Ondas e som
Surfar, falar ao telefone celular, ouvir música, tocar violão...
Será que existe um fenômeno físico comum a todas essas ações?
Provavelmente, você já ouviu, muitas vezes, a palavra “onda” ou palavras dela derivada. As ondas estão presentes na luz que ilumina o dia; no funcionamento do telefone celular, da TV, do rádio, do forno de microondas, na conversa dos seus amigos, na música que você ouve... Elas estão presentes em praticamente todos os lugares.
O que é uma onda?
Considere uma corda esticada, com uma das suas extremidades presa a uma parede e a outra segura por uma pessoa. Se a pessoa realizar um movimento rítmico de sobe-e-desce com a mão, fará com que uma onda se propague na corda esticada, como mostra o desenho.
Embora a onda se movimente da esquerda para a direita, a corda não se movimenta nesse sentido. Os diversos trechos da corda realizam apenas movimento de sobe-e-desce, mas a corda continua com uma onda presa à mão da pessoa e a outra ponta presa à parede. Em outras palavras, quando uma onda se propaga em uma corda ela não leva a corda consigo.
O conceito de onda
Ondas são perturbações regulares que se propagam, mas não transportam matéria. As ondas apenas transportam energia. A Ondulatória é a parte da física que estuda as ondas e os fenômenos relacionados a elas.
Tipos de ondas
As ondas que produzimos ao tocar as cordas de um violão ou as que se propagam em um lago onde atiramos uma pedra são chamadas de ondas mecânicas.
Ondas mecânicas são aquelas que precisam de um meio material para se propagar. As ondas do mar e as ondas que produzimos numa corda de violão, o som, são exemplos de ondas mecânicas.
Entretanto, nem todas as ondas precisam de um meio para a sua propagação. A luz, por exemplo, é uma onda emitida pelo Sol que se propaga até a Terra sem haver um meio material entre eles. Isso também ocorre com as ondas de rádio, as ondas de raio X e as ondas térmicas. Essas ondas denominadas ondas eletromagnéticas, propagam-se tanto na matéria quanto no vácuo, ou seja, em lugar sem matéria alguma.
As ondas se classificam em ondas mecânicas - aquelas que necessitam de um meio material para se propagar – e ondas eletromagnéticas – que não precisam de um meio material para se propagarem.
Freqüência de uma onda
Uma das características importantes de qualquer onda é a sua freqüência, o número de oscilações por unidade de tempo. A unidade mais comum usada internacionalmente para expressar a frequência de uma onda é o hertz, simbolizado por Hz, que equivale a uma oscilação por segundo.
Assim, por exemplo, dizer que a corda de um violino, colocada em vibração pelo músico, emite uma onda sonora de freqüência 440 Hz (lê-se 440 hertz), significa dizer que essa onda sonora produzida pelo instrumento realiza 440 oscilações a cada segundo.
Outros elementos de uma onda
A onda periódica é caracterizada por alguns elementos, que são:
- Cristas: os pontos mais altos de uma onda são as cristas.
- Vale: os pontos mais baixos de uma onda forma os vales.
- Amplitude: é a distância da posição da corda em repouso a uma crista ou a um vale.
- Comprimento de onda: é a distância entre duas cristas sucessivas ou dois vales sucessivos. Simbolizamos o comprimento de onda pela letra grega l.
- Período: é o tempo gasto para produzir uma oscilação completa (um ciclo), ou seja, é o tempo em que a fonte gera um ciclo de subida e um de descida.
- Freqüência: número de oscilações completas (ciclos) geradas por unidade de tempo (minuto, segundo etc.)
Em um mesmo meio de propagação, as ondas de maior comprimento terão a menor freqüência, e as de ondas de maior freqüência terão o menor comprimento de onda. |
Lembre-se! A amplitude e a freqüência de uma onda dependem do movimento que dá origem a essa onda (nos desenhos, o movimento das mãos que vibram a corda).
Relacionando período e freqüência
Se um fonte produz um vale e uma crista a cada dois segundos, o intervalo de tempo para um ciclo completo é 2 segundos; portanto, o período é 2s. Nesse caso, quantas oscilações completas (uma crista mais um vale) são geradas a cada segundo?
A resposta é meia oscilação, ou meio ciclo, gerada a cada 1s.
Portanto, o número de oscilações por segundo ou freqüência é 0,5 oscilação em um segundo. Assim, se denominarmos o período de T, e a freqüência de f, no nosso exemplo, teremos T = 2s e f = 0,5 ciclo por segundo.
Na linguagem matemática:
e
No Sistema Internacional de Medidas (SI), a unidade do período é o segundo, e a unidade da freqüência é o ciclo por segundo, denominado hertz (Hz).
Quando ouvimos dizer que o processador de um computador é de 2,1 gigahertz, isso significa que ele processa 2,1 bilhões de informações por segundo. Quando afirmamos que a freqüência de uma estação de rádio é de 99,7 megahertz, estamos dizendo que a onda de rádio correspondente a essa estação possui 99,7 milhões de oscilações por segundo.
