FÍSICA CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
AULA 09
– 02/11/2020
Profa. Márcia de Almeida Rizzutto Pelletron – sala 220
rizzutto@if.usp.br
2o. Semestre de 2020
Monitor: Cauê Ferreira e Julia Schenatto
Universidade de São Paulo
Instituto de Física
Conteúdo Física - Temas
• Introdução, Ferramental Básico de Física (A1)
• 1) Mecânica: Movimento, Força, Trabalho e Energia (A2,A3)
• 2) Termodinâmica (A4,A5)
• 3) Fluídos (A6) PROVA P1
• 4) Princípios básicos de Eletricidade (A7,A8)
• 5) Ondas (A9,A10) • Som • Luz • 6) Radiação (A11,12,13) • Dose de radiação • Danos de radiação • Aplicações e Efeitos PROVA P2
SOM E LUZ
ONDAS
Conceitos Básicos:
Oscilações e ondas
são receptores
de ondas luminosas e sonoras
os animais obtêm informações de seu ambiente
detectando alguns tipos de ondas, e a comunicação entre
eles também pode ser feita por meios ondulatórios
Ondas
Ondas são perturbações que se propagam de um lugar
para outro através de um meio ou até mesmo no vácuo,
exclusivamente, transportam energia de um ponto a
outro, sem realizar transporte de matéria.
Propriedades das ondas
A amplitude é uma grandeza que se refere à distância do ponto intermediário até uma crista (ou um ventre) da onda. Portanto, a amplitude é igual ao máximo afastamento em relação ao equilíbrio, isto é o deslocamento vertical máximo da onda
Amplitude (A)
Propriedades das ondas
O comprimento de onda é uma grandeza que se refere à distância entre dois máximos consecutivos (ou dois mínimos), ou melhor, se refere a distância mínima em que a forma da onda se repete.
Comprimento de onda (l)
Propriedades das ondas
É o número de oscilações de onda, por um certo período de tempo. A unidade de frequência do Sistema Internacional (SI), é o hertz (Hz), que equivale a 1 segundo, e é representada pela letra f. Então, quando dizemos que uma onda vibra a 50Hz, significa que ela oscila 50 vezes por segundo..
Frequência (n)
n = 1Hz = 1 ciclo/s n = 2 Hz = 2 ciclo/s
É a quantidade de vezes que um fenômeno ocorre. O coração de um ser humano normal em repouso bate 80 vezes por minuto, isto é 80bpm
Propriedades das ondas
Período (T)
T = 2 m T = 1 m
Tipos de onda
Ondas Mecânicas
Ondas que se propagam em meios deformáveis ou elásticos. Exemplos: Ondas em cordas, ondas em água, ondas em molas, som, abalos sísmicos (terremotos)
Ondas eletromagnéticas
Ondas que se não precisa de um meio material para se propagam
(propagam no vácuo), Exemplos: luz, ondas de rádio, TV, celular, wi-fi, radiação infravermelho, ultravioleta, raios X, etc.
Princípio da sobreposição
Cada onda gerada em pontos diferentes da superfície da água propaga-se de forma independente das demais. E o que acontece quando se cruzam?
Cada onda gerada em pontos diferentes da superfície da água propaga-se de forma
independente das demais. E o que acontece quando se
Princípio da sobreposição
Quando o pulso resultante da
sobreposição é tem amplitude maior temos a interferência construtiva. Por outro lado se durante a sobreposição os pulsos tendem a se anular temos a interferência destrutiva
Onda senoidal
q (o)
l/4 l/2 3l/4 l (l)
O deslocamento vertical y de uma onda senoidal tem termos do ângulo q é dado por:
Se com o decorrer do tempo, essa onda se propagar para a direita com velocidade v, após um tempo t, a onda terá percorrido uma distância vt e a equação será:
Onda senoidal
Podemos definir o número de onda k como o número de comprimentos de onda (l) na distância 2p, isto é:
O número de período T contidos na distância 2p é chamado de
frequência angular w que esta relacionada com a frequência f por:
A equação de uma onda que senoidal que progride para a direita pode ser escrita como:
Tipos de onda
Ondas Transversais
Ondas onde a direção de propagação é perpendicular a direção de vibração. Exemplos:
Ondas em cordas, ondas eletromagnéticas Ondas Longitudinais
São ondas onde a direção de vibração e de propagação são iguais. Exemplos: ondas em molas, som
Tipos de onda
Ondas Mistas
Ondas oceânicas são mistas, pois as partículas do meio executam
movimento para cima/baixo e para frente/trás percorrendo uma trajetória circular ou elíptica.
