Física Ondulatória

Movimento Harmômico Simples (MHS)

Um fenômeno é periódico quando se repete, identicamente, em intervalos de tempo iguais. O período T é o menor intervalo de tempo para uma repetição deste fenômeno.

Um oscilador harmônico efetua um movimento periódico, cujo intervalo é T para cada repetição do fenômeno realizado. Para este tipo de fenômeno alem de T é considerado um outro tipo de grandeza que é a freqüência f, que é o número de vezes que um movimento é repetido em um determinado intervalo de tempo.

Assim podemos verificar que fT = 1 , assim : f = 1/T ou T = 1/f

A unidade de T é segundos e de f é 1/segundo que é denominado hertz (Hz).

Diz-se que um corpo está em MHS quando, em uma determinada trajetória, oscila periodicamente em torno de uma posição de equilíbrio.

Observe a figura: Um corpo sob uma superfície sem atrito preso a uma mola ideal. Posto a oscilar com uma amplitude de módulo A, assim indo de – A até A.


1 – Inicialmente a mola está em repouso sendo que a energia potencial do corpo é zero e a cinética é máxima. Sua velocidade é máxima e sua aceleração é zero.

2 – O corpo está com amplitude A, com energia potencial máxima e cinética zero. Sua velocidade é zero e sua aceleração é mínima. ( Note que a força está sendo dirigida para o sentido negativo.)

3 – O corpo está com sua amplitude em – A, com energia potencial máxima e cinética zero. Sua velocidade é zero e sua aceleração é máxima. ( Note que a força está sendo dirigida para o sentido   positivo.)

4 – Para configurar o MHS o corpo retorna à sua posição inicial com todas suas características.

No caso de um corpo preso a uma mola podemos demonstrar como calcular o período do movimento.

Seja F = – kx e k = mw2 , como w =

Encontramos que onde m é a massa do corpo e k é a constante elástica da mola.

Vale salientar que o período T só depende da massa do corpo e da constante eslástica da mola.

Ondas

Onda se propagando na superfície de um lago

No estudo da física, onda é uma perturbação que se propaga no espaço ou em qualquer outro meio, como, por exemplo, na água. Uma onda transfere energia de um ponto para outro, mas nunca transfere matéria entre dois pontos. As ondas podem se classificar de acordo com a direção de propagação de energia, quanto à natureza das ondas e quanto à direção de propagação.

Quanto à direção de propagação de energia, as ondas se classificam da seguinte forma:
Unidimensionais: propagam-se em uma única dimensão;
Bidimensionais: propagam-se num plano;
Tridimensionais: propagam-se em todas as direções.

Quanto à natureza, as ondas se classificam em:
Ondas mecânicas: são aquelas que necessitam de um meio material para se propagar como, por exemplo, onda em uma corda ou mesmo as ondas sonoras;
Ondas eletromagnéticas: são aquelas que não necessitam de meio material para se propagar, elas podem se propagar tanto no vácuo (ausência de matéria) como também em certos tipos de materiais. São exemplos de ondas eletromagnéticas: a luz solar, as ondas de rádio, as micro-ondas, raios X, entre muitas outras.

Quanto à direção de propagação, as ondas se classificam em:
Ondas transversais: são aquelas que têm a direção de propagação perpendicular à direção de vibração como, por exemplo, as ondas eletromagnéticas.
Ondas longitudinais: nessas ondas a direção de propagação se coincide com a direção de vibração. Nos líquidos e gases a onda se propaga dessa forma.

Acústica


A área da Física que estuda o som é chamada de Acústica. Para entende-la melhor precisamos relembrar alguns conceitos:



Onda: é a variação periódica de uma grandeza física. Uma onda é composta por:

Crista: Pontos de maior intensidade, o topo da onda.
Vale: Pontos de menor intensidade da onda.
Nível Médio: Pontos entre o as Cristas e os Vales.

A distância entre a crista ou o vale e o nível médio é chamada amplitude (y). Já a distância entre duas cristas consecutivas ou dois vales consecutivos é chamada de comprimento de onda (λ).

Onde:

λ – Comprimento
y – Amplitude

O tempo que uma oscilação leva para se repetir é chamado período (T), medido em segundos(s). A frequência (f) significa quantas vezes uma oscilação se repete por unidade de tempo, medida em Hertz (Hz). Dessa forma:

f = 1/t

O Som é uma onda mecânica que possui a intensidade e frequência necessárias para ser percebida pelo ser humano. Entendemos como onda mecânica uma onda que precisa de meios materiais, como o ar ou o solo, para se propagar. As frequências audíveis pelo ouvido humado ficam entre 16 Hz e 20000Hz (20kHz). Dentro desta faixa a encontram-se a voz humana, instrumentos, musicais, alto-falantes, etc.

Abaixo de 16Hz temos os infra-sons, produzidos por vibrações da água em grandes reservatórios, batidas do coração, etc.

Acima de 20kHz estão os ultra-sons emitidos por alguns animais e insetos (morcegos, grilos, gafanhotos…), sonares, aparelhos médicos e industriais.

Os dispositivos que produzem ondas sonoras são chamados de fontes sonoras. Entre os que mais se destacam estão aqueles compostos por:
Cordas vibrantes como violão o piano, as cordas vocais etc.
Tubos sonoros como órgão flauta, clarineta.
Membranas e placas vibrantes tal como o tambor
Hastes vibrantes como o diapasão, triangulo, etc.

Podemos caracterizar os sons a partir de sua intensidade, altura ou timbre.

A intensidade está ligada à quantidade de energia transportada pelo som. Desta forma, conforme a intensidade do som dizemos que ele é mais forte (a onda possui maior amplitude) ou mais fraca (a onda possui menor amplitude).

A altura está relacionada com a freqüência do som. Assim distinguimos os sons mais altos como os de maior frequência (mais agudos) e os mais baixos como os de menor frequência (mais graves). As notas musicais buscam agrupar diferentes freqüências sonoras produzidas por um instrumento.

O timbre corresponde ao conjunto de ondas sonoras que formam um som. O timbre permite diferenciar diferentes fontes sonoras, por exemplo é fácil perceber que o som de uma guitarra e de uma flauta são completamente diferentes.

A velocidade do som no ar é de 340 m/s. A fórmula que relaciona velocidade, amplitude e frequência sonora é:

V = λ . f

LINK DAS PERGUNTAS:
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