A equação fundamental das ondas
Em um determinado meio, as ondas se propagam com certa velocidade. Ou seja, a velocidade de uma onda depende do meio em que ela se propaga. Por exemplo, as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo com a velocidade de 300 000 km em um único segundo!
Vamos relacionar a velocidade de propagação das ondas com elementos das ondas que já vimos: freqüência e período.
Já sabemos que, para uma determinada velocidade de propagação constante, ou seja, para uma onda se propagando sem mudar de meio, temos:
em que: v é a velocidade;
é a distância percorrida;
é o tempo.Como sabemos, sendo o período o tempo necessário para ser produzido um ciclo completo, e comprimento de onda a largura de uma crista mais um vale, podemos concluir que a onda percorre um comprimento de onda em um período.
em que:
é o comprimento de onda T é o período
f é a freqüência
Acompanhe a situação abaixo, em que relacionaremos a velocidade de propagação, a freqüência e período de uma onda.
Uma onda periódica produzida numa corda tem freqüência de 20 Hz e comprimento de onda de 2 m. Calcule a sua velocidade.
Portanto, a velocidade dessa onda é de 40 m/s
Como a velocidade de uma onda em um determinado meio é constante, podemos constatar que, se aumentarmos a freqüência, diminuirmos o comprimento de onda, e vice-versa.
Concluímos então que a freqüência e o comprimento de onda são grandezas inversamente proporcionais.
O espectro eletromagnético
O físico e médico inglês Thomas Young (1773-1829) fez seus experimentos sobre a natureza da luz acreditando que ela, de forma semelhante ao som, se propagava em ondas.
No entanto, foi o físico e engenheiro francês Augustin Fresnel (1788-1827) quem demonstrou esse fato.
Já vimos que as ondas podem ser mecânicas ou eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas diferem entre si quanto à freqüência. Portanto, podemos organizá-las numa seqüência ordenada no sentido crescente das freqüências. Essa seqüência é chamada espectro eletromagnético.
No espectro eletromagnético, quanto mais seguimos a direita, maior a freqüência e menor o comprimento de onda.
Cada região desse espectro corresponde a ondas que apresentam determinada faixa de freqüência e possui aplicações distintas. As ondas de luz, por exemplo, ocupam determinada região desse espectro.
Como freqüência e comprimento de onda são grandezas inversamente proporcionais, podemos apresentar o mesmo espectro eletromagnético indicando o sentido crescente das freqüências e o sentido decrescente dos comprimentos de onda. O meio considerado é o vácuo, em que a velocidade da luz é 300 000 km/s.
Como já vimos, quando essas ondas se propagam no vácuo, elas se propagam com a velocidade de 300 000 Km/s. De acordo com a Teoria de Relatividade, de Einstein, esta é a maior velocidade que pode ser alcançada na natureza.
As velocidades das ondas eletromagnéticas em outros meios terá um valor distinto de seu valor do vácuo, e sempre menor que ele.
O som
Você sabe o que é o som?
Quando você fala, as pessoas que estão em variadas posições próximas a você geralmente podem ouvi-lo. Você pode experimentar ficar no meio do pátio da escola, dar um grito e verificar a localização de quem escutou o seu grito.
Esse “espalhamento” do som ocorre porque o som é uma onda que se propaga de forma semelhante àquelas que se formam na superfície lisa de um lago quando uma pedra cai ali. A grande diferença é que se propaga no espaço, em todas as direções.
A produção do som está relacionada com as vibrações de materiais: ao falarmos vibramos as nossas cordas vocais; vibramos as cordas de um violão ao tocá-lo, a “pele” de um tambor é vibrada quando a batucamos, etc.
Das fontes sonoras até as nossas orelhas as vibrações produzem ondas que se propagam no meio material: sólido, líquido e gasoso.
O som movimenta as moléculas de ar e estas batem uma nas outras, transferindo, dessa forma, sua energia para outra molécula. As vibrações transmitidas são chamadas de ondas sonoras.
As ondas sonoras são ondas mecânicas. O som precisa do meio (a, água, etc.) para ser produzido. Para além da atmosfera, no espaço, o silêncio é absoluto, porque no vácuo (onde não há matéria) o som não se propaga.
Todo corpo capaz de oscilar ou vibrar tem a sua freqüência natural de vibração. Isso acontece porque o corpo é constituído por moléculas que vibram. Essas moléculas vibrando em conjunto determinam uma freqüência natural de vibração do corpo.
Uma vara de bambu, um copo, uma ponte. Todos os corpos têm a sua freqüência natural de vibração.
Agora, imagine o que acontecerá se, próximo a esses corpos, for emitido um som exatamente na freqüência natural de vibração do corpo? A amplitude de vibração das moléculas vai aumentando, aumentando, aumentando... E temos a ressonância.
O que acontece com o corpo ao entrar em ressonância? Se for uma estrutura rígida vai acabar rachando!