Tipos de onda
Ondas Transversais
Ondas se propagando na água
Movimento oscilatório das moléculas da água e a
Tipos de onda
Ondas Longitudinais ondas sonoras
Movimento oscilatório das moléculas do ar e passagem das ondas sonoras
Velocidade de propagação da onda em meios elásticos
Um meio elástico é constituído de qualquer material que tende a
preservar seu comprimento forma e volume contra as forças externas. Tais materiais possuem forças restauradores que tendem a retornar o material à sua condição original após a remoção das forças externas. A força restauradora é característica do material e tem origem nas forças de ligação entres seus átomos ou moléculas individuais.
A velocidade de propagação de uma onda em um meio elástico
depende das características de elasticidade e da densidade do meio.
Para ondas transversais numa corda :
T=tensão da corda m = massa por unidade de comprimento
Velocidade de propagação da onda em meios elásticos
Para ondas transversais num fluído: B= é o módulo volumétrico
r = densidade do fluído
B é definido como uma medida da tendência de um
material em manter seu volume contar as forças externas
(F=força V=volume)
Para ondas transversais num sólido: Y= é o módulo de Young do sólido
r = densidade do sólido
O módulo de Young é definido como uma medida de tendência de um material em manter seu comprimento
• O som é um dos meios pelo qual os
animais se comunicam e obtêm
informações do ambiente ao seu redor.
Esses animais possuem órgãos especiais
para produzir e detectar os sons.
Nos seres humanos
- como funciona as cordas vocais ?
- de que forma o ouvido detecta os sons?
A física do som
O som pode se propagar através de um meio como ar, água e sólidos e são gerados a partir da compressão e rarefação de um meio físico, seja ele sólido, líquido ou gasoso. O vácuo não é capaz de conduzir ondas sonoras, pois não possui matéria para ser comprimida ou rarefeita.
As ondas sonoras são geradas por uma fonte sonora, como o diafragma vibratório de um alto-falante estéreo. A fonte sonora cria vibrações no meio circundante. Conforme a fonte continua a vibrar o meio, as
vibrações se propagam para longe da fonte na velocidade do som, formando assim a onda sonora
Molécula
Quando o som viaja através de um meio, há regiões alternadas de alta e baixa pressão. Compressões são regiões de alta pressão onde as moléculas estão aglomeradas. Rarefações são regiões de baixa pressão onde as
moléculas estão mais espalhadas. Uma molécula individual se move de um lado para o outro em cada compressão. A velocidade na qual uma
compressão se propaga através do meio é a velocidade da onda, mas isso é diferente da velocidade das próprias moléculas.
Ondas sonoras
Comprimento De Onda
Ondas harmônica sonora
Uma onda harmônica sonora unidimensional pode ser produzidas efetuando-se um movimento harmônico simples em um pistão em um tubo longo e estreito.
A pressão em um determinado ponto em um meio, flutua levemente quando as ondas sonoras passam. O comprimento de onda é determinado pela distância entre
compressões consecutivas ou rarefações consecutivas. A cada compressão, a pressão é um pouquinho mais alta que a pressão normal. A cada rarefação, a pressão é um pouquinho mais baixa que o normal. Vamos chamar a pressão de equilíbrio (normal) P0
e a diferença na pressão do equilíbrio ΔP. ΔP varia e está no máximo em uma compressão ou rarefação. Em um fluido como o ar ou a água, ΔPmax é tipicamente
muito pequeno comparado a P0, mas nosso sistema auditivo são muito sensíveis a
pequenos desvios na pressão. Quanto maior ΔP for, maior a amplitude da onda sonora e mais alto será o som.
A B
C
A pressão em um determinado ponto não permanece constante. Se
observássemos apenas uma posição, descobriríamos que a pressão varia sinusoidalmente com o tempo.
O tempo que leva para passar por este ciclo é o período da onda. O número de vezes que este ciclo acontece por segundo é a frequência da onda em Hertz.
