Estudo das ondas - Apostila

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Apostila de Apoio para o Estudo das Ondas

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  • 1. CIEP 386 GUILHERME DA SILVEIRA FILHO Mdulo de Fsica - 3 Srie do E.M 2014 - Prof.: Rangel ESTUDO DAS ONDAS 1. Introduo: O homem sempre sentiu fascnio e curiosidade pelas ondas do mar. Em nosso mundo estamos rodeados por ondas. Ondas mecnicas, sonoras, luminosas, ondas de rdio e TV, ondas eletromagnticas, etc. Graas s ondas que existem muitas das maravilhas do mundo moderno em que vivemos atualmente, como a televiso, o rdio, as telecomunicaes via satlite e a cabo de fibra tica, o radar, o forno de microondas e os celulares entre outras. Engenheiros especializados criam maneiras de reduzir rudos de fontes como geladeiras, mquinas de lavar roupas, automveis, motores de embarcaes etc. Para bloquear o rudo, utilizam-se paredes espessas, sem aberturas. Materiais porosos como, por exemplo, tapetes, cortinas, cermica acstica absorvem parte do som. Na medicina, a Acstica utilizada para medir o grau de audio e construir materiais de proteo para o ouvido. Em arquitetura, na construo de salas, teatros, igrejas e auditrios, a Acstica serve para eliminar rudos excessivos e proporcionar a esses locais condies timas de acstica. Tambm os mveis e materiais de construo e decorao devem ser escolhidos convenientemente para evitar a reflexo de muitos sons que se combinam e desaparecem lentamente (reverberao). 2. Conceito de Onda: Considere duas pessoas segurando as extremidades de uma corda. Se uma delas fizer um movimento vertical brusco, para cima e depois para baixo, causar uma perturbao na corda, originando uma sinuosidade, que se deslocar ao longo da corda aproximando-se da outra pessoa, enquanto a extremidade que recebeu o impulso retorna posio inicial, por ser a corda um meio elstico. Nesse exemplo, a perturbao denomina-se pulso, o movimento do pulso chamado de onda, a mo da pessoa que faz o movimento vertical a fonte e a corda, na qual se propaga a onda, denominada meio. Se provocarmos vrios pulsos sucessivos com um movimento sobe-e- desce, teremos vrias ondas propagando-se na corda, uma atrs da outra, constituindo um trem de ondas. Outro exemplo pode ser visto quando se atira uma pedra num lago de guas paradas. A perturbao causada pelo impacto da pedra na gua originar uma perturbao que se propagar pela superfcie do lago como circunferncias de mesmo centro, afastando-se do ponto de impacto. Colocando-se um pedao de cortia na gua, prximo ao local do lanamento da pedra, verifica-se que a onda, ao atingir a cortia que fica flutuando na superfcie da gua, faz com que ela apenas oscile, subindo e descendo, sem variar a direo. Como a rolha no arrastada, conclumos que a onda no transporta matria. Porm, como ela se movimenta, implica que recebeu energia da onda. 3. Classificao das Ondas: As ondas podem ser classificadas de trs modos. 3.1 - Quanto natureza Ondas mecnicas: so aquelas que precisam de um meio material para se propagarem (isto , no se propagam no vcuo). Ex.: Ondas em cordas e ondas sonoras (som). Ondas eletromagnticas: so geradas por cargas eltricas oscilantes e no necessariamente dependem de uma meio material para se propagarem (isto , se propagam no vcuo ou fora dele), Ex.: Ondas de rdio, de televiso, de luz, raios X, raios laser, ondas de radar etc. 3.2 - Quanto direo de propagao Unidimensionais: so aquelas que se propagam numa s direo. Ex.: Ondas em cordas e molas. Bidimensionais: so aquelas que se propagam num plano. Ex.: Ondas na superfcie de um lago. Tridimensionais: so aquelas que se propagam em todas as direes. Ex.: Ondas sonoras no ar atmosfrico ou em metais. 3.3 - Quanto direo de vibrao e propagao Transversais: so aquelas cujas vibraes so perpendiculares direo de propagao. Ex.: Ondas em corda e todas as ondas eletromagnticas. Longitudinais: so aquelas cujas vibraes coincidem com a direo de propagao. Ex.: Ondas sonoras, ondas em molas. 1 Denomina-se onda o movimento causado por uma perturbao que se propaga . Uma onda transmite energia sem o transporte de

2. 4. Ondas Peridicas - Elementos Considere uma pessoa executando um movimento vertical de sobe-e- desce na extremidade livre da corda indicada na figura, em intervalos de tempo iguais. Esses impulsos causaro pulsos que se propagaro ao longo da corda em espaos iguais, pois os impulsos so peridicos. A parte elevada denomina-se crista da onda e a cavidade entre duas cristas chama-se vale. Denomina-se perodo T o tempo necessrio para que duas cristas consecutivas passem pelo mesmo ponto. Chama-se freqncia f o nmero de cristas consecutivas que passam por um mesmo ponto, em cada unidade de tempo. Entre T e f vale a relao: Ou : f . T = 1 A distncia entre duas cristas ou dois vales consecutivos denominada comprimento de onda, representado por , e a a amplitude da onda. Como um pulso se propaga com velocidade constante, vale a expresso s = v t. Fazendo s = , temos t = T. Logo: 5. Fenmenos Ondulatrios I : 5.1 - Reflexo de um pulso numa corda Quando um pulso, propagando-se numa corda, atinge sua extremidade, pode retornar para o meio em que estava se propagando. Esse fenmeno denominado reflexo. Essa reflexo pode ocorrer de duas formas: Extremidade fixa Se a extremidade for fixa, o pulso sofrer reflexo com inverso de fase, Mantendo todas as outras caractersticas. Extremidade livre Se a extremidade for livre, o pulso sofrer reflexo e retornar no mesmo semiplano sem inverso de fase. 5.2 - Refrao de um pulso numa corda Se, propagando-se numa corda de menor densidade, um pulso passa para outra de maior densidade, dizemos que ela sofreu uma refrao. A experincia mostra que a freqncia no se modifica quando um pulso passa de um meio para outro. Essa frmula vlida tambm para a refrao de ondas bidimensionais e tridimensionais. Observe que o comprimento de onda e a velocidade de propagao variam com a mudana do meio de propagao. 