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1 ONDULATÓRIA Chamamos de ondulatória a parte da física que é responsável por estudar as características e propriedades em comum dos movimentos das ondas. Podemos classificar como uma onda, qualquer perturbação ou vibração em um meio específico. As ondas produzem diversos movimentos, já que elas são formas de transmissão de energia (mecânica ou eletromagnética), como por exemplo, o movimento que ocorre quando lançamos uma pedra dentro de um rio. Também existem ondas que não podemos observar a olho nu, como, por exemplo, ondas de rádio, ondas de televisão, ondas ultravioleta e micro-ondas. Além destas, existem alguns tipos de ondas que conhecemos bem, mas que não identificamos normalmente, como a luz e o som. Mas o que elas têm em comum é que todas são energias propagadas através de um meio, e este meio não acompanha a propagação. A onda não é capaz de se originar sozinha, visto que ela apenas faz a transferência de energia cinética de uma fonte. Portanto, fonte é o objeto ou meio capaz de criar uma onda. As ondas podem ser classificadas segundo a natureza, o tipo de vibração e quanto à direção da propagação. Conforme sua natureza as ondas são classificadas em: Ondas Mecânicas: são ondas que necessitam de um meio material para se propagar, ou seja, sua propagação envolve o transporte de energia cinética e potencial e depende da elasticidade do meio. Por isto não é capaz de propagar-se no vácuo. Alguns exemplos são os que acontecem em molas e cordas, sons e em superfícies de líquidos. Ondas Eletromagnéticas: são ondas geradas por cargas elétricas oscilantes e sua propagação não depende do meio em que se encontram, podendo propagar-se no vácuo e em determinados meios materiais. Alguns exemplos são as ondas de rádio, de radar, os raios x e as micro-ondas. Todas as ondas eletromagnéticas têm em comum a sua velocidade de propagação no vácuo, próxima a km/s, que é equivalente a km/h. Curiosidade: Por que as ondas do mar quebram? Pagina: 1

2 Sabendo que as ondas em geral têm como característica fundamental propagar energia sem que haja movimentação no meio, como explica-se o fenômeno de quebra das ondas do mar, causando movimentação de água, próximo à costa? Em águas profundas as ondas do mar não transportam matéria, mas ao aproximar-se da costa, há uma brusca diminuição da profundidade onde se encontram, provocando a quebra destas ondas e causando uma movimentação de toda a massa de água e a formação de correntezas. Após serem quebradas, as ondas do mar deixam de comportar-se como ondas. Quanto a direção de propagação as ondas são classificadas como: Unidimensionais: que se propagam em apenas uma direção, como as ondas em cordas e molas esticadas; Bidimensionais: são aquelas que se propagam por uma superfície, como as água em um lago quando se joga uma pedra; Tridimensionais: são capazes de se propagar em todas as dimensões, como a luz e o som. Quanto à direção da vibração as ondas podem ser classificadas como: Transversais: são as que são causadas por vibrações perpendiculares à propagação da onda, como, por exemplo, em uma corda: Longitudinais: são ondas causadas por vibrações com mesma direção da propagação, como as ondas sonoras. Componentes de uma onda Todas as ondas possuem certas características. Em uma onda, o ponto mais alto é chamado de crista e o ponto mais baixo é chamado de vale, como podemos ver na figura abaixo. Pagina: 2

3 Sendo A a amplitude da onda que é a distância entre a parte mais baixa (vale) e a parte mais alta (crista) da onda, ou seja, a altura da onda. O denominado comprimento da onda, é o tamanho da onda. Esse comprimento pode ser medido de crista a crista (parte mais alta da onda), do início ao fim ou de vale a vale (parte mais baixa da onda). A crise da onda é denominada pela letra grega lambda (λ). A onda também possui um período e frequência. Período é o tempo que a fonte precisa para gerar uma onda completa. A frequência representa o grau de oscilação dos pontos do meio no qual a onda se propaga. A frequência de uma onda é medida em Hz (hertz), que equivale a 1 segundo. Portanto, se a frequência é de 75 Hz, podemos afirmar que a onda oscila 75 vezes por segundo. Outro fator importante é que o valor da frequência sempre é igual ao valor da fonte. Portanto, o período e a frequência são relacionados por: A unidade internacionalmente utilizada para a frequência é Hertz (Hz) sendo que 1Hz equivale à passagem de uma crista ou de um vale em 1 segundo. Velocidade de propagação das ondas Como não transportam matéria em seu movimento, é previsível que as ondas se desloquem com velocidade contínua, logo estas devem ter um deslocamento que valide a expressão: Que é comum aos movimentos uniformes, mas conhecendo a estrutura de uma onda: Pagina: 3

4 Podemos fazer que ΔS = λ e que Δt = T Assim: Sendo esta a equação fundamental da Ondulatória, já que é válida para todos os tipos de onda. É comum utilizar-se frequências na ordem de khz (1quilohertz = 1000Hz) e de MHz (1megahertz = Hz) Exemplo: Qual a frequência de ondas, se a velocidade desta onde é de 195m/s, e o seu comprimento de onda é de 1cm? 1cm=0,01m Fenômenos ondulatórios Quando uma onda se propaga e encontra certo meio, como um obstáculo ou uma superfície que separa duas regiões, esta interage com ele, o que gera alguns comportamentos específicos. Estes são chamados fenômenos ondulatórios, tema de física importante para o Enem. Falaremos sobre eles a seguir, mas, para isso, teremos que definir duas representações geométricas das ondas: a frente de onda e o raio de onda. Chamamos de frente de onda o conjunto de pontos que separa a região já atingida pela onda da região ainda não atingida. Raio de onda é uma linha que representa a direção de propagação da onda em certo ponto. Pagina: 4