Portanto, a pressão no meio é uma função da posição e do tempo! O ciclo também pode ser descrito como:
equilíbrio -> compressão -> equilíbrio ->rarefação -> equilíbrio
A
B
C
Pressão vs. Posição: O gráfico é para um instante no tempo e exibe variação de
pressão durante um intervalo de espaço. A distância entre picos no gráfico é o comprimento de onda da onda (λ).
Pressão vs. Tempo: O gráfico exibe a variação de pressão durante um intervalo
de tempo para apenas um ponto no espaço. A distância entre picos no gráfico é o período da onda (T). O recíproco do período é a frequência (f), T=1/f.
Ambos os gráficos: as ondas sonoras são longitudinais, embora esses gráficos
pareçam ondas transversais. Nada em uma onda sonora está acenando na forma desses gráficos! A amplitude de qualquer gráfico corresponde ao volume do som. A pressão absoluta não importa. Para a intensidade, tudo o que importa é o quanto a pressão se desvia da norma, que não precisa ser muito. Na vida real, a amplitude diminuiria à medida que as ondas sonoras se espalhassem.
A
B
C
Como com todas as ondas, a velocidade do som depende do meio pelo qual ele está viajando. Vimos que a velocidade de uma onda viajando em uma corda é dada por:
Corda:
Som:
F: Tensão na corda
μ: Massa por unidade de comprimento
B: modulo de volume do meio
ρ: Massa por unidade de volume (densidade)
Por exemplo, o módulo de elasticidade volumétrico (B) para água e ar à pressão
atmosférica é de aproximadamente 2 x 106 kN/m2 e 101 kN/m2, respectivamente. Isso
indica que o ar é cerca de 20.000 vezes mais compressível que a água. Daí a água pode ser tratada como incompressível. B é frequentemente expresso em termos de volume específico.
A parte externa da orelha (a aurícula, ou pinna) é feita de cartilagem e ajuda a canalizar as ondas sonoras para o canal auditivo, que tem fibras de cera para proteger a orelha da sujeira. No final do canal auditivo, encontra-se o tímpano (membrana timpânica), que vibra com as ondas sonoras que chegam e
transmite essas vibrações ao longo de três pequenos ossos (ossículos)
chamados martelo, bigorna e estribo (martelo, bigorna e estribo). O pequeno osso do estribo é preso à janela oval, uma membrana da cóclea.
A cóclea é uma espiral que converte as vibrações que recebe em impulsos elétricos e as envia para o cérebro através do nervo auditivo. Pelos delicados (estereocílios) na cóclea são responsáveis por essa conversão de sinal. Estes pelos são facilmente danificados por ruídos altos, uma das principais causas de perda auditiva!
Os canais semicirculares ajudam a manter o equilíbrio, mas não ajudam na audição.
Esquema representando a audição humana. (Azul: ondas sonoras;
Vermelho: tímpano; Amarelo: cóclea; Verde: Células receptoras de som;
Púrpura: espectro de frequências da resposta da audição; Laranja: Potencial de ação do nervo.
O som é provocado pela percepção do sistema auditivo da variação da pressão atmosférica ambiente. A menor variação que o sistema auditivo humano pode detectar é da ordem de 2 x 10-5 Pa, a qual denomina-se limiar de audibilidade.
O limiar da dor, por outro lado, corresponde à variação da pressão em 60 Pa. No entanto, esta variação deve ocorrer em forma de ciclos para que seja percebida
Ondas mecânicas longitudinais
Os médicos fazem uso de ultra-som para imagens de fetos ou
para quebrar pedras nos rins Morcegos e golfinhos usam ultra-som para localizar a presa
por causa da propagação da
energia do som pela lei do inverso do quadrado, um receptor maior
vai pegar mais energia
essas estruturas amplificam a sensibilidade auditiva humana
por talvez um fator de 2 ou 3
Propagação da Energia
A transmissão de energia por uma onda progressiva é feita no sentido de sua propagação
Todas as ondas carregam energia. Em uma onda sonora típica, a pressão não
varia muito da pressão normal do meio. Consequentemente, as ondas sonoras não transmitem muita energia. Quanto mais energia a frentes de onda de som
transmite através de uma determinada área em um determinado período de tempo, mais intensidade ela tem, e mais alto soará. De um modo geral quando não há
dissipação de energia, pode-se dizer que a intensidades I de uma onda progressiva é igual a energia E transmitida pela onda dividida pela área S, perpendicular a direção de propagação num intervalo de tempo Dt
A intensidade I do som pode ser expressa em função da amplitude do deslocamento horizontal dos elementos de volume do ar dado por:
r= densidade do meio, v= velocidade de propagação da onda
w=frequência angular
Temos também uma relação entre I e amplitude da potência:
Intensidade do som
Quanto mais intenso for um som, mais alto será. Sons normais
carregam pequenas quantidades de energia, mas nossos ouvidos são muito sensíveis. De fato, podemos ouvir sons com intensidades tão baixas quanto 10-12 W/m2! Isso é chamado de intensidade limite, I0.