5.3 Ressonncia Ondulatria : Uma criana em um balano nunca ouviu falar em ressonncia mas sabe como us-la. Num instante ela descobre qual o momento certo de dobrar o corpo para aumentar a amplitude do movimento. O corpo de um instrumento musical, um violo, por exemplo, uma caixa de ressonncia. As vibraes da corda entram em ressonncia com a estrutura da caixa de madeira que "amplifica" o som e acrescenta vrios harmnicos, dando o timbre caracterstico do instrumento. Sem o corpo, o som da corda seria fraco e insosso. Em uma guitarra a ressonncia substituda, parcialmente, por efeitos eletrnicos. Cada onda de rdio e TV que viaja pelo espao tem uma frequncia caracterstica de vibrao. E a onda de cada emissora tem uma frequncia prpria, diferente da frequncia das demais emissoras. Os rdios antigos tinham um boto - o dial - para "sintonizar" as emissoras. Hoje, com tudo virando digital, os botes no so de girar - so de apertar. Sintonizar uma emissora significa fazer seu receptor de rdio ou TV entrar em ressonncia com a onda da emissora. Girando, ou apertando, o boto voc modifica, de algum modo, a frequncia natural de vibrao do circuito eletrnico de seu receptor. Essa vibrao no mecnica, como nas molas, mas uma rpida variao nas correntes eltricas que percorrem o circuito. Na ressonncia, o receptor "capta" energia da onda de rdio ou TV com eficincia mxima e o sinal da emissora reproduzido pelo receptor. As ondas das outras emissoras, com frequncias diferentes, no esto em ressonncia com o receptor e passam batidas, sem interagir com ele. s vezes, a ressonncia pode ter consequncias desagradveis. Dizem que algumas pessoas sentem enjo ao viajar de carro por causa da ressonncia entre as vibraes de baixa frequncia do carro e seus rgos digestivos, estmago e intestinos. Se isso for verdade, o remdio para essas pessoas encher a barriga de gua ou comida. Isso far mudar a frequncia natural desses rgos internos e quebrar a ressonncia. Conta a lenda que um regimento de Napoleo entrou marchando em uma ponte e a frequncia do compasso da marcha, por azar, coincidiu com a frequncia natural de vibrao da ponte. Deu-se a ressonncia, a ponte passou a oscilar com grande amplitude e desabou. A partir desse desastre os soldados passaram a descompassar a marcha sempre que atravessam alguma ponte. 2 3. Esse caso pode ser s lenda, mas, uma ponte nos Estados Unidos desabou quando entrou em ressonncia com o vento. A ponte sobre o Estreito de Tacoma, logo aps ser liberada ao trfego, comeou a balanar sempre que o vento soprava um pouco mais forte. No dia 7 de Novembro de 1940 aconteceu a ressonncia. Inicialmente, a ponte comeou a vibrar em modos longitudinais, isto , ao longo de seu comprimento. At a, tudo bem. Mas, logo apareceram os chamados "modos torsionais", nos quais a ponte balanava para os lados, se torcendo toda. Na ressonncia, a amplitude desses modos torsionais aumentou de tal forma que a ponte desabou. Um estdio de futebol deve ser construdo levando em conta a "vibrao" das torcidas. Se todo mundo comear a pular e bater os ps pode surgir uma ressonncia com as estruturas das arquibancadas e acontecer uma tragdia. Quando voc for ao estdio lembre disso. Se notar que a estrutura est balanando anormalmente mande a turma toda parar de vibrar imediatamente. A galera, sabendo que voc um entendido em matria de ressonncia, logo atender seu aviso. Se no, d o fora de mansinho. 6 . Onda Sonora SOM : 6.1- Sons e rudos Sons so constitudos por vibraes peridicas e rudos, por vibraes no peridicas. No ouvido, as ondas atingem uma membrana chamada tmpano. O tmpano passa a vibrar com a mesma freqncia das ondas, transmitindo ao crebro, por impulsos eltricos, a sensao denominada som. As ondas sonoras so ondas longitudinais, isto , so produzidas por uma seqncia de pulsos longitudinais. Elas podem se propagar com diversas freqncias, porm o ouvido humano sensibilizado somente quando elas chegam a ele com freqncia entre 20 Hz e 20 000 Hz, aproximadamente. Quando a freqncia maior que 20 000 Hz, as ondas so ditas ultra- snicas, e menor que 20 Hz, infra-snicas. As ondas infra-snicas e ultra-snicas no so audveis pelo ouvido humano. As ondas infra-snicas so produzidas, por exemplo, por um abalo ssmico. Os ultra-sons podem ser ouvidos por certos animais como morcego , o elefante , o co e outros animais . O som musical, que provoca sensaes agradveis, produzido por vibraes peridicas. O rudo, que provoca sensaes desagradveis, produzido por vibraes aperidicas. A maioria dos sons chega ao ouvido transmitida pelo ar, que age como meio de transmisso. Nas pequenas altitudes, os sons so bem audveis, o que no ocorre em altitudes maiores, onde o ar menos denso. O ar denso melhor transmissor do som que o ar rarefeito, pois as molculas gasosas esto mais prximas e transmitem a energia cintica da onda de umas para outras com maior facilidade. Os sons no se propagam no vcuo, porque exigem um meio material para sua transmisso. De uma maneira geral, os slidos transmitem o som melhor que os lquidos, e estes, melhor do que os gases. Observe a tabela que apresenta a velocidade aproximada de propagao do som a uma temperatura 25C. Meio Velocidade (m/s) Ar 340 gua 1500 Ferro 5200 Vidro 4540 6.2 - Caractersticas do som As fontes sonoras (cordas, membranas vibrantes, etc.) provocam em suas proximidades uma perturbao caracterizada por um aumento de presso no meio que as envolve. Essa perturbao viaja constituindo uma onda sonora. O som uma onda mecnica, tridimensional, cujas frentes de onda so superfcies esfricas. 