O movimento ondulatório pode ser definido um pulso de onda, uma pertubação que vai se propagar em um meio. As ondas podem ser de dois tipos: mecânica, eletromagnética. A onda mecânica é aquela que se propaga em um meio material, por exemplo o som ou uma corda. As ondas eletromagnéticas, como a luz por exemplo, se propagam no vácuo.
Um fato muito interessante é notar que um telefone celular pode receber e enviar mensagens sem estar ligado a um cabo. Como essas mensagens são recebidas e enviadas? Que fenômeno físico explicaria este fato?
Essas perguntas serão respondidas ao longo deste módulo, que versará sobre ondulatória.
Quando falamos em onda, você talvez tenha imaginado ondas como a da foto. Essas ondas que se formam no mar também possuem os elementos das ondas que iremos estudar.
No entanto, quando elas se aproximam da costa, tocam o fundo, sua crista se move mais rapidamente e ela se desfaz, rebentando. Nesse momento final de sua trajetória, elas arrastam grandes volumes de areia do fundo e não se comportam mais como as ondas que iremos estudar.
Então, o que é uma onda para a Física?
Ondas
Ondas são pertubações regulares que se propagam. Não transportam matéria, apenas energia.
É por isso que quando se está na praia e uma marola (pequena onda na superfície do mar) passa, ela nos eleva e abaixa, porém nos deixa no mesmo lugar, pois a onda não transporta matéria, apenas energia. E de onde vem essa energia?
Você já sabe que a energia não pode ser criada. Uma onda pode se formar pela energia dos ventos ou da vibração dos corpos, como quando agitamos um pedaço de bambu no ar, ou mesmo quando falamos.
Veja também:
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Tipos de ondas
Quanto à sua natureza.
Dois tipos de ondas podem ser identificados: as ondas mecânicas são aquelas que necessitam de um meio material para se propagarem e as ondas eletromagnéticas não necessitam obrigatoriamente de um meio material para se propagarem, ou seja, elas conseguem se propagar no vácuo.
São ondas mecânicas as ondas do mar e da água em geral, do som, e aquelas que se propagam em molas e em cordas.
São ondas eletromagnéticas as ondas de rádio, de televisão, de luz e as micro-ondas, entre outras.
Quanto à direção da propagação e da oscilação
Já dissemos que a marola passa por nós sem nos deslocar, mas ela nos movimenta para cima e para baixo. Nós poderíamos representar esse tipo de onda como no esquema a seguir:
Repare que ela se propaga na direção perpendicular à sua oscilação. Por isso, essa onda é denominada transversal quanto à forma de propagação.
Há um outro tipo de onda quanto à propagação: a onda longitudinal. Nela, a propagação se dá na mesma direção da oscilação. Apenas ondas mecânicas são longitudinais. Veja como se dá a propagação e a oscilação em uma mola.
Elementos de uma onda
Imagine uma corda amarrada em uma das extremidades e livre na outra. Se agitarmos a ponta livre uma vez, de cima para baixo, veremos um movimento como o do esquema abaixo.
Então, podemos identificar alguns elementos constituintes da onda:
■ Cristas – são as elevações da onda, no esquema seriam os pontos a, c, e.
■ Vales – são as depressões, no esquema seriam os pontos b, d.
■ Período – é o tempo necessário para que a onda produza uma vibração completa, como por exemplo de a à c.
■ Frequência – é o número de vibrações completas na unidade de tempo. A unidade de frequência é o hertz (Hz).
■ Comprimento de onda – é a distância entre duas cristas (parte mais alta da onda) ou entre dois vales sucessivos. O comprimento de onda é identificado pela letra grega lambda (X).
Esses elementos também se fazem presentes nas ondas eletromagnéticas, que podem ter comprimento tão grande quanto um edifício, como algumas ondas de rádio, ou comprimento menor do que o tamanho do núcleo de um átomo, como os raios gama.