I
0= 10
-12W/m
2até 1W/m
2Isso significa que se tivéssemos orelhas enormes como a de Dumbo, digamos, um metro quadrado de área, poderíamos ouvir um som
transmitindo a essa área uma energia de apenas um trilionésimo de joule por segundo! Todavia, nossos ouvidos são milhares de vezes menor, a energia mínima que nossos ouvidos consegue receber em um segundo é milhares de vezes menor.
Devido a este grande intervalo, uma escala logarítmica de base dez é usada para definir o nível de intensidade sonora b (decibel- dB)
I é a intensidade sonora e I0 é a intensidade de referência (10-12W/m2)
• A razão entre a intensidade mais alta e mais baixa do som detectável pelo ouvido humano é
cerda de 1012.
• O intervalo de frequência das ondas sonoras audíveis varia de 20 a 20.000 Hz.
• As curvas de audição mostram uma queda significativa na faixa de 2000-5000 Hz com uma sensibilidade de pico em torno de 3500-4000 Hz. Isso está associado à ressonância do
canal auditivo. Existe uma outra região de sensibilidade aumentada em cerca de 13,500
Hz que pode estar associada à terceira harmônica do canal auditivo. A região de alta sensibilidade a 2-5kHz é muito importante para
a compreensão da fala.
A fonação envolve centros específicos da fala no córtex cerebral, funções mecânicas da produção de um som audível (voz) e o
As cores que enxergamos nada mais são do que ondas eletromagnéticas, que possuem cada uma seu comprimento de onda e sua frequência.
Frequência e comprimento de onda da
luz visível
A luz é uma onda, ou melhor, age como uma onda. Como nós sabemos? 1.Reflexão 2.Refração 3.Dispersão 4.Difração 5.Interferência 6.Polarização
A luz é um tipo especial de onda.
O que conhecemos como luz ou LUZ VISÍVEL é na verdade um tipo de algo chamado RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA.
Então, o que é radiação eletromagnética e ondas eletromagnéticas?
Quando estudamos as ondas mecânicas, elas foram todas transferidas através de um meio. Para que meio a luz é transferida?
LUZ NÃO PRECISA DE UM!
As ondas eletromagnéticas são especiais pelo fato de não precisarem de um meio para se propagar.
Mas o que está criando a perturbação?
Ondas de rádio são um tipo de radiação eletromagnética com
comprimento de onda maior do que a radiação infravermelha. Como todas as outras ondas eletromagnéticas, viajam à velocidade da luz no vácuo. Elas são geradas naturalmente por raios ou por objetos astronômicos
RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
As ondas de rádio são ondas eletromagnéticas (têm comprimento de 3 . 108 nm até 3 . 1017 nm), ou seja, são ondas formadas pela
oscilação simultânea de um campo elétrico e de um campo
magnético perpendiculares entre si. No entanto, existem vários tipos de ondas eletromagnéticas; além das ondas de rádio e TV, também temos: micro-ondas, raios infravermelhos, radiação visível (luz), raios ultravioletas, raios X e raios gama.
Além disso, não é só o ser humano que transmite este tipo de onda; as estrelas e as nebulosas também as emitem, sendo captadas por
WI-fi - computador interface entre a "rede" formada pela estação espacial, satélites, receptores e instalações da
Nasa e a internet em si
Fora da Terra
Hoje
Futuro
O sistema de transmissão via laser da NASA prometem uma
série de vantagens. • Menor consumo • menor intereferência • Mas o principal benefício
está na precisão da comunicação. Como o sistema via laser trabalha com um comprimento de onda menor, as antenas de recepção e transmissão de
sinal podem ser muito menores e mesmo assim terem chances reduzidas de
perderem a comunicação umas com as outras. https://www1.tecnoblog.net/2013/nasa-transmissao-espaco/
