Ondas, fenômenos ondulatórios e qualidades do som em Física

Fenômenos Ondulatórios

Reflexão

A reflexão ondulatória é a mesma da reflexão da óptica geométrica. Há apenas uma análise diferenciada para alguns casos.

Ângulo de incidência = ângulo de reflexão

Na reflexão pode ocorrer apenas mudança de direção. As outras grandezas se mantêm.

Refração

Refração é o fenômeno caracterizado pela mudança na velocidade da onda. Possui a mesma estrutura da refração da óptica geométrica, com mais alguns detalhes.

• Não há variação de frequência ou período para uma onda que sofre refração. O comprimento de onda é que varia de forma diretamente proporcional à velocidade.
• Não é preciso mudança de direção ou de meio para que ocorra refração. É preciso que ocorram mudanças nas características do meio para que a velocidade modifique. Por exemplo, para uma onda do mar, basta mudar a profundidade que teremos mudança de velocidade, para uma onda sonora a velocidade no ar quente é diferente do ar frio.

A Lei de Snell é válida, sendo seu uso através da relação de velocidade mais comum. Na óptica seu uso comum é com o índice de refração

Difração

Fenômeno que acontece quando uma onda encontra um obstáculo. Em Física Clássica, o fenômeno da difração é descrito como uma aparente flexão das ondas em volta de pequenos obstáculos e também como o espalhamento, ou alargamento, das ondas após atravessar orifícios ou fendas. Esse alargamento ocorre conforme o princípio de Huygens. O fenômeno da difração acontece com todos os tipos de ondas, incluindo ondas sonoras, ondas na água e ondas eletromagnéticas (como luz visível, raios-X e ondas de rádio). Assim, a comprovação da difração da luz foi de vital importância para constatar sua natureza ondulatória.

Assista à seguinte animação:

A difração do som possibilita que as ondas sonoras contornem obstáculos com dimensões de até 20m.

Ressonância

Nas figuras, A e B são diapasões idênticos. Batendo-se apenas no diapasão A, observamos que o diapasão B também vibra. Isso ocorre porque B é excitado pelas ondas sonoras provenientes de A, cuja frequência é igual à sua frequência de vibração natural. Esse fenômeno é a ressonância.

O copo foi excitado continuamente por um som bastante intenso e de frequência adequada. Desse modo, ele entrou em ressonância com o som, passando a vibrar cada vez mais intensamente até se estilhaçar.

Polarização

Como já vimos, a luz é uma onda eletromagnética transversal, isto é, associada à vibrações em um campo elétrico e outro magnético.

Nesse instante, o plano de vibração elétrico é o plano xy e o plano de vibração magnético é o yz. Eles são sempre perpendiculares entre si, mas o plano de vibração elétrico, por exemplo, pode estar na horizontal, na vertical ou em qualquer direção.

Se virmos de frente, veremos essas vibrações do campo elétrico como:

Se fizéssemos essa onda passar por algo, tipo uma fenda, só sairiam as vibrações na direção da fenda, veja:

Outro exemplo, um pulso gerado numa corda passando por um polarizador:

Polarizador: qualquer dispositivo ou elemento capaz de polarizar uma onda.

Analisador: qualquer dispositivo ou elemento capaz de verificar se uma onda está ou não polarizada.

Interferência

Imagina que você está viajando de carro para um outro estado, você passou no vestibular e decidiu se dar de presente uma viagem para conhecer um lugar novo. Durante a sua viagem você sintoniza uma rádio que você conhece para dar aquele ar de viagem em alto estrada e, durante a viagem, a estação de rádio que você tinha sintonizado começa a perder sinal. Você escuta um aquele barulho chato de “chuvisco” e, do nada, entra uma nova estação de rádio que você não conhece, na mesma frequência. O que você acabou de presenciar é um fenômeno ondulatório chamado de Interferência. A interferência é o resultado da superposição entre ondas. Essa superposição pode provocar um aumento na amplitude (interferência construtiva) ou diminuição na amplitude (interferência destrutiva). Vamos entender isso com calma em ondas unidimensionais.