6.3 - As qualidades fisiolgicas do som O ouvido humano consegue distinguir no som trs qualidades, que so chamadas, por isso, de qualidades fisiolgicas. So elas: a) altura b) timbre c) sonoridade ou intensidade A altura ou tom a qualidade do som que permite ao ouvido distinguir um som agudo (alta freqncia) de um som grave (baixa freqncia). Portanto: Sons graves ou baixos tm freqncia menor. Sons agudos ou altos tm freqncia maior. O som mais grave audvel por um ouvido humano de aprox. 20 Hz e o mais agudo de aproximadamente 20 000 Hz. A voz do homem tem freqncia que varia entre 100 Hz e 200 Hz e a da mulher, entre 200 Hz e 400 Hz. Portanto, a voz do homem costuma ser grave, ou grossa, enquanto a da mulher ser aguda, ou fina. O timbre a qualidade do som que permite ao ouvido distinguir sons de mesma freqncia, provenientes de diferentes instrumentos musicais. Consideremos um violino e um piano, emitindo a mesma nota musical, por exemplo a nota L. A onda sonora emitida pelo violino constituda pelo som fundamental e por todos os harmnicos que a corda do violino capaz de produzir. Analogamente, a onda sonora emitida pelo piano composta pela onda fundamental acompanhada de todos os harmnicos que a corda do piano pode vibrar. Entretanto, o nmero de harmnicos emitido pelo violino diferente do nmero de harmnicos emitido pelo piano. Essa diferena provoca no ouvido sensaes distintas, possibilitando-lhe distingui-las. interessante ressaltar o fato de que, quando uma pessoa imita a voz de outra, a imitao parecida com a original porque o imitador consegue emitir a mesma onda fundamental. Entretanto, seu aparelho fonador no consegue reproduzir todos os harmnicos do som fundamental, o que acarreta a diferena. esta qualidade apresentada pelo som que nos permite, quando falamos ao telefone, reconhecer, pela voz, a pessoa com quem falamos. A sonoridade ou intensidade auditiva a qualidade do som que permite ao ouvinte distinguir um som fraco (pequena intensidade) de um som forte (grande intensidade). Ao adiantarmos o boto de volume de um sistema de som, estamos aumentando a potncia do aparelho, consequentemente aumentando a intensidade da onda sonora emitida pelos alto-falantes. Quanto maior a intensidade da onda, mais forte o som se apresenta para nossos ouvidos. Sons de pequena intensidade produzem pequenos aumentos de presso, e sons de grande intensidade produzem grandes aumentos de presso sobre o tmpano do ouvinte. As diferentes presses sobre o tmpano que permitem ao ouvinte comparar sons fortes e sons fracos. Se a energia emitida pela fonte grande, isto , se o som muito forte, temos uma sensao desagradvel no ouvido, pois a quantidade de energia transmitida exerce sobre o tmpano uma presso muito forte ; portanto, quanto maior a vibrao da fonte, maior a energia sonora, logo: Quanto maior a amplitude da onda, maior a intensidade do som. 3 4. Em homenagem ao cientista norte-americano Graham Bell (1847-1922), que estudou o som e inventou o telefone, a intensidade sonora medida em bel (B) ou decibis (dB). Um decibel definido como o som mais suave que o mais sensvel ouvido pode detectar em condies de silncio controlado. 7. A Poluio Sonora O Departamento de Habitao e Desenvolvimento Urbano dos Estados Unidos recomenda para as reas residenciais as seguintes medidas At 49 dB Claramente aceitvel O rudo de uma sala de estar chega a 40 dB de 50dB a 62dB Normalmente aceitvel Um grupo de amigos conversando em tom normal chega a 55dB de 63dB a 76dB Normalmente inaceitvel O rudo de um escritrio chega a quase 64dB acima de 76dB Claramente inaceitvel Um caminho pesado trafegando chega a 74dB, o trfego de uma avenida de grande movimento pode chegar aos 85dB . Sons com intensidades acima de 130 dB provocam uma sensao dolorosa e sons acima de 160 dB podem romper o tmpano e causar surdez. 7.1 - Qual exatamente o nvel sonoro prejudicial sade? A noo do que barulho pode variar de pessoa para pessoa, mas o organismo tem limites fsicos para suport-lo. Barulho em excesso pode provocar surdez e desencadear outras doenas, como presso alta, disfunes do aparelho digestivo e insnia. Distrbios psicolgicos tambm podem ter origem no excesso de rudo. Sempre que possvel, a fim de nos protegermos, devemos evitar a exposio num nvel de presso sonora acima de 100dB(A). Deve-se usar protetor auditivo quando expostos a nveis acima de 85dB(A), especialmente se a exposio for prolongada. Os danos na audio devido a exposio permanente em ambientes ruidosos cumulativo e irreversvel. Exposio a altos nveis de rudo uma das maiores causas da surdez permanente. Alguns aspectos de segurana quando da varredura por ultra-som esto sendo objeto de investigao. A poluio sonora hoje tratada como uma contaminao atmosfrica atravs da energia (energia mecnica ou acstica). Tem reflexos em todo o organismo e no