onda estacionária por causa das extremidades fixas da corda.
Na verdade, a onda resultante será o resultado de várias ondas estacionárias se superpondo, pois a corda tem vários modos de vibração.
A maneira mais simples da corda vibrar se chama primeiro harmônico ou frequência fundamental.
Primeiro harmônico de uma corda vibrante
Essa onda terá comprimento de onda λ = 2L e frequência f = v/2L, sendo L o comprimento da corda.
O segundo harmônico é caracterizado por ter dois ventres na corda e a presença de mais um nó na corda (além dos que estavam na extremidade).
Segundo harmônico de uma corda vibrante
Essa onda terá comprimento de onda λ=L e frequência f=v/L.
Para calcular o comprimento de onda e a frequência de um harmônico N numa corda vibrante, utiliza-se a equação:
λ = 2L/N e f = Nv/2L, em que N é o número do harmônico desejado.
Tubos sonoros
O tubo sonoro é basicamente uma coluna de ar onde é formada uma onda estacionária.
Existem dois tipos de extremidades (ou embocaduras): aberta ou fechada. No tubo sonoro aberto, sempre existe formação de ventre nas extremidades. No tubo sonoro mais simples, existe apenas um nó no centro do tubo.
Esta configuração é conhecida como o primeiro harmônico ou frequência fundamental (dos tubos sonoros abertos).
Primeiro harmônico no tubo aberto
Sendo L o comprimento do tubo, o comprimento de onda e a frequência dessa onda estacionária serão:
λ = 2L e f = v/2L
O segundo harmônico será caracterizado por ter três ventres (dois laterais e um no meio) e dois nós.
Segundo harmônico no tubo aberto
O comprimento de onda e a frequência do segundo harmônico serão:
λ = L e f = v/L
Para calcular o comprimento de onda e a frequência de um harmônico N num tubo aberto, utiliza-se as equações:
λ = 2L/N e f = Nv/2L, em que N é o número do harmônico desejado.
No tubo sonoro fechado, sempre existe formação de ventre em uma extremidade e nó em outra. No tubo sonoro mais simples, existe apenas um nó na extremidade do tubo (a fechada).
Esta configuração é conhecida como o primeiro harmônico ou frequência fundamental (dos tubos sonoros fechados).
Primeiro harmônico no tubo fechado
Sendo L o comprimento do tubo, o comprimento de onda e a frequência dessa onda estacionária serão:
λ = 4L e f = v/4L
O segundo modo de vibração será caracterizado por ter mais um ventre e mais um nó.
Segundo modo de vibração no tubo fechado
O comprimento de onda e a frequência do segundo harmônico serão:
λ = 4L/3 e f = 3v/4L
Note que a frequência do segundo modo de vibração no tubo fechado é igual ao triplo da frequência fundamental; por isso, chamamos o segundo modo de vibração no tubo fechado de terceiro harmônico.
A cada novo modo de vibração, podemos notar que mais um nó e mais um ventre são adicionados e a frequência sempre será sucessivamente multiplicada por 5, 7, 9, etc. Portanto, no tubo fechado, só existirão harmônicos de ordem ímpar.
Para calcular o comprimento de onda e a frequência de um harmônico i num tubo fechado, utiliza-se as equações:
λ = 4L/i e f = i.v/4L, em que i é o número do harmônico desejado.
Exercícios sobre ondas na física
Agora que você entendeu mais sobre as ondas na física, chegou o momento de colocar em prática seu aprendizado!
Separamos alguns exercícios para você praticar e treinar para o Enem. Confira quais são eles e realize as questões:
1. (UFF-RJ) Numa corda homogênea, com suas extremidades fixas no laboratório, se estabelece uma onda estacionária. Nesta situação, a corda vibra entre as duas posições extremas, indicadas pelas linhas contínua e tracejadas na figura a seguir.
Sabendo que a corda se alterna entre essas duas posições a cada 0,50s, é correto afirmar que a velocidade de propagação das ondas ao longo da corda vale:
a) 0m/s
b) 10m/s
c) 15m/s
d) 20m/s
e) 30m/s
2. (UNISA) Um tubo sonoro aberto de 50cm de comprimento emite um som cuja frequência é de 1360Hz. Sendo o módulo da velocidade de propagação do som no ar igual a 340m/s, o som emitido é o ________ harmônico.
a) segundo
b) terceiro
c) quarto
d) quinto
e) sexto
3. (UFU-MG) Uma corda sonora de comprimento L = 2,0m tem as duas extremidades fixas. Estabelece-se na corda um sistema de ondas estacionárias com a formação de três ventres e com frequência igual a 120Hz. Determine:
a) o comprimento de onda das ondas que deram origem às ondas estacionárias.
b) o módulo da velocidade de propagação na corda das ondas que deram origem às ondas estacionárias.
c) a distância entre dois nós consecutivos.
Gabarito
Confira agora as respostas e veja se acertou as questões:
1. B
2. C
3. a) 4/3 m
b) 160 m/s
c) 2/3 m
Gostou de aprender sobre ondas na física? Fique ligado no Descomplica para mais posts como este e melhore os seus estudos para o Enem!
Leia também sobre Campo e Potencial Elétrico.
