Experimentos de Física: 11. ONDAS

Ondas

Em Física, uma onda é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de ondas e a periodicidade no tempo é medida pela frequência da onda, que é o inverso do seu período. Estas duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda.

Conceito de Onda

A definição de onda é qualquer perturbação (pulso) que se propaga em um meio. Ex: uma pedra jogada em uma piscina (a fonte), provocará ondas na água, pois houve uma perturbação. Essa onda se propagará para todos os lados, quando vemos as perturbações partindo do local da queda da pedra, até ir na borda.

Chamamos de Fonte qualquer objeto que possa criar ondas.

A onda é somente energia, pois ela só faz a transferência de energia cinética da fonte, para o meio. Portanto, qualquer tipo de onda, não transporta matéria!

As ondas podem ser classificadas seguindo três critérios:

I - Classificação das ondas segundo sua natureza

Quanto a natureza, as ondas podem ser divididas em dois tipos:

Ondas mecânicas: são todas as ondas que precisam de um meio material para se propagar. Por exemplo: ondas no mar, ondas sonoras, ondas em uma corda, etc.
Ondas eletromagnéticas: são ondas que não precisam de um meio material para se propagar. Elas também podem se propagar em meios materiais. Exemplos: luz, raio-x , sinais de rádio, etc.

II - Classificação em relação à direção de propagação

As ondas podem ser divididas em três tipos, segundo as direções em que se propaga:

Ondas unidimensionais: só se propagam em uma direção (uma dimensão), como uma onda em uma corda.
Ondas bidimensionais: se propagam em duas direções (x e y do plano cartesiano), como a onda provocada pela queda de um objeto na superfície da água.
Ondas tridimensionais: se propagam em todas as direções possíveis, como ondas sonoras, a luz, etc.

III - Classificação quanto à direção de vibração

Ondas longitudinais: são as ondas onde a vibração da fonte é paralela ao deslocamento da onda. Exemplos de ondas longitudinais são as ondas sonoras (o alto falante vibra no eixo x, e as ondas seguem essa mesma direção), etc.
Ondas transversais: a vibração é perpendicular à propagação da onda. Ex.: ondas eletromagnéticas, ondas em uma corda (você balança a mão para cima e para baixo para gerar as ondas na corda).

Características das ondas

Todas as ondas possuem algumas grandezas físicas, que são:

- Frequência: é o número de oscilações da onda, por um certo período de tempo. A unidade de frequência do Sistema Internacional (SI), é o hertz (Hz), que equivale a 1 segundo, e é representada pela letra f. Então, quando dizemos que uma onda vibra a 60Hz, significa que ela oscila 60 vezes por segundo. A frequência de uma onda só muda quando houver alterações na fonte.

-Período: é o tempo necessário para a fonte produzir uma onda completa. No SI, é representado pela letra T, e é medido em segundos.

É possível criar uma equação relacionando a frequência e o período de uma onda:

f = 1/T

T = 1/f

- Comprimento de onda: é o tamanho de uma onda, que pode ser medida em três pontos diferentes: de crista a crista, do início ao final de um período ou de vale a vale. Crista é a parte alta da onda, vale, a parte baixa. É representada no SI pela letra grega lambda (λ)

- Velocidade: todas as ondas possuem uma velocidade, que sempre é determinada pela distância percorrida, sobre o tempo gasto. Nas ondas, essa equação fica:

v = λ / T ou v = λ . 1/T ou ainda v = λ . f

- Amplitude: é a “altura” da onda, é a distância entre o eixo da onda até a crista. Quanto maior for a amplitude, maior será a quantidade de energia transportada.

Exemplos de ondas

Ondas oceânicas de superfície - que são perturbações que se propagam através da água (surf e tsunami).
Som - Uma onda mecânica que se propaga através dos gases, líquidos e sólidos, que é de uma freqüência detectada pelo sistema auditivo. Uma onda similar é a onda sísmica presente nos terremotos.
Luz, Ondas de Rádio, Raio X - são ondas eletromagnéticas. Neste caso a propagação é possível através do vácuo.

