Movimento das ondas: características, tipos de ondas, exemplos - Ciência - 2023

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o movimento ondulatório Consiste na propagação de uma perturbação, denominada onda, em um meio material ou mesmo no vácuo, se é luz ou qualquer outra radiação eletromagnética.

A energia viaja no movimento das ondas, sem que as partículas do meio se afastem muito de suas posições, pois a perturbação apenas as faz oscilar ou vibrar continuamente em torno do local de equilíbrio.

E essa vibração é aquela que é transmitida de uma partícula a outra no meio, no que é conhecido como onda mecânica. O som se propaga desta forma: uma fonte alternadamente comprime e expande as moléculas de ar, e a energia que viaja dessa maneira é, por sua vez, responsável por fazer o tímpano vibrar, uma sensação que o cérebro interpreta como som.


No caso da luz, que não precisa de meio material, é a oscilação dos campos elétricos e magnéticos que se transmite.

Como podemos perceber, dois dos fenômenos mais importantes para a vida: luz e som, possuem movimento ondulatório, daí a importância de saber mais sobre seu comportamento.

Características do movimento das ondas

As ondas têm vários atributos característicos que podemos agrupar de acordo com sua natureza:

  • Características espaciais, que se referem à forma.
  • Características temporais ou de duração.

Vejamos uma representação esquemática de uma onda simples como uma sucessão periódica de picos e vales. O desenho representa pouco mais que um ciclo ou o que é igual: uma oscilação completa.

Características espaciais das ondas

Esses elementos são comuns a todas as ondas, incluindo luz e som.


  • Crista: a posição mais alta.
  • Vale: o mais baixo.
  • Nó: ponto em que a onda cruza a posição de equilíbrio. Na figura, é a linha segmentada ou eixo horizontal.
  • Comprimento de onda: denotado pela letra grega λ (lambda) é a distância entre duas cristas sucessivas, ou seja, entre um ponto e outro que tem a mesma altura, mas do próximo ciclo.
  • Alongamento: é a distância vertical entre um ponto na onda e a posição de equilíbrio.
  • Amplitude: é o alongamento máximo.

Características temporais das ondas

  • Período, tempo que dura um ciclo completo.
  • Frequência: número de ondas produzidas por unidade de tempo. É o inverso ou recíproco do período.
  • Rapidez: é definido como o quociente entre o comprimento de onda e o período. Se for denotado como v, na forma matemática esta relação é:

v = λ / T


Tipos de onda

Existem diferentes tipos de ondas, uma vez que são classificadas de acordo com vários critérios, por exemplo, podem ser classificadas de acordo com:

  • A direção em que a perturbação está levando.
  • O meio em que se espalham.
  • A direção na qual as partículas no meio oscilam.

Uma onda pode ser de vários tipos ao mesmo tempo, como veremos a seguir:

- Ondas de acordo com a oscilação do meio

As partículas que compõem o meio têm a capacidade de responder de várias formas à perturbação, desta forma surgem:

Ondas transversais

As partículas do meio oscilam em uma direção perpendicular à da perturbação. Por exemplo, se temos uma corda esticada horizontal que é perturbada em uma extremidade, as partículas oscilam para cima e para baixo, enquanto a perturbação viaja horizontalmente.

As ondas eletromagnéticas também viajam dessa maneira, quer o façam em um meio material ou não.

Ondas longitudinais

A propagação viaja na mesma direção que as partículas no meio. O exemplo mais conhecido é o som, no qual a perturbação do ruído comprime e expande o ar à medida que se move através dele, fazendo com que as moléculas se movam para frente e para trás de um lado para o outro.

- Ondas de acordo com o meio em que se propagam

Ondas mecânicas

Eles sempre requerem um meio material para se propagar, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. O som também é um exemplo de onda mecânica, assim como as ondas que se produzem nas cordas tensas dos instrumentos musicais e aquelas que se propagam pelo globo: as ondas sísmicas.

Ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas podem se propagar no vácuo. Não existem partículas oscilantes, mas campos elétricos e magnéticos que são mutuamente perpendiculares e, ao mesmo tempo, perpendiculares à direção de propagação.

O espectro de frequências eletromagnéticas é muito amplo, mas dificilmente percebemos com nossos sentidos uma estreita faixa de comprimentos de onda: o espectro visível.

- Ondas de acordo com a direção de propagação

Dependendo da direção de propagação, as ondas podem ser:

  • Unidimensional
  • Bidimensional
  • Tridimensional

Se tivermos uma corda esticada, a perturbação percorre todo o comprimento, ou seja, em uma dimensão. Também ocorre quando uma mola ou mola flexível, como a furtivo.

Mas existem ondas que se movem em uma superfície, como a superfície da água quando uma pedra é lançada em um lago ou aquelas que se propagam na crosta terrestre, neste caso falamos de ondas bidimensionais.

Finalmente, existem ondas viajando continuamente em todas as direções no espaço, como som e luz.

- Ondas de acordo com sua extensão

As ondas podem viajar por grandes áreas, como ondas de luz, som e ondas sísmicas. Em vez disso, outros estão limitados a uma região menor. É por isso que também são classificados como:

- Ondas de viagem

Ondas em pé.

