Acústica – o estudo do som

Acústica - o estudo do som

A mesma nota executada enviada por instrumentos musicais diferentes não é exatamente igual, pois podemos muito bem diferenciar uma nota musical “lá” emitida por um violino e um violão ou por uma viola.

Mas, uma vez emitida a nota, ela é transmitida. Imagine um adolescente que tem uma bateria em casa. Deve incomodar a vizinhança inteira. Mas, se ele usar os conceitos de acústica aqui apresentados, ele minimizará o problema que causa.

Som

Esta estátua em metal é datada do século XV e representa um guerreiro do Benin (região que hoje abrange a Nigéria) tocando um instrumento de sopro.

No século XV, a civilização que floresceu ali produziu centenas de peças feitas em metal, retratando os animais, as pessoas e seus costumes. Essas peças mostram o cotidiano daqueles povos e revelam seu gosto pela arte.

A beleza da peça reflete uma grande sensibilidade e alto nível cultural de uma civilização a respeito da qual sabemos tão pouco e demonstra o domínio de instrumentos para produzir sons.

Os sons nos acompanham desde antes do nascimento. Dentro do útero materno, o bebê já ouve os ruídos externos e os barulhos do funcionamento do corpo da mãe, particularmente o batimento cardíaco

E do ponto de vista da Física, o que é o som?

Antes de conceituarmos o som, vamos sugerir que você faça um teste. Aumente o volume de um equipamento de som e aproxime a mão das caixas acústicas. Que sensação você consegue perceber?

O ar à frente da caixa parece vibrar, não é?

A vibração é semelhante à de uma corda de violão quando a tocamos, pois as cordas, quando tocadas, vibram e podem produzir sons. Todos os sons que ouvimos têm sua origem em corpos materiais que vibram.

Quando um objeto vibra, ele produz perturbações que se propagam, ou seja ondas. Se o meio for o ar, cada molécula próxima vibra e transmite essa vibração à seguinte.

No caso do som, as ondas que o produzem precisam ter frequência entre 20 e 20.000Hz, isto é, precisam produzir entre 20 e 20 000 vibrações por segundo.

Esse limite é dado pela capacidade de nosso sistema auditivo que não consegue captar vibrações abaixo de 20 hertz nem acima de 20 000 hertz. Há animais, como os cães e os morcegos, cuja sensibilidade auditiva é bem maior do que a dos seres humanos.

Então, podemos definir som como:

Uma onda longitudinal, que se propaga em um meio material, cuja frequência está compreendida, aproximadamente, entre 20Hz e 20 000Hz.

Veja também:

Infrassons e ultrassons

As ondas longitudinais com frequência inferior a 20Hz recebem a denominação de infra-sons. Pesquisas recentes têm demonstrado que pombos e elefantes parecem ser capazes de captar infrassons.

As ondas longitudinais com frequência superior a 20.000Hz são denominadas ultrassons.

Os ultrassons são usados em pesquisas diversas.

Nos navios, eles são empregados em sonares, equipamentos capazes de mapear o fundo do oceano e de localizar submarinos e cardumes.

Acústica - o estudo do som

O sonar emite ultrassons em direção ao fundo do mar e recebe a reflexão desses sons. Sabendo o tempo gasto no trajeto entre o momento da emissão e a captação do retorno é possível determinar a profundidade.

Na medicina, os ultrassons são usados nos equipamentos de ultrassonografia ou ecografia e permitem visualizar diversos órgãos, inclusive os bebês em formação.

Pergunte à sua mãe ou outra mulher que tenha tido filhos recentemente se ela fez esse tipo de exame. Talvez você possa ver o resultado e observar o bebê ainda bem pequeno.

Velocidade do som

Velocidade do som

Já vimos que o som é resultado da propagação de uma onda mecânica, isto é, precisa de um meio material para se propagar. O meio pode ser gasoso, líquido ou sólido e a velocidade varia de um meio para outro.

No ar, a uma temperatura aproximada de 20°C, a velocidade do som será de 340m/s. Na água, a velocidade aumenta muito e chega a 1 500m/s; nos sólidos, a velocidade chega a ser superior a 5 000m/s.

Além da velocidade, as ondas sonoras têm outras características, como a altura, a intensidade e o timbre.

Altura

Altura é a qualidade do som que nos permite distinguir os sons graves dos agudos. Para entender melhor o que são sons graves e sons agudos, pense em    um    homem    que tenha voz bem

“grossa”. Essa voz é grave. Agora, pense na voz “fina” de uma mulher.    Essa    voz é aguda.

Os sons graves são emitidos por fontes sonoras que vibram com baixa frequência, e os sons agudos são emitidos por fontes sonoras que vibram com altas frequências, pois é a frequência que define a altura do som.

Intensidade

Intensidade é a qualidade que nos permite identificar sons “fracos” e “fortes”, isto é, está relacionada à quantidade de energia transferida pela onda sonora. O balançar das folhas nas árvores é um exemplo de som fraco, já uma explosão é um som forte.

A intensidade dos sons é medida em uma unidade denominada bel (homenagem à Graham Bell, inventor do telefone), cujo submúltiplo mais usado é o decibel (dB).

Veja alguns exemplos da intensidade de alguns sons:

Decibéis (dB) Exemplos
0 Limiar da audição (menor valor que conseguimos ouvir)
30 (5m) Sussuro
60 (1m) Conversação normal
70 Trânsito intenso

 

Decibéis (dB) Exemplos
100 Trem de metrô
120 Avião a jato (limite da dor) – decolagem
150 Avião a jato junto à pista.

