Ondas: introdução, elementos e velocidade de propagação
Ondas
As ondas possuem diversas aplicações em nosso cotidiano. Elas estão presentes em tudo que enxergamos, em nossas conversas cotidianas e nas músicas que ouvimos, nos sinais de televisão e celular e na internet Wi-Fi, além de diversas outras situações.
Na verdade, boa parte das ondas presentes em nosso dia a dia não podem ser vistas. Mas, o que são as ondas?
O que é uma onda?
Vamos tomar um exemplo simples: consideremos uma corda presa em uma extremidade e tensionada.
Quando realizamos um movimento rápido para cima e para baixo na corda, produzimos uma perturbação que se propaga pela corda. Essa perturbação é chamada de pulso.
Se continuarmos produzindo esse movimento, estaremos produzindo uma ondana corda.
Os pulsose a ondafornecem energia aos pontos da corda, fazendo com que eles subam e desçam, mas não os tiram do lugar (eles não acompanham o movimento da onda).
Logo, as ondas são perturbações que se propagam, transportando energia sem transportar matéria.
Natureza das ondas – mecânicas e eletromagnéticas
De acordo com sua natureza, ou seja, suas características físicas, as ondas podem ser classificadas em dois grupos: ondas mecânicas e ondas eletromagnéticas. Vejamos um exemplo de cada caso abaixo e, em seguida, veremos a diferença entre elas.
Onda mecânica Onda eletromagnética
Ondas mecânicas
São ondas que, para se propagarem, precisam de um meio material (partículas). Ondas mecânicas não se propagam no vácuo.
É o caso das ondas em cordas, ondas na água, ondas em molas, do som, dos abalos sísmicos (terremotos), etc.
Ondas no mar
Na região do alto-mar, as ondas na água de fato se comportam fisicamente como ondas, pois apenas energia é transportada, sem transporte de matéria.
As ondas do mar deixam de se comportar como ondas, cientificamente falando, quando se aproximam da costa.
Próximo à costa, há uma súbita diminuição de profundidade, que faz com que a onda “quebre”, movendo uma grande massa de água e provocando correntezas.
Ondas eletromagnéticas
São originadas por cargas elétricas oscilantes; constituem um combinação de dois campos: um elétrico e outro magnético. Não precisam de um meio material, podendo se propagar no vácuo.
Ex: luz visível, ondas de rádio, TV e celular, Wi-Fi, radiação infravermelha e ultravioleta, raios X, etc.
Ondas eletromagnéticas
Duas peculiaridades das ondas eletromagnéticas:
1)Elas se propagam no vácuo; isso permite que a luz do Sol chegue até a Terra, assim como a existência dos satélites, que do espaço conseguem enviar informações para a Terra.
2)A velocidade máxima que esse tipo de onda pode atingir é a velocidade da luz (c = 300.000km/s ou 3 . 108m/s). Essa
velocidade foi intitulada pela teoria de Albert Einstein como a maior velocidade que pode ser atingida no universo.
Em meios materiais, a velocidade de propagação das ondas EM é um pouco menor.
Para efeito de comparação, a velocidade do som no ar é de aproximadamente 340 m/s.
A velocidade da luz é tão grande que pode dar uma volta
completa em torno da Terra em 0,13 segundos! Por isso as ondas eletromagnéticas são excelentes para transportar informações.
Tipos de onda
Ondas transversais: a direção de propagação é perpendicular a direção de vibração (ex: vibração vertical- propagação horizontal). É o caso das ondas em cordas e de ondas eletromagnéticas. Toda onda
eletromagnética é transversal.
Ondas longitudinais: são aquelas onde a direção de vibração e de propagação são iguais (ex: vibração horizontal – propagação horizontal). É o caso de ondas em molas e do som.
Tipos de onda
Existem também as ondas mistas, que
possuem vibrações transversais e longitudinais.
É o caso das ondas em alto-mar ou do som se propagando em meios sólidos, como uma porta, por exemplo.
Classificação das ondas
Quanto à dimensão de propagação, as ondas podem ser classificadas em:
Unidimensionais: se propagam apenas em uma dimensão, como ondas em cordas e molas.
Bidimensionais: ondas que se propagam em uma superfície, como as ondas na água.
Tridimensionais: ondas que se propagam em todas as direções, como a luz e o som.
Polarização
A polarização ocorre quando filtramos uma onda. Ao passar por um filtro (polarizador), a onda vibrará apenas na direção permitida por ele.
A polarização ocorre somente com ondas transversais!
Ou seja, a luz, que é uma onda transversal, sofre polarização, enquanto o som, que é uma onda longitudinal, não pode sofrer polarização.