Ondas viajantes

Quando uma onda se propaga de sua fonte e não retorna a ela, você tem uma onda viajante. Graças a eles ouvimos o som de uma música que vem de uma sala vizinha e a luz do sol chega até nós, que deve viajar 150 milhões de quilômetros no espaço para iluminar o planeta. Ele faz isso a uma velocidade constante de 300.000 km / s.

Ondas estacionárias

Ao contrário das ondas viajantes, as ondas estacionárias se movem em uma região limitada, por exemplo, uma perturbação na corda de um instrumento musical como uma guitarra.

Ondas harmônicas

As ondas harmônicas são caracterizadas por serem cíclicas ou periódicas. Isso significa que a perturbação se repete a cada certo intervalo de tempo constante, denominado período da onda.

As ondas harmônicas podem ser modeladas matematicamente usando as funções seno e cosseno.

Ondas não periódicas

Se a perturbação não se repetir a cada certo intervalo de tempo, a onda não é harmônica e sua modelagem matemática é muito mais complexa do que a das ondas harmônicas.

Exemplos de movimento das ondas

A natureza nos apresenta exemplos de movimento das ondas o tempo todo, às vezes isso é óbvio, às vezes não, como no caso da luz: como sabemos que ela se move como uma onda?

A natureza ondulatória da luz foi debatida durante séculos. Assim, Newton estava convencido de que a luz era um fluxo de partículas, enquanto Thomas Young, no início do século 19, mostrava que ela se comportava como uma onda.

Finalmente, cem anos depois, Einstein afirmou, para a tranquilidade de todos, que a luz era dual: onda e partícula ao mesmo tempo, dependendo se se estudava sua propagação ou como ela interage com a matéria.

A propósito, o mesmo acontece com os elétrons no átomo, eles também são entidades duais. Eles são partículas, mas também experimentam fenômenos exclusivos das ondas, como a difração, por exemplo.

Agora vamos dar uma olhada em alguns exemplos diários de movimento de onda óbvio:

O Pier

Uma mola suave, primavera ou furtivo Consiste em uma mola helicoidal com a qual as ondas longitudinais e transversais podem ser visualizadas, dependendo da forma como é perturbada em uma de suas extremidades.

As cordas de instrumentos musicais

Ao pressionar um instrumento como um violão ou harpa, você observa as ondas estacionárias indo e voltando entre as pontas da corda. O som da corda depende de sua espessura e da tensão a que está submetida.

Quanto mais apertada a corda, mais facilmente uma perturbação se espalha por ela, assim como quando a corda é mais fina. Pode-se mostrar que o quadrado da velocidade da onda v2 É dado por:

v2 = T / μ

Onde T é a tensão na corda e μ é sua densidade linear, ou seja, sua massa por unidade de comprimento.

A voz

Temos as cordas vocais, com as quais os sons são emitidos para comunicação. Sua vibração é percebida colocando os dedos na garganta ao falar.

As ondas do mar

Eles se propagam em corpos oceânicos na fronteira entre a água e o ar e são causados ​​pelos ventos, que fazem com que pequenas porções de líquido se movam para frente e para trás.

Essas oscilações são amplificadas pela ação de várias forças além do vento: atrito, tensão superficial no líquido e a sempre presente força da gravidade.

Ondas sísmicas

A Terra não é um corpo estático, pois nela ocorrem distúrbios que se propagam pelas diferentes camadas. Eles são percebidos como tremores e, ocasionalmente, quando carregam muita energia, como terremotos capazes de causar muitos danos.

A estrutura do átomo

As teorias atômicas modernas explicam a estrutura do átomo por meio de uma analogia com as ondas estacionárias.

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Uma onda sonora tem comprimento de onda igual a 2 cm e se propaga a uma taxa de 40 cm em 10 s.

Calcular:

a) Sua velocidade

a) O período

b) A frequência

Solução para

Podemos calcular a velocidade da onda com os dados fornecidos, pois ela se propaga a uma taxa de 40 cm em 10 s, portanto:

v = 40 cm / 10 s = 4 cm / s

Solução b

Anteriormente, a relação entre velocidade, comprimento de onda e período era estabelecida como:

v = λ / T

Portanto, o período é:

T = λ / v = 2 cm / 4 cm / s = 0,5 s.

Solução c

Uma vez que a frequência é o inverso do período:

f = 1 / T = 1 / 0,5 s = 2 s-1

O inverso de um segundo ou s-1 É chamado de Hertz ou hertz e abreviado como Hz. Foi concedido em homenagem ao físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894), que descobriu como produzir ondas eletromagnéticas.

Exercício 2

Uma corda é esticada sob a ação de uma força de 125 N. Se sua densidade linear μ for 0,0250 kg / m, qual será a velocidade de propagação de uma onda?

Solução

Anteriormente, vimos que a velocidade depende da tensão e da densidade linear da corda como:

v2 = T / μ

Portanto:

v2 = 125 N / 0,0250 kg / m = 5000 (m / s)2

Calculando a raiz quadrada deste resultado:

v = 70,7 m / s

Referências

  1. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
  2. Hewitt, Paul. 2012. Ciência Física Conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
  3. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1. Pearson.
  4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
  5. Tipler, P. (2006) Physics for Science and Technology. 5ª Ed. Volume 1. Editorial Reverté.