apenas no aparelho auditivo. Rudos intensos e permanentes podem causar vrios distrbios, alterando significativamente o humor e a capacidade de concentrao nas aes humanas. Provoca interferncias no metabolismo de todo o organismo com riscos de distrbios cardiovasculares, inclusive tornando a perda auditiva irreversvel quando induzida pelo rudo. Alguns destes efeitos podem ser enumerados da seguinte forma: 1. Efeitos Psicolgicos : Perda da concentrao Perda dos reflexos Irritao permanente Insegurana quanto a eficincia dos atos Embarao nas conversaes Perda da inteligibilidade das palavras Impotncia sexual 2. Efeitos Fisiolgicos: Perda auditiva at a surdez permanente Dores de cabea Fadiga Loucura Distrbios cardiovasculares Distrbios hormonais Gastrite Disfuno digestivas Alergias Aumento da freqncia cardaca Contrao dos vasos sangneos Deve ser observado que proteger a sade da populao o principal objetivo de todos os esforos pblicos para controlar a exposio ao rudo do indivduo ou da comunidade. A interferncia do rudo com o repouso, descanso e sono a maior causa de incmodo. E devemos notar que a pior interveno se d na forma de rudo intermitente, como por exemplo: - a passagem de veculos pesados e de avies prximo s habitaes. O rudo pode dificultar o adormecer e causar srios danos ao longo do perodo de sono profundo proporcionando o inesperado despertar. Nveis de rudo associados aos simples eventos podem criar distrbios momentneos dos padres naturais do sono, por causar mudanas dos estgios leve e profundo do mesmo. A pessoa pode sentir-se tensa e nervosa devido as horas no dormidas. O problema est relacionado com a descarga de hormnios, provocando o aumento da presso sangnea, vasoconstrio, aumento da produo de adrenalina e perda de orientao espacial momentnea. Despertar de um sono depende do estgio do sono, dos horrios noturnos e matinais, idade do indivduo entre outros fatores. Outra caracterstica humana a proteo natural aos eventos sonoros. Esta se d quando o ser humano previamente avisado que tal rudo ou sons elevados vo acontecer. Existe uma defesa psicolgica que prepara o indivduo para a exposio, o efeito contrrio se d exatamente quando inesperado, o caso do rudo se apresentar quando o indivduo encontra-se desatento e/ou dormindo, comumente considerado como som intrusivo. extremamente desagradvel pois, ele pego de surpresa e no h tempo de armar sua defesa natural. Por isso deve-se preservar o direito de descanso das pessoas quando estas dormem a fim de proteg-las dos efeitos malficos. 8 . Onda Luminosa LUZ : importante tomarmos conscincia de como estamos imersos em ondas eletromagnticas. Iniciando pelo Sol, a maior e mais importante fonte para os seres terrestres, cuja vida depende do calor e da luz recebidos atravs de ondas eletromagnticas. Alm de outras, recebemos tambm: a radiao eletromagntica emitida, por tomos de hidrognio neutro que povoam o espao interestelar da nossa galxia; as emisses na faixa de radiofreqncias dos "quasares" (objetos pticos que se encontram a enormes distncias de ns, muito alm de nossa galxia, e que produzem enorme quantidade de energia); pulsos intensos de radiao dos "pulsares" (estrelas pequenas cuja densidade mdia em torno de 10 trilhes de vezes a densidade mdia do Sol). Essas radiaes so to importantes que deram origem a uma nova cincia, a Radioastronomia, que se preocupa em captar e analisar essas informaes obtidas do espao atravs de ondas. H ainda as fontes terrestres de radiao eletromagntica: as estaes de rdio e de TV, o sistema de telecomunicaes base de microondas, lmpadas artificiais, corpos aquecidos e muitas outras. A primeira previso da existncia de ondas eletromagnticas foi feita, em 1864, pelo fsico escocs, James Clerk Maxwell . Ele conseguiu provar teoricamente que uma perturbao eletromagntica devia se propagar no vcuo com uma velocidade igual da luz. E a primeira verificao experimental foi feita por Henrich Hertz, em 1887. Hertz produziu ondas eletromagnticas por meio de circuitos oscilantes e, depois, detectou-se por meio de outros circuitos sintonizados na mesma freqncia. Seu trabalho foi homenageado posteriormente colocando-se o nome "Hertz" para a unidade de freqncia. 4 Todo rudo que causa incmodo pode ser considerado poluio sonora. 5. 8.1 O Espectro Eletromagntico A palavra espectro (do latim "spectrum", que significa fantasma ou apario) foi usada por Isaac Newton, no sculo XVII, para descrever a faixa de cores que apareceu quando numa experincia a luz do Sol atravessou um prisma de vidro em sua trajetria. Atualmente chama-se espectro eletromagntico faixa de freqncias e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnticas. As ondas eletromagnticas no vcuo tm a mesma velocidade , modificando a freqncia de acordo com e espcie e, consequentemente, o comprimento de onda. Existem vrios tipos de ondas eletromagnticas, que como j vimos se diferenciam atravs de suas freqncias. Porm nem todas possuem a capacidade de excitar nossos rgos visuais, proporcionando-nos assim a sensao de viso. Todas as ondas eletromagnticas que so visveis, como a luz, por exemplo, possuem uma faixa estreita de freqncias que se estende aproximadamente de 4,5. 1014 Hz (vermelho), a 7,5. 1014 Hz (violeta). Esta faixa possui as sete cores fundamentais que podemos relacion-las em ordem de freqncia crescentes, como: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Todas as radiaes que apresentam uma freqncia menor que 4,5. 