As ondas polarizadas tem inúmeras aplicações no cotidiano. Elas podem ser usadas para diminuir a
intensidade da luz (óculos escuros), eliminar reflexos ou ate mesmo assistir filmes em 3D.
Polarização
Abaixo temos a polarização vertical (à esquerda) e a polarização horizontal (à direita). A luz, inicialmente não polarizada atravessa os polarizadores e só continua a se propagar nas direções permitidas por eles.
No lado esquerdo temos o polarizador vertical, ou seja, apenas a parcela da luz que vibra na vertical o atravessa. No lado direito, apenas a parcela horizontal da luz atravessa o polarizador horizontal.
Curiosidade!
Cinema 3D
As câmeras usadas atualmente para gravar os filmes 3D gravam as cenas em polarizações diferentes. Enquanto uma das lentes
apresenta polarização horizontal, a outra é polarizada verticalmente.
Por serem utilizadas duas câmeras, o filme terá, a cada segundo, 48 quadros, que é o dobro de quadros utilizados em filmes
convencionais 2D; 24 deles são vistos pelo olho direito e os outros 24 pelo olho esquerdo.
Os óculos 3D com os filtros de polaridade permitem que cada olho receba um quadro, como se cada pessoa enxergasse a mesma coisa através de dois diferentes focos. A distância entre os dois olhos nos faz ver a mesma coisa sob ângulos diferentes. Então, com essas duas imagens vistas por cada olho o nosso cérebro forma uma terceira imagem, como se nos enganasse, dando a impressão de
profundidade à cena.
Outra curiosidade!
O tipo de onda com a qual estamos acostumados é a onda do tipo senoidal. Mas existem outros tipos!
Elementos de uma onda
Cristas –são os pontos mais altos da onda.
Vales –são os pontos mais baixos da onda.
Amplitude (A) - é a distância do meio da onda a uma crista ou vale.
Comprimento de onda (λ) –é a distância entre duas cristas ou dois vales; ou ainda, a distância de uma oscilação completa.
Período (T) e frequência (f)
Um movimento é dito periódico quando se repete em intervalos de tempo regulares; o tempo que esse fenômeno leva pra se repetir é chamado período. Em uma onda, o período é o tempo necessário para uma oscilação completa.
Em uma onda, a frequência é o número de oscilações por intervalo de tempo. Por exemplo, na figura ao lado a onda oscila 3 vezes a cada segundo:
f = 3 𝑜𝑠𝑐𝑖𝑙𝑎çõ𝑒𝑠
1 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 = 3 Hz
onde Hz (Hertz) é a unidade de medida de frequência.
Frequência e período
O período e a frequência se relacionam da seguinte forma:
f = 1
𝑇 ou T = 1
𝑓
Exemplo: Uma onda oscila 120 vezes por minuto. Calcule sua frequência em Hertz e seu período em segundos.
Frequência:
f = 120 𝑜𝑠𝑐𝑖𝑙𝑎çõ𝑒𝑠 1 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜
f = 120 𝑜𝑠𝑐𝑖𝑙𝑎çõ𝑒𝑠 60 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
f = 2 Hz
Período:
como f = 1
𝑇, temos:
2 = 1
𝑇
T = 1
2
T= 0,5 segundos
Velocidade da onda
Existem duas maneiras para calcular a velocidade com que uma onda se propaga:
v = λ
𝑇 ou ainda v = λ. f (equação fundamental da ondulatória)
Exemplo: A distância entre duas cristas de uma onda vale 30 cm (0,3 m), e a frequência dessa onda é de 60 Hz.
Qual a velocidade de propagação desta onda?
Resolução:
v = λ. f v = 0,3 . 60 v = 18 m/s
Velocidade de uma onda transversal em uma corda tensa
Uma corda tensa (esticada) é uma excelente forma de se observer a propagação de um pulso ou de uma onda mecânica transversal. Tomando uma corda tensionada de uma forçaF, de comprimentoLe densidade linear δ (razão entre a massa e seu comprimento), temos:
δ= 𝑚
𝐿 (unidade no SI: kg/m)
A velocidade de propagação dessa onda é calculada pela fórmula de Taylor:
v = δ𝐹
Exemplo:
Um arame de aço, com 1 m de comprimento e 10 g de massa, é esticado com uma força de tração de 100 N.
Determine a velocidade de propagação de um pulso transversal nesse arame.
Resolução:
m = 10 g = 10 . 10−3kg = 10−2kg
δ= 𝑚
𝐿 = 10
−2
1 = 10−2kg/m
v = 𝐹δ= 10
2
10−2 = 104 = 102m/s = 100 m/s