5 Reflexão A reflexão acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e retorna, se propagando no mesmo meio anterior. Desta forma, não há alteração na velocidade de propagação (que só depende do meio), nem na frequência (que só depende da fonte). Assim, o comprimento de onda da onda incidente é igual ao comprimento de onda da onda refletida. Na reflexão, o ângulo θ i formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de direção NORMAL, é idêntico ao ângulo θ r formado pela direção normal e pelo raio refletido. Assim: θ i = θ r No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a reflexão pode gerar dois efeitos diferentes. Se a extremidade da corda estiver fixa, o ponto da corda que está presa ao obstáculo tentará mover o obstáculo para cima. Pela Terceira Lei de Newton, Pagina: 5

6 sofrerá a ação de uma força para baixo, o que fará inverter a orientação da perturbação. Dizemos que, nesse caso, houve inversão da fase da onda. Se as extremidades estiverem livres, esta força não atua e o pulso retorna normalmente. Refração A refração acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e a atravessa, passando a se propagar no outro meio. Desta forma, há alteração na velocidade de propagação (já que esta só depende do meio), o que gera uma alteração no comprimento de onda, mas sem que haja alteração na frequência. Isso vem acompanhado, na maioria dos casos, de uma alteração na direção de propagação da onda. É essa alteração que explica o porquê as ondas do mar chegam sempre de frente à costa, mesmo sendo esta toda recortada. Se observarmos o oceano de cima, de um ponto mais elevado numa costa, veremos o padrão horizontal de cristas de onda que se aproximam dela. Mas, independentemente da direção das quais as ondas venham, elas acabam chegando à costa numa direção quase perpendicular a ela. Isso acontece porque a profundidade do mar diminui à medida em que a onda se aproxima da costa, alterando a velocidade de propagação das ondas. Pagina: 6

7 Na refração, o ângulo θ1 formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de direção NORMAL, possui uma relação com o ângulo θ2 formado pela direção normal e pelo raio refratado. Essa relação é chamada de Lei de Snell-Descartes: No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a refração pode acontecer quando unimos duas cordas de diferentes densidades, por exemplo. É bom lembrar que a velocidade de propagação é maior na corda menos densa. Se o pulso se propaga da corda menos densa para a mais densa, a segunda corda se comporta como um ponto fixo para a primeira, e o pulso refletido sofre inversão de fase. Se o pulso se propaga da corda mais densa para a menos densa, a segunda corda se comporta como um ponto livre para a primeira, e o pulso refletido não sofre inversão de fase. Difração Quando uma frente de onda encontra um obstáculo, este reflete parte da energia da onda e transmite outra parte. Mas, se tivermos uma porção da frente de onda desobstruída, os pontos dessa frente de onda se comportam como pequenas fontes Pagina: 7

8 pontuais de onda, gerando ondas do outro lado do obstáculo e que tendem a se espalhar do outro lado. Esse fenômeno chama-se difração, e esse princípio recebe o nome de Princípio de Huygens. É por isso que conseguimos escutar um som emitido de um lado de um muro, mesmo estando do outro lado. É claro que podemos ter uma pequena parcela de energia atravessando o muro, mas a maioria dessa energia chega até nós graças à difração. É importante ressaltar uma coisa: a difração, assim como os outros fenômenos ondulatórios, é mais intensa quando o comprimento de onda tem valor próximo ou maior do que as dimensões dos objetos utilizados para a observação. É por isso que, ao longo do dia-a-dia, não notamos a luz como uma onda: o comprimento médio de onda da luz é da ordem de 0,0005 mm! Não temos objetos ao nosso redor com essas dimensões. Polarização e Ressonância Polarizar uma onda significa orientá-la em uma única direção ou plano através da passagem em um dado meio, chamado de polarizador. Somente ondas transversais podem ser polarizadas!). Pagina: 8

9 A luz solar não tem uma direção específica de polarização. Cada onda eletromagnética que sai do sol pode vibrar em uma direção diferente. Neste caso, dizemos que a luz é não polarizada. Quando a luz solar é refletida, pode ser polarizada em uma direção específica. As lentes polarizadas de óculos escuros podem barrar a passagem dessa luz, diminuindo a sensação de ofuscamento causada pelas superfícies que refletem a luz. Ressonância Sistemas físicos, como sólidos, por exemplo, devido à sua estrutura atômica ou molecular, possuem uma vibração própria graças a efeitos térmicos ou externos. Quando uma vibração externa, com frequência próxima ou igual à frequência natural de vibração de um sistema, é emitida na direção deste, o sistema absorve fortemente a energia dessa onda, aumentando a amplitude de suas vibrações. Neste caso, dizemos que o sistema está em ressonância. É graças a isso que é possível estourar uma taça de cristal apenas com a voz. Ao emitirmos um som com frequência próxima ao valor natural do cristal, ele entra em ressonância e não suporta o aumento da vibração, quebrando. É também por isso que escutamos o som de um violão: a madeira da caixa do violão entra em ressonância graças à vibração das cordas, fazendo o ar retido dentro da caixa também vibrar, aumentando a intensidade do som. Pagina: 9