Propriedades características

Todas as ondas tem um comportamento comum em situações padrões. Todas as ondas tem as seguintes características:

Reflexão - Quando uma onda volta para a direção de onde veio, devido à batida em material reflexivo.
Refração - A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio. A velocidade da onda varia, pelo que o comprimento de onda também varia, mas a frequência permanece sempre igual, pois é característica da fonte emissora.
Difração - O espalhamento de ondas, por exemplo quando atravessam uma fenda de tamanho equivalente a seu comprimento de onda. Ondas com baixo comprimento de onda são facilmente difratadas.
Interferência- Adição ou subtração das amplitudes das ondas, depende da fase das ondas em que ocorre a superposição.
Dispersão - a separação de uma onda em outras de diferentes freqüências.
Vibração - Algumas ondas são produzidas através da vibração de objetos, produzindo sons. Exemplo: Cordas ( violão, violino, piano, etc.) ou Tubos ( órgão, flauta, trompete, trombone, saxofone, etc.)

Descrição física de uma onda

1

= Elementos de uma onda

2

= Distância

3

= Deslocamento

λ

= Comprimento de onda

γ

= Amplitude

Ondas podem ser descritas usando um número de variáveis, incluindo: freqüência, comprimento de onda, amplitude e período.

A amplitude de uma onda é a medida da magnitude de um distúrbio em um meio durante um ciclo de onda. Por exemplo, ondas em uma corda têm sua amplitude expressada como uma distância (metros), ondas de som como pressão (pascals) e ondas eletromagnéticas como a amplitude de um campo elétrico (volts por metro). A amplitude pode ser constante (neste caso a onda é uma onda contínua), ou pode variar com tempo e/ou posição. A forma desta variação é o envelope da onda.

O período é o tempo(T) de um ciclo completo de uma oscilação de uma onda. A freqüência (F) é período dividido por uma unidade de tempo (exemplo: um segundo), e é expressa em hertz. Veja abaixo:

$f=\frac{1}{T}$ .

Quando ondas são expressas matematicamente, a freqüência angular (ômega; radianos por segundo) é constantemente usada, relacionada com freqüência f em:

$f=\frac{\omega}{2 \pi}$

A equação universal da onda

A forma mais simples desta equação é:

$V = λ. f$

Em que:

V: Velocidade da onda
λ: Comprimento de onda (a letra do alfabeto grego λ chama-se "lambda", sendo equivalente fonético do "l" latino)
f: Frequência de onda

Objetivo do Experimento
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Lista de material

Duas molas.
Uma corda.
Uma bacia com água.
Uma régua grande

Objetivos:

Compreender o movimento de uma onda em um determinado meio e observar as características principais das ondas. Determinar a velocidade de uma onda na corda.

Procedimentos:

1.ONDAS EM UMA CORDA

Dois alunos um em cada ponta da corda, um segura uma extremidade fixa e o outro provoca ondulações transversais na corda. Nota-se que a perturbação vai de uma extremidade a outra da corda e retorna ao ponto de partida. Caso provocarmos mais de um tipo de perturbação perceberemos que ambos os pulsos vão e voltam ao ponto de partida. Quanto mais esticarmos a corda maior será a velocidade do pulso, e quanto mais relaxada estiver a corda menor será a velocidade do pulso na corda.
Na corda constatamos que é semelhante ao da mola, no entanto, como a corda é mais rígida que a mola a velocidade de propagação na corda é mais rápida que na mola.

2.ONDAS EM UMA MOLA

Na mola podemos provocar perturbações longitudinais, notamos que a velocidade também depende de quanto tencionamos a mola, e que o pulso vai de uma extremidade a outra e volta.

3.ONDAS NA ÁGUA

Na água, é possível produzir pulsos circulares ou pulsos retos, batendo em sua superfície com um dedo ou com uma régua.

QUESTÕES:

Conceitue uma onda.
Identifique uma crista e um vale em uma onda.
O que é um comprimento de onda?
Explique o que são ondas transversais e longitudinais.
Classificar quanto à natureza, direção de propagação e direção de vibração os três experimentos realizados.