A ressonância é responsável pela sintonia das estações de rádio e pelo aquecimento dos alimentos no forno de microondas: as moléculas do alimento entram em ressonância com as microondas, aumentando a sua agitação térmica e, portanto, sua temperatura.
Velocidade do som
A propagação do som não é instantânea. Podemos verificar esse fato durante as tempestades: o trovão chega aos nossos ouvidos segundos depois do relâmpago, embora ambos os fenômenos (relâmpago e trovão) se formem ao mesmo tempo. (A propagação da luz, neste caso o relâmpago, também não é instantânea, embora sua Velocidade seja superior à do som.)
Assim, o som leva algum tempo para percorrer determinada distância. Além disso, a velocidade de sua propagação depende do meio em que ele se propaga e da temperatura em que esse meio se encontra.
No ar, a temperatura de 15ºC a velocidade do som é de cerca de 340m/s. Essa Velocidade varia em 55cm/s para cada grau de temperatura acima de zero. A 20ºC, a Velocidade do som é 342m/s, a 0ºC, é de 331m/s.
Na água a 20ºC, a velocidade do som é de aproximadamente 1130m/s. Nos sólidos, a velocidade depende da natureza das substâncias.
Qualidades fisiológicas do som
A todo instante distinguimos os mais diferentes sons. Essa diferenças que nossos ouvidos percebem se devem às qualidades fisiológicas do som: altura, intensidade e timbre.
Altura – mesmo sem conhecer música, é fácil distinguir o som agudo (ou fino) de um violino do som grave (ou grosso) de um violoncelo. Essa qualidade que permite distinguir um som grave de um som agudo se chama altura.
Assim, costuma-se dizer que o som do violino é alto e o do violoncelo é baixo. A altura de um som depende da freqüência, isto é, do número de vibrações por segundo. Quanto maior a freqüência mais agudo é o som e vice versa. Por sua vez, a freqüência depende do comprimento do corpo que vibra e de sua elasticidade. Quanto maior a atração e mais curta for uma corda de violão, por exemplo, mais agudo será o som por ela emitido.
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Você pode constatar também a diferença de freqüências usando um pente que tenha dentes finos e grossos. Passando os dentes do pente na ponta de um cartão você ouvirá dois tipos de som emitidos pelo cartão: o som agudo, produzido pelos dentes finos (maior freqüência), e o som grave, produzido pelos dentes mais grossos (menor freqüência).
Você pode constatar também a diferença de freqüências usando um pente que tenha dentes finos e grossos. Passando os dentes do pente na ponta de um cartão você ouvirá dois tipos de som emitidos pelo cartão: o som agudo, produzido pelos dentes finos (maior freqüência), e o som grave, produzido pelos dentes mais grossos (menor freqüência).
Intensidade – é a qualidade que permite distinguir um som forte de um som fraco. Ele depende da amplitude de vibração: quanto maior a amplitude mais forte é o som e vice versa.
Na prática não se usa unidades de intensidade sonora, mas de nível de intensidade sonora, uma grandeza relacionada à intensidade sonora e à forma como o nosso ouvido reage a essa intensidade. Essas unidades são o bel e o seu submúltiplo o decibel (dB), que vale 1 décimo do bel.
Na prática não se usa unidades de intensidade sonora, mas de nível de intensidade sonora, uma grandeza relacionada à intensidade sonora e à forma como o nosso ouvido reage a essa intensidade. Essas unidades são o bel e o seu submúltiplo o decibel (dB), que vale 1 décimo do bel.
O ouvido humano é capaz de suportar sons de até 120dB, como é o da buzina estridente de um carro. O ruído produzido por um motor de avião a jato a poucos metros do observador produz um som de cerca de 140dB, capaz de causar estímulos dolorosos ao ouvido humano.
A agitação das grandes cidades provocam a chamada poluição sonora composta dos mais variados ruídos: motores e buzinas de automóveis, martelos de ar comprimido, rádios, televisores e etc. Já foi comprovado que uma exposição prolongada a níveis maiores que 80dB pode causar dano permanente ao ouvido. A intensidade diminui à medida que o som se propaga ou seja, quanto mais distante da fonte, menos intenso é o som.
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Timbre – imagine a seguinte situação: um ouvinte que não entende de música está numa sala, ao lado da qual existe outra sala onde se encontram um piano e um violino. Se uma pessoa tocar a nota dó no piano e ao mesmo tempo outra pessoa tocar a nota dó no violino, ambas com a mesma força os dois sons terão a mesma altura (freqüência) e a mesma intensidade. Mesmo sem ver os instrumentos, o ouvinte da outra sala saberá distinguir facilmente um som de outro, porque cada instrumento tem seu som caracterizado, ou seja, seu timbre.
Podemos afirmar, portanto, que timbre é a qualidade que nos permite perceber a diferença entre dois sons de mesma altura e intensidade produzidos por fontes sonoras diferentes.
Podemos afirmar, portanto, que timbre é a qualidade que nos permite perceber a diferença entre dois sons de mesma altura e intensidade produzidos por fontes sonoras diferentes.