Velocidade de onda
A velocidade das ondas depende do meio no qual elas se propagam. |
As ondas eletromagnéticas diminuem sua velocidade ao atravessar meios mais densos, por exemplo: um raio de luz no vácuo tem velocidade de 300 000 000m/s, ao penetrar na água, sua velocidade se reduz para 225 000 000m/s, atravessando um diamante (sólido), sua velocidade cairá para 200 000 000m/s.
Perceba que isso ocorre com um mesmo tipo de onda, de mesma frequência e vinda do mesmo meio (o vácuo).
As ondas sonoras, que são ondas mecânicas, têm comportamento inverso. Quanto mais próximos estiverem os átomos que compõem o meio que irá transmitir a onda, tanto maior será sua velocidade. Por exemplo, o som, no ar, tem velocidade aproximada de 340m/s; na água, essa velocidade vai a 1 500m/s e, nos sólidos, ela chega a 5000m/s.
Existe uma equação que nos permite calcular a velocidade com que uma onda se propaga.
Como se pode ver, para calcularmos a velocidade de uma onda, precisamos da sua frequência e do seu comprimento de onda.
Refração e reflexão
Pegue um copo com água e coloque uma colher dentro. Olhe meio de lado. O que você observou?
Parece que a colher está quebrada?
Por que você tem essa impressão?
Pense um pouco naquilo que já estudamos sobre as ondas. Que tipo de onda é a luz visível?
Como se comportam essas ondas quando atravessam meios de densidades diferentes?
A luz é uma onda eletromagnética e esse tipo de onda altera de velocidade ao atravessar meios diferentes.
Perceba que a luz fora do copo está atravessando o ar e, de repente, ela precisa passar pela água do copo.
Com isso, a velocidade diminui e a imagem que vemos fica alterada, parece que sofre alteração de continuidade, como se a colher estivesse quebrada. Esse fenômeno recebe o nome de refração.
Agora, olhe a foto ao lado. Além do fato de ser uma bela foto, queremos que você observe um outro fenômeno, relacionado às ondas: o fenômeno da reflexão.
Veja que o castelo está refletido nas águas do lago. O que acontece aqui é uma inversão no trajeto da onda. Parte dela não atravessa a água e se mantém no mesmo meio (ar), portanto, mantém a mesma velocidade.
Quando a luz incide sobre a água, uma parte dela é refletida e uma parte é refratada.
Podemos esquematizar os dois fenômenos da seguinte maneira:
Na primeira figura (1) vemos a representação do que normalmente acontece quando a luz passa de um meio menos denso (nesse caso, do ar para a água).
Parte dos raios de luz são refletidos e outra parte refratados. A reflexão de todos os raios só seria possível se tivéssemos um espelho ideal (figura 2).
Sugestão de atividades
- Considerando uma onda transversal, explique os seguintes termos:
- a) crista.
- b) frequência.
- c) comprimento de onda.
Solução:
- a) Cristas são as partes mais elevadas da onda.
- b) Frequência é o número de vibrações completas na unidade de tempo.
- c) Comprimento de onda é a distância entre duas cristas ou entre dois vales sucessivos.
- Calcule a frequência de onda que possui velocidade de propagação igual a 500m/s e que apresenta comprimento de onda de 0,5m.
Solução:
Assinale a alternativa correta:
1- Sobre as ondas, podemos afirmar que:
a) qualquer onda se propaga no vácuo.
b) elas transportam apenas energia, sem transportar matéria.
c) todas possuem igual comprimento.
d) as micro-ondas são exemplos de ondas mecânicas.
e) o som é um exemplo de onda eletromagnética.
2 – Assinale a alternativa em que as ondas eletromagnéticas estão em ordem decrescente de comprimento de onda:
a) raios-gama, micro-ondas, rádio.
b) rádio, raios-gama, micro-ondas.
c) som, micro-ondas, luz visível.
d) rádio, micro-ondas, raios-gama.
e) som, luz visível, raios x.
3 – Você já deve ter visto filmes em que astronautas conversam na Lua. Que tipo de ondas estão sendo empregadas nessa conversa? Justifique.