Timbre

Timbre é a qualidade que nos faz distinguir as vozes das pessoas. Também permite diferenciar, por exemplo, os sons de dois instrumentos musicais diferentes, mesmo quando eles emitem a mesma nota.

Reflexão das ondas sonoras

Reflexão das ondas sonoras

Já vimos, quando falamos à respeito dos sonares, que o ultrassom emitido reflete nos obstáculos e é captado pelo equipamento.

Portanto, as ondas sonoras podem ser refletidas e um dos efeitos mais interessantes dessa capacidade é a formação daquilo que denominamos eco.

Você provavelmente já brincou com o eco. Há lugares cujas características permitem a observação desse fenômeno.

O eco acontece quando a distância entre a origem do som e o obstáculo no qual ele reflete é de pelo menos 17m. Isso porque nosso aparelho auditivo só conseguem distinguir como dois sons diferentes aqueles que se formam a intervalos de 0,1 segundo. Em 0,1 segundo o som no ar percorre 34m, como na formação do eco ele deve ir e voltar, o obstáculo deve estar a pelo menos 17m.

  1. Uma pessoa, enquanto observa outra martelando sobre um trilho de aço, encosta sua orelha no trilho e ouve o som de cada batida duas vezes. Explique o fenômeno.

Solução:

O som no ar se propaga a uma velocidade menor do que nos sólidos. Então, o homem ouve a batida do martelo quando o som se propaga pelo aço e, em seguida, ouve a batida novamente quando essa onda sonora se propaga pelo ar.

Sugestão de atividades

  1. Se uma pessoa ouve o som do disparo de uma arma de fogo 5 segundos após ter havido o disparo, qual a distância entre o ouvinte e o atirador? Considere vsom= 340m/s.
  2. Em um filme de faroeste, um índio colocou o ouvido no chão para verificar se a cavalaria estava se aproximando. Explique o motivo pelo qual ele fez isso.
  3. Mapeando o oceano, pesquisadores fazem uso de sonares e verificam, numa certa região do Oceano Pacífico, que o intervalo de tempo entre a emissão do ultrassom e sua posterior recepção é de 3 segundos. Sabendo que a velocidade do som na água é de 1 500m/s, qual a profundidade da região pesquisada? Não esqueça de que o som é captado após ir e voltar.
  4. Você já percebeu que, em dia de tempestade, primeiro vemos o clarão do relâmpago (luz) e depois ouvimos o trovão (som)? Por que isso acontece?
  5. Você já assistiu a filmes de batalhas intergalácticas, como Star Wars e outros? Lembre então que durante as batalhas as naves são destruídas, e que isso gera grandes estrondos. No entanto, o espaço exterior praticamente não contém matéria, e podemos dizer que a região interplanetária é de vácuo. Explique que inconsistência há entre as características físicas do espaço e os ruídos das destruições das naves.
  6. Um pedestre parado em uma calçada ouve a sirene de uma ambulância que soa com uma frequência de 800Hz e tem 90dB. Explique o significado dessas duas medidas referentes ao som da sirene.
  7. O que acontece com a velocidade de propagação de uma onda sonora quando ela passa de um meio menos denso para um meio mais denso? Explique.
  8. Sabendo que a velocidade do som no ar é de 340m/s e que um avião supersônico ultrapassa essa velocidade, determine a velocidade mínima, em km/h, desse tipo de aeronave, quando quebra a barreira do som.
  9. Quando mexemos no botão de volume do equipamento de som, estamos alterando uma propriedade física do som que ele transmite. Que propriedade é essa?

Violinos

O violino é um instrumento muito usado na música clássica. Na orquestra o primeiro violino é chamado de spalla, depois do regente, ele é o “comandante” da orquestra. O primeiro violino fica bem à esquerda do maestro.

Os violinos Stradivarius são os mais famosos e valiosos do mundo. Foram feitos apenas 250 pelo mestre Antonio Stradivari (1643-1737). Um Stradivarius do final do século XVII (1699) foi comprado num leilão, em abril de 2005, por pouco mais de 2 milhões de dólares.

  1. a) Qual a fonte sonora de um violino?
  2. c) O som de um violino é agudo e o som de um violoncelo é grave. Qual a propriedade do som que permite distinguir sons agudos e graves?
  3. d) Imagine a situação a seguir: um ouvinte, que não entende de música, está em uma sala, ao lado da qual estão um piano e um violino. Então, uma pessoa toca a nota “ré” no piano e ao mesmo tempo toca outra nota ré no violino, ambas com a mesma força, dando aos dois sons a mesma altura e a mesma intensidade. Mesmo sem ver os instrumentos, o ouvinte saberá identificar o som produzido pelo piano do som produzido pelo violino. Por quê?

Referências bibliográficas

  • JÚNIOR, Francisco Nairon Monteiro; DE CARVALHO, Washington Luiz Pacheco. O ensino de acústica nos livros didáticos de física recomendados pelo PNLEM: análise das ligações entre a física e o mundo do som e da música. Holos, v. 1, p. 137-154, 2011  http://www2.ifrn.edu.br/ojs/index.php/HOLOS/article/view/516
  • MARTINS, Renata Lacerda Caldas; VERDEAUX, Maria de Fátima da Silva; SOUSA, Célia Maria Soares Gomes de. A utilização de diagramas conceituais no ensino de física em nível médio: um estudo em conteúdos de ondulatória, acústica e óptica. 2009. http://www.scielo.br/pdf/rbef/2009nahead/070811.pdf

 

 

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