1014 Hz, no so capazes de estimular nossos olhos, tornando-se assim invisveis, como por exemplo, as ondas de calor (o infravermelho), os fornos e telefonia (microondas) e a TV e o rdio AM e FM (radiofreqncia). J todas as radiaes que apresentam uma freqncia maior que 7,5. 1014 Hz, tambm so invisveis, como por exemplo, os raios X que so usados na medicina, o ultravioleta e os raios y que so usados no tratamento de cncer. Vejamos as figuras abaixo, que nos mostramdois espectros eletromagnticos, onde vrios tipos de ondas eletromagnticas aparecem relacionados pela seguinte freqncia: ** As escalas de freqncia e comprimento de onda so logartmicas. Fisicamente, no h intervalos no espectro. Podemos ter ondas de qualquer freqncia idnticas na sua natureza, diferenciando somente no modo como podemos capt-las. Observe que algumas freqncias de TV podem coincidir com a freqncia de FM. Isso permite algumas vezes captar uma rdio FM na televiso ou captar um canal de TV num aparelho de rdio FM. 8.2 Caractersticas das Principais Radiaes: 8.2.1 - Ondas de Rdio "Ondas de rdio" a denominao dada s ondas desde freqncias muito pequenas, at 1012 Hz , acima da qual esto os raios infravermelhos. As ondas de rdio so geradas por osciladores eletrnicos instalados geralmente em um lugar alto, para atingir uma maior regio. Logo o nome "ondas de rdio" inclui as microondas, as ondas de TV, as ondas curtas, as ondas longas e as prprias bandas de AM e FM. As ondas de rdio propriamente ditas, que vo de 104 Hz a 107 Hz , tm comprimento de onda grande, o que permite que elas sejam refletidas pelas camadas ionizadas da atmosfera superior (ionosfera). 5 6. Estas ondas, alm disso, tm a capacidade de contornar obstculos como rvores, edifcios, de modo que relativamente fcil capt-las num aparelho rdio-receptor. 8.2.2 - Ondas de TV As emisses de TV so feitas a partir de 5x107 Hz (50 MHz) . costume classificar as ondas de TV em bandas de freqncia (faixa de freqncia), que so: VHF : very high frequency (54 MHz 216 MHZ canal 2 13) UHF : ultra-high frequency (470 MHz 890 MHz canal 14 83) SHF : super-high frequency EHF : extremely high frequency VHFI : very high frequency ndex As ondas de TV no so refletidas pela ionosfera, de modo que para estas ondas serem captadas a distncias superiores a 75 Km necessrio o uso de estaes repetidoras. 8.2.3 - Microondas Microondas correspondem faixa de mais alta freqncia produzida por osciladores eletrnicos. Freqncias mais altas que as microondas s as produzidas por oscilaes moleculares e atmicas. As microondas so muito utilizadas em telecomunicaes. As ligaes de telefone e programas de TV recebidos "via satlite" de outros pases so feitas com o emprego de microondas. As microondas tambm podem ser utilizadas para funcionamento de um radar. Uma fonte emite uma radiao que atinge um objeto e volta para o ponto onde a onda foi emitida. De acordo com a direo em que a radiao volta pode ser descoberta a localizao do objeto que refletiu a onda. 8.2.4 - Luz visvel Note que nosso olho s tem condies de perceber freqncias que vo de 4,3 x 1014 Hz a 7 x 1014 , faixa indicada no espectro como luz visvel. Nosso olho percebe a freqncia de 4,3x1014 como a cor vermelha. Freqncias abaixo desta no so visveis e so chamados de raios infravermelhos , que apresentam algumas aplicaes prticas. A freqncia de 7x1014 vista pelo olho como cor violeta. Freqncias acima desta tambm no so visveis e recebem o nome de raios ultravioleta. Essas tambm apresentam algumas aplicaes prticas. A faixa correspondente luz visvel pode ser subdividida de acordo com o espectro a abaixo. 8.2.5 - Raios X Os raios X foram descobertos, em 1895, pelo fsico alemo Wilhelm Rntgen. Os raios X tm freqncia alta e possuem muita energia. So capazes de atravessar muitas substncias embora sejam detidos por outras, principalmente pelo chumbo. Esses raios so produzidos sempre que um feixe de eltrons dotados de energia incidem sobre um obstculo material. A energia cintica do feixe incidente parcialmente transformada em energia eletromagntica, dando origem aos raios X. Os raios X so capazes de impressionar uma chapa fotogrfica e so muito utilizados em radiografias, j que conseguem atravessar a pele e os msculos da pessoa, mas so retidos pelos ossos. Os raios X so tambm bastante utilizados no tratamento de doenas como o cncer. Tm ainda outras aplicaes: na pesquisa da estrutura da matria, em Qumica, em Mineralogia e outros ramos. 8.2.6 - Raios Gama As ondas eletromagnticas com freqncia acima da dos raios X recebe o nome de raios gama (g ). Os raios g so produzidos por desintegrao natural ou artificial de elementos radioativos. Um material radioativo pode emitir raios g durante muito tempo, at atingir uma forma mais estvel. Raios g de alta energia podem ser observados tambm nos raios csmicos que atingem a alta atmosfera terrestre em grande quantidade por segundo. 6 7. Os raios g podem causar graves danos s clulas, de modo que os cientistas que trabalham em laboratrio de radiao devem desenvolver mtodos especiais de deteco e proteo contra doses excessivas 9 Fenmenos Ondulatrios cont.: 9 .1 Interferncia Construtiva e Destrutiva: 9.2 Difrao. 10 Exerccios : 1 Questo: Dona Maria consegue conversar com sua vizinha, dona Ermengarda, embora um muro alto de mais de dois metros de altura as separe. Como fisicamente isso possvel, se uma no consegue ver a outra ? 