Ondas Na Física — Tudo o Que Você Precisa Saber Para o Enem! | Descomplica
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
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.
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.
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:
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.
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.
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:
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
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
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:
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.
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.
Confira agora as respostas e veja se acertou as questões:
3. a) 4/3 m
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