4 – Explique por que um pequeno barco de papel flutuando na água apenas sobe e desce quando atingido pelas marolas (pequenas ondas) que se propagam na superfície do líquido.
5 – Explique o que é reflexão de uma onda luminosa.
6 – A ilustração ao lado é um antigo desenho produzido pela expedição de Hans Staden, um alemão que visitou o Brasil no século XIV, cerca de 50 anos após o descobrimento. Podemos ver a figura de um índio pescando com o auxílio de uma lança, procedimento que eles realizam até hoje, praticamente da mesma maneira que no passado. Explique, do ponto de vista da propagação da luz, as diferenças que o índio precisa saber compensar para ter sucesso em sua pesca.
7 – Pesquise sobre a maneira pela qual as micro-ondas aquecem os alimentos.
8 – Uma emissora de rádio FM opera na frequência de 100MHz. Admitindo que a velocidade de propagação das ondas de rádio no ar seja de 300 000km/s, o comprimento de onda emitida por essa emissora é, aproximadamente, de:
a) 3,0m
b) 3,0dm
c) 3,0cm
d) 3,0mm
e) 3,0nm
9 – Um menino, balançando-se em uma corda dependurada em uma árvore, faz 20 oscilações em um minuto. Pode-se afirmar que seu movimento tem:
a) um período de 3,0 segundos.
b) um período de 60 segundos.
c) uma frequência de 3,0Hz.
d) uma frequência de 20Hz.
10 – Entre as afirmativas a seguir, a respeito de fenômenos ondulatórios, assinale a que é falsa.
a) A velocidade de uma onda depende do meio de propagação.
b) A velocidade do som no ar independe da frequência.
c) No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas possuem o mesmo período.
d) Ondas sonoras são longitudinais.
e) Ondas sonoras não podem ser polarizadas.
11 – Qual a frequência do som, em Hz, cuja onda tem 2,0m de comprimento e se propaga com uma velocidade de 340m/s?
a) 340Hz
b) 680Hz
c) 170Hz
d) 510Hz
e) 100Hz
12 – Quando um feixe de luz monocromático passa do ar para a água mudam:
a) o comprimento de onda e a velocidade de propagação.
b) a velocidade de propagação e a frequência.
c) a frequência e a amplitude.
d) a frequência e o comprimento de onda.
e) o comprimento de onda e o período.
13 – Uma martelada é dada na extremidade de um trilho. Na outra extremidade, encontra-se uma pessoa que ouve dois sons separados por um intervalo de tempo de 0,18s. O primeiro dos sons se propaga através do trilho com uma velocidade de 3 400m/s, e o segundo através do ar, com uma velocidade de 340m/s. Determine o comprimento do trilho em metros.
14 – Você provavelmente já se habituou a certos termos técnicos que são comuns em nosso cotidiano. Por exemplo, canais de TV em UHF ou VHF. Mas você sabe o significado dessas siglas?
■ VHF significa very high frequency, e os canais que operam nesse sistema emitem
sinais com frequências entre 54MHz e 216MHz, que são a dos canais 2 a 13;
■ UHF significa uítra-high frequency e os canais que operam nesse sistema enviam
seus sinais entre 470MHz e 890MHz, que são o dos canais 14 a 83.
- a) Pesquise o valor de 1MHz.
- b) Explique o que significa dizer que uma onda tem 54, 216, 470 ou 890MHz.
Referências bibliográficas
- KLEINUBING, Neusa Dendena; DO CARMO SARAIVA, Maria; FRANCISCHI, Vanessa Gertrudes. A dança no ensino médio: reflexões sobre estereótipos de gênero e movimento. Journal of Physical Education, v. 24, n. 1, p. 71-82, 2013 http://ojs.uem.br/ojs/index.php/RevEducFis/article/view/15459
- ARAÚJO, Sidney Maia; DA SILVA, Fábio Wellington Orlando. A teoria ondulatória de Huygens em livros didádicos para cursos superiores. Ciência & Educação, v. 15, n. 2, p. 323-341, 2009 http://w.scielo.br/pdf/ciedu/v15n2/a06v15n2.pdf