2 Questo: Pedro, Paulo e Jorge encontram-se longe do local onde so lanados fogos de artifcios e percebem que primeiro enxergam o claro e depois ouvem o estrondo da bomba. Considere as afirmaes de cada um deles a respeito do fenmeno: - Pedro: Percebemos a luz (claro) antes do som (estrondo) porque a luz, diferentemente do som, se propaga em linha reta. - Paulo: Percebemos a luz (claro) antes do som (estrondo) porque o meio de propagao das ondas o ar. No vcuo perceberamos a luz e o som simultaneamente. - Jorge: Percebemos a luz (claro) antes do som (estrondo) porque a velocidade de propagao da luz muitas vezes maior do que a do som. Pergunta-se: Qual deles apresentou uma afirmao correta ? 3 Questo: Analise a seguinte frase : A televiso estava funcionando com volume mximo, e o que se ouvia era um apito agudo e estridente . As expresses sublinhadas referem-se, respectivamente, as quais caractersticas fisiolgicas do som ? 4 Questo: Se colocarmos um despertador dentro de um recipiente e retirarmos o ar com uma bomba de vcuo, ser possvel ouvi-lo quando ele despertar ? Por qu ? 5 Questo: Apesar de os morcegos apresentarem uma viso deficiente, conseguem se orientar perfeitamente em seus vos, inclusive caando os animais que lhe servem de alimento. Como fisicamente voc explicaria esse fato ? 6 Questo: Em um filme norte-americano de faroeste, um ndio colou seu ouvido ao cho para verificar se a cavalaria estava se aproximando. H uma justificativa fsica para esse procedimento ? Explique ? 7 Questo: Complete a sentena abaixo: Uma das diferenas bsicas entre a luz e o som , no tocante ao meio de propagao, que as ondas luminosas ao contrrio das sonoras se ..................................................................................... 8 Questo: A festa terminou tarde. No foi possvel encontrar um s taxi. Ento voc resolve ir para casa caminhando pelas ruas desertas. De repente, numa rua bastante larga, totalmente deserta e cheia de prdios altos, comea a ouvir outros passos alm dos seus. Pra, olha em todas as direes e no observa ningum, s ento, nota que os outros passos tambm pararam. Recomea a caminhar e os passos estranhos tambm recomeam .... Essa situao pode ter alguma explicao fsica ? Comente fisicamente sua resposta . 9 Questo: Um menino ouve um co latir, mas no o v, porque ele est do outro lado do muro. O fenmeno fsico que explica o fato de as ondas sonoras contornarem o muro, permitindo ao menino ouvir os latidos do co, chama-se : ___________________ . 10 Questo: Julgue V (verdadeiro) ou F (falso) as afirmaes seguintes: I - Toda onda transmite energia, sem o transporte de matria. II As ondas mecnicas no se propagam no vcuo. III- Quanto a sua natureza, as ondas so classificadas em unidimensionais ou bidimensionais. I - ( ) II - ( ) III - ( ) 11 Questo: Pesquisadores da UNESP, investigando os possveis efeitos do som no desenvolvimento de mudas de feijo, verificaram que sons agudos podem prejudicar o crescimento dessas plantas, enquanto os sons mais graves , aparentemente, no interferem no processo (Artigo publicado na revista Cincia e Cultura julho 1990). Nesse experimento o interesse dos pesquisadores fixou-se principalmente em que caracterstica fisiolgica presente nas ondas sonoras peridicas ? 12 Questo: Quando voc anda em um velho nibus urbano, fcil perceber que, dependendo da frequncia de giro do motor, diferentes componentes do nibus entram em vibrao. O fenmeno fsico que est se produzindo nesse caso chamado de : _________________________ . 13 Questo: Analise a seguinte afirmao: Abaixe esse som, Deolindo Pergunta-se , qual o interesse fsico desejado pela pessoa ? 14 Questo: Um cantor ou uma cantora de pera pode emitir sons que provocam a quebra de um copo de cristal. Explique como esse fenmeno fsico ocorre : 15 Questo: Maristela costumava ficar horas a fio admirando a imensido azul do mar, refletindo sobre coisas da vida e, principalmente, sobre fenmenos que vinha observando diariamente na natureza. Uma tarde, ela convidou Ernesto para dar uma volta. Subiram uma encosta e ficaram um bom tempo observando um tronco de bananeira que boiava na superfcie do mar. O tronco estava numa parte funda. As ondas passavam por ele e percorriam um longo caminho at encontrar a areia da praia. Maristela e Ernesto fizeram observaes cuidadosas e verificaram que, quando as ondas passavam pelo tronco, este subia e descia mas no se aproximava nem se afastava da praia. Qual a propriedade bsica e fundamental das ondas evidenciada pelo jovem casal ? 16 Questo: Maristela e Ernesto foram para o ponto do nibus que os levaria at o centro da cidade. Estavam l uns vinte minutos e nada de o nibus passar. Ernesto j estava impaciente e perguntou a um senhor : - Por favor, o senhor saberia me dizer de quanto em quanto tempo esse nibus passa aqui ? - Bom, filho, isso eu no posso responder, porque ele no tem um perodo certo. S posso dizer que ele no passa com muita frequncia, no? Se estiver com muita pressa, melhor ir a p ! 7 8. Ernesto olhou espantado para Maristela, menos pela possibilidade de ter que ir andando at a cidade, mas pelas palavras que acabara de ouvir .... Perodo ? Frequncia ? Diante do texto, como voc fisicamente explicaria as grandezas perodo e frequncia mencionadas pelo atencioso senhor ? 