Efeito Doppler

Quando estudamos os fenômenos ondulatórios, falamos do comportamento das ondas em determinadas situações propostas. Mas sabe o que todas elas têm em comum? Todas estão sendo analisadas por um referencial inercial, ou seja, todas partem do pressuposto de um observador parado!

O fenômeno ondulatório chamado de Efeito Doppler veio para ser o diferente! O Efeito Doppler é o fenômeno ondulatório que descreve como o comportamento de ondas emitidas ou refletidas por fontes em movimento relativo ao observador. Isso quer dizer que para ocorrer esse fenômeno, teremos ou um observador em movimento ou uma fonte em movimento.

O efeito foi descrito teoricamente pela primeira vez em 1842 por Johann Christian Andreas Doppler, recebendo o nome Efeito Doppler em sua homenagem.

Efeito Doppler em ondas sonoras

Falando de ondas sonoras, o efeito Doppler constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe frequências diferentes das emitidas por uma fonte. Isso ocorre devido à velocidade relativa entre a onda sonora e o movimento relativo entre o observador e/ou a fonte.

Caso a fonte esteja se afastando de ponto de referencial (observador), notaremos valores de frequência baixos. Já se a fonte se aproxima do ponto de referencial (observador), notaremos valores de frequência alto.

Consequentemente, já que a velocidade da onda não é alterada durante esse fenômeno (a velocidade do som é definida no meio que ele pertence e a onda sonora não muda de meio durante o Efeito Doppler), temos que o aumento da frequência observada provoca uma diminuição no comprimento de onda. Da mesma forma, a diminuição da frequência observada provoca um aumento no comprimento de onda.

Isso explica por que quando você está na rua e vê um carro de polícia, bombeiro, ou qualquer veículo com que emita som apresentar um “som diferente” quando ele passa por você. O que você nota é uma mudança nos valores de frequência do som que chega aos seus ouvidos. Mas cuidado! Lembre que a frequência não é alterada, o que muda é a percepção que temos dessa frequência.

Qualidades do Som

Reflexão

Quando falamos de reflexão, estamos falando de um fenômeno ondulatório que vamos explicar com mais calma na aula de Fenômenos Ondulatórios, mas podemos comentar sobre algumas coisas aqui. A nível de qualidade do som, podemos observar que o som refletido consegue proporcionar dois fenômenos comuns no estudo sonoro: a Reverberação e o Eco.

O Eco acontece quando você emite um som, esse som reflete e você escuta o som refletido. No caso do Eco, você consegue notar a diferença entre o som emitido e o som refletido. A Reverberação tem o mesmo funcionamento do Eco, mas na reverberação você não consegue diferenciar o som emitido do refletido.

Timbre

O Timbre é a qualidade do som que te permite diferenciar sons de frequências iguais. É como se o Timbre fosse o "desenho" da onda. Se você pedir para alguém lança um “dó” em um violão e em uma flauta, apesar de ser a mesma nota, a capacidade que você tem de diferenciar o violão da flauto é através do Timbre.

Altura

Altura é a qualidade do som que se relaciona com a frequência. Apesar de ligarmos altura com intensidade (ex: Esse som tá muito alto!), para a Física, intensidade NÃO É a mesma coisa que altura. A altura de um som define se aquele som é um som Grave ou Agudo. Essa relação é feita da seguinte forma:

• Som Alto = Som Agudo
• Som Baixo = Som Grave

Intensidade

A intensidade é a qualidade do som que se relaciona com a amplitude da onda. Ou seja, quando falamos que uma onda é muito intensa, significa que ela tem uma amplitude muito grande. Lembre-se que Amplitude é a medida entre o meio de uma onda até a sua Crista ou Vale. Ondas muito intensas levam consigo muita energia.