17 Questo: H mais de dois sculos a questo do som vem agitando o homem. No sculo XVIII , algumas pessoas definiam o som como uma sensao, e diziam que, portanto, para existir , o som precisaria de um ouvinte, de algum para escut-lo. Quem defendia essa idia eram os filsofos da poca. Os fsicos, por outro lado, combatiam essa idia, pois acreditavam que o som existia mesmo quando no havia ningum para ouvi-lo. Como voc poderia dar uma explicao fsica para a existncia do som ? 18 Questo: J estava ficando meio tarde. A noite est muito agradvel, mas ns precisamos ir embora e pegar o trem das onze e meia disse Ernesto. Antes de sair, Ernesto lembrou-se de uma cena que vira num filme de TV. Era um filme de bangue-bangue, com muitos bandidos, mocinhos, tiros para todos os lados, cavalos e coisas assim. Ele se lembrou de uma cena, em especial, que o deixara muito curioso: - os mocinhos estavam a cavalo perseguindo os bandidos, que estavam bem frente. Durante a fuga, um dos bandidos se abaixou, encostou o ouvido no cho e disse : Eles ainda esto bem longe. Ernesto confessou: Eu no entendi muito bem por que ele fez isso ! Voc estudioso do assunto, certamente saber justificar , fisicamente, o procedimento realizado pelo bandido . Comente resumidamente: 19 Questo: Um bate-estaca incomoda muita gente. Dois bate-estacas incomodam muito mais ! Antonia acordou mal-humorada naquela manh. Tambm, no era para menos: foi acordada, em pleno feriado, por um barulhento bate-estacas ! Baseado no texto, explique por que um bate-estacas incomoda tanto, e o canto de um passarinho no . 20 Questo: preciso tomar muito cuidado com a intensidade sonora qual nos submetemos (e aos nossos tmpanos!): sons da ordem de 160 dB podem causar surdez total devido a ruptura do tmpano ou a danos provocados em outras partes do ouvido. Embora no percebam, pessoas expostas a rudos intensos vrias horas por dia, durante anos, correm o risco de perder permanentemente a audio por leses no rgo auditivo. Mas no s o ouvido que sofre com sons intensos: sofremos mentalmente, e tambm sofre o nosso corao. Conhecedor do assunto, cite mais alguns distrbios fsico - psico causados por este tipo de poluio. 21 Questo: Abaixa esse rdio. Ernesto ! Foi o que pediu sua me Cristiana. Mas sabem o que Ernesto fez? Colocou o rdio no cho. Engraadinho, no ? Na realidade sua me desejava que ele atuasse em qual qualidade fisiolgica do som ? 22 Questo: Um som para ser audvel pelo homem, deve possuir uma frequncia acima de certo valor, que pode variar de pessoa para pessoa, mas gira em torno de 20 Hz . Sons que tm frequncias inferiores a esse valor no so audveis pelo homem e so denominadas de : __________________________ . 23 Questo: O homem s capaz de ouvir sons at certo valor de frequncia, que varia em torno de 20 000 Hz . Como so denominados os sons com frequncias maiores que esse valor ? 24 Questo: importante notar que a definio de som se baseia na capacidade auditiva do homem . Essa capacidade varia entre os animais, conforme mostra a tabela abaixo: Animal Fmn (Hz) Fmx (Hz) r 50 10 000 homem 20 20 000 co 15 50 000 gato 60 65 000 morcego 1 000 120 000 mariposa 3 000 150 000 Dentre os animais listados, qual deles possui uma maior capacidade auditiva ? 25 Questo: Observe a figura abaixo, que mostra uma ampla faixa do espectro eletromagntico. Sabendo-se que a velocidade de propagao de uma radiao eletromagntica, no ar, aproximadamente 3.10 5 km/s, uma onda eletromagntica de comprimento de onda 10 - 7 m encontra-se na faixa de: A) Ondas de rdio B) Microondas C) Luz visvel D) Raios X E) Raios lambda ESTUDO DAS ONDAS Gabarito dos Exerccios Exerc-01: Elas conseguem conversar entre si devido a onda sonora som contornar obstculos. Esse fenmeno ondulatrio denominado de DIFRAO. Exerc-02: Apenas Jorge apresentou a afirmao correta. Exerc-03: Volume ......... intensidade sonora. Agudo .......... altura Estridente .... timbre Exerc-04: No ser possvel ouvi-lo porque o som por ser uma onda mecnica, no se propaga no vcuo. Exerc-05: Eles se orientam pela audio do som emitido por eles mesmos; isto , pelo eco do som emitido. Na identificao dos insetos e frutas de sua alimentao, seguramente eles utilizam o seu olfato. Exerc-06: Ele utilizou esse artifcio porque o som se propaga com uma velocidade maior nos slidos do que no ar, possibilitando-o ouvir o som das cavalgadas da cavalaria antes mesmos de ouvi-los atravs do ar. Exerc-07: ...... propaga-se no vcuo e fora dele (ao contrrio do som que no se propaga no vcuo). Exerc-08: Sim , ele ouviu os seus prprios passos; isto , o eco do som gerado pelos seus prprios passos. Exerc-09: ... Difrao (ver resposta do exerc n 01. Exerc-10: Afirmao I Verdadeira (V) Afirmao II Verdadeira (V) Afirmao III Falsa (F) Exerc-11: Altura Exerc-12; Ressonncia ondulatria. 8 9. Exerc-13: A pessoa deseja que o Deolindo diminua a intensidade sonora (sonoridade) do rdio atravs do boto de ajuste do volume. Exerc-14: Se a frequncia do som coincidir com a frequncia de vibrao das partculas do cristal, ocorrer o fenmeno fsico denominado ressonncia, o que provocar a quebra do copo de cristal. Exerc-15: A propriedade bsica evidenciada foi que as ondas no transportam matria, apenas energia. Exerc-16: Perodo - o intervalo de tempo decorrido entre duas ocorrncias sucessivas de um mesmo fenmeno ( no texto refere-se ao intervalo entre duas passagens sucessivas do nibus). Frequncia o nmero de ocorrncias do mesmo fenmeno na unidade de tempo considerado (no texto refere-se ao n de vezes que o nibus passa em certo intervalo de tempo). Exerc-17: O som o resultado de uma perturbao provocada em um meio material e que somente se propaga no meio material, no necessitando, portanto, de um ouvinte para que exista. Exerc-18: Comentrio similar ao da questo n 06. Exerc-19: O canto de um pssaro no incomoda tanto por ser uma onda sonora harmnica e de baixa intensidade sonora; ao contrrio do som gerado pelo Bate-estacas. Exerc-20: - perda de concentrao. - perda de reflexos. - impotncia sexual. - irritao permanente. - dores de cabea. - fadiga. - aumento da frequncia cardaca. - distrbios hormonais. - outro mais... Exerc-21: resposta similar ao do exerc n 13. Exerc-22: freqncias < 20 Hz infra-sons Exerc-23: freqncias > 20 000 Hz ultra-sons Exerc-24: O de maior capacidade auditiva a Mariposa. Exerc-25: Opo (C) Ondas Estacionrias : Quando duas ondas peridicas de freqncias, comprimentos de onda e amplitudes iguais, propagando-se em sentidos opostos, superpem-se em um dado meio , do origem a figura de interferncia denominada onda estacionria. O caso mais simples desse tipo de interferncia o que ocorre em uma corda esticada na qual as ondas produzidas numa das extremidades superpem-se as ondas refletidas na extremidade oposta. Na figura destacamos duas dessas ondas, uma pertencente ao trem de ondas incidentes e a outra pertencente ao trem das ondas refletidas, apenas para mostrar que as ondas que vo interferir tm frequncias, comprimento de onda e amplitudes iguais, mas so invertidas uma em relao a outra , pois ocorre reflexo das ondas numa extremidade fixa. A onda estacionria que se estabelece na corda na verdade no uma onda , mas apenas uma figura de interferncia . O termo continua sendo empregado por estar consagrado pelo uso. 9 10. A figura acima mostra a representao das ondas estacionrias numa corda. H pontos da corda que permanecem sempre repouso (N1- N2-...N5). Neles a interferncia sempre destrutiva, isto , as ondas que se superpem-se se anulam completamente nesses pontos, que so denominados ns ou nodos . Os demais pontos da corda permanecem em vibrao, oscilando com amplitude mxima . Os que vibram com mxima amplitude (V1-V2-...-V5) so denominados ventres. Na figura abaixo, representamos um fio tenso de comprimento L que encontra-se fixo na extremidade B e com a outra extremidade A presa a uma lmina que vibrar movida por um motor . Suponhamos que, ao vibrar, a lmina o faa com uma amplitude muito pequena, de modo que podemos considerar o ponto A como quase fixo . Ao vibrar, a lmina produz uma onda que se move para a direita; ao chegar na extremidade B, a onda ser refletida (com inverso de fase), de modo que, a cada instante, teremos duas ondas movendo-se em sentidos opostos, que iro se interferir. Para algumas frequncias da lmina poderemos obter situaes resultantes como as representadas nas figuras b , c e d . Entre os ns, cada parte do fio vibra para cima e para baixo com a mesma frequncia da lmina. Assim, por exemplo, na figura c , quando o ponto P est subindo , o ponto Q est descendo. A distncia entre dois ns consecutivos a metade do comprimento de onda. Se o fio estiver imerso no ar , ele se torna uma fonte sonora e este vibrar com a mesma frequncia f do fio, produzindo som de frequncia f. Nos instrumentos musicais de corda, como os violes e os violinos , as cordas em vibrao transferem energia para o ar atravs de ondas, cuja frequncia a mesma da fonte. A frequncia produzida na situao da figura b , denominada frequncia fundamental e o som produzido chamado primeiro harmnico (1 H). Na situao da figura c temos o segundo harmnico e na figura d temos o terceiro harmnico. Na figura acima foi representado at o terceiro harmnico; porm, o nmero de harmnicos , em princpio, infinito. A frequncia produzida depende da densidade do fio (massa por unidade de volume ) , do comprimento do fio e da fora de trao ao qual o fio submetido . Ressonncia : Colocou-se uma criana num balano. Os seus ps no chegam ao cho. Para lhe dar balano pode-se evidentemente puxar o balano para trs e larg-lo depois. Para que a criana continue a balanar bastar empurr-la ligeiramente no ritmo das oscilaes para que ao fim de pouco tempo ela adquira um balano considervel. Para por um corpo em movimento preciso agir no ritmo das oscilaes. Quer dizer, preciso proceder de modo que o impulso tenha lugar com perodo igual ao das oscilaes prprias do corpo. Diz-se neste caso que h ressonncia. Todos os corpos vibram naturalmente com certa freqncia, denominada freqncia natural. Quando um sistema vibrante submetido a uma srie peridica de impulsos cuja freqncia coincide com a freqncia natural do sistema, a amplitude de suas oscilaes cresce gradativamente, pois a energia recebida vai sendo armazenada. Voc j deve ter notado que os vidros das janelas ressoam e os cristais vibram quando o piano ou o rdio emitem certas notas. Isso acontece porque cada objeto tem uma freqncia natural de vibrao. Se as ondas sonoras de uma nota o atingirem, ele ressoar com a vibrao que o atinge. Alguns cantores so famosos por serem capazes de quebrar um copo de cristal fino cantando junto a ele em sua altura natural. Por que uma concha colocada junto ao ouvido parece ter "o barulho do mar" dentro dela? A concha torna mais intensos os sons leves que esto presentes em qualquer lugar ressoando com eles no mesmo tom. Esses sons, naturalmente, no so sons do mar, a menos que voc esteja ouvindo a concha beira da praia. Nossa voz, produzida pela vibrao das cordas vocais, reforada pela ressonncia do ar na garganta, na boca e no nariz, recebendo, assim, seu timbre ressoante. 10