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Ondulatória.

As ondas que se propagam na água constituem um fenômeno que pode ser observado pela visão, sendo os efeitos das ondas sonoras sentidos diretamente pela audição.

Algumas ondas do espectro eletromagnético podem ser percebidas pelo corpo, ondas luminosas pelos olhos e o efeito térmico das ondas infravermelhas pela pele.

Outras ondas eletromagnéticas, porém, não podem ser percebidas diretamente por nenhum dos sentidos humanos e mesmo as infravermelhas, em geral, só podem ser observadas por intermédio de detectores especiais.

Os fenômenos ondulatórios são encontrados em todas as áreas da física e sempre podem ser explicados matematicamente.

Alguns dos princípios gerais do movimento das ondas são abordados aqui.

Ondas na Água.

Elas podem ser produzidas pelo vento ou por alguma outra perturbação.

Nelas, as partículas se movem em círculos verticais, havendo portanto tanto deslocamentos transversais quanto longitudinais.

O movimento provoca aquele perfil familiar de picos estreitos e depressões largas.

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Tipos e Características de Ondas.

Uma onda em propagação é um distúrbio que se move, ou se propaga, de um ponto a outro.

As ondas mecânicas propagam-se através de meio material como acontece, por exemplo, quando se bate com um martelo numa vareta de metal.

Um distúrbio inicial em detenninado ponto de um material faz com que seja exercida uma força sobre suas partes adjacentes.

Uma força elástica atua, então, fazendo com que o material volte à sua posição de equilíbrio.

Neste processo, as partículas adjacentes são comprimidas e o distúrbio se afasta da fonte.

Ao tentar voltar às suas posições originais, as partículas se deslocam de modo que, num determinado ponto, se dá a rarefação (ou estiramento), seguida da compressão (ou estreitamento).

A passagem da onda é observada devido à variação de pressão em torno da posição de equilíbrio ou à variação na velocidade das oscilações.

Esta modificação é descrita como oscilatória (como em um pêndulo) ou periódica.

Há dois tipos principais de oscilação periódica, a transversal e a longitudinal.

Nas ondas transversais, as vibrações são perpendiculares à direção de propagação.

Nas longitudinais, são paralelas à direção de propagação.

As ondas sonoras são compressões e rarefações alternadas em qualquer que seja o material em que estejam se propagando e são longitudinais.

Os movimentos ondulatórios transferem energia, por exemplo, as ondas sonoras, as sísmicas e as de água transferem energia mecânica.

No entanto, há perda de energia quando a onda atravessa um meio.

A amplitude diminui e se diz que a onda é atenuada.

Há dois processos diferentes de atenuação, espalhamento e absorção.

Em muitos casos, ocorre pouca ou nenhuma absorção, a radiação eletromagnética proveniente do sol se propaga pelo espaço sem nenhuma absorção, mas planetas mais distantes que a Terra recebem menos radiação.

Isto ocorre porque ela se espalha por uma área maior e, assim, sua intensidade (proporção entre potência e área) diminui, de acordo com o inverso dos quadrados.

O mesmo se aplica ao som que se propaga pela atmosfera.

Em alguns casos, no entanto, a energia é absorvida pelo meio, como quando a luz penetra e expõe um filme fotográfico ou quando raios X atravessam o corpo humano.

No caso de radiação homogênea, a absorção é exponencial, se metade da radiação atravessa um material absorvente de 1 mm, 1/4 dela atravessaria 2 mm e 1/8, 3 mm.

A frequência (f) do movimento da onda é definida como seu número de oscilações completas, ou ciclos por segundo.

A unidade de freqüência recebe o nome de hertz (Hz), em homenagem ao físico alemão Heinrch Rudolf Hertz.

1 hertz = 1 ciclo por segundo.

A amplitude é o deslocamento máximo da posição de equilíbrio.

O comprimento de onda é a distância entre dois picos sucessivos (ou duas depressões) da onda.

A velocidade de propagação (v) das compressões, ou velocidade de fase da onda, corresponde ao produto da frequência pelo comprimento de onda.

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Reflexão e Refração.

Se uma onda se propaga de um meio para outro, a direção da propagação é alterada ou "flexionada", diz-se que a onda sofreu refração.

A onda vai se propagar no meio 1 com velocidade v₁ e chegará à superfície do meio 2 com ângulo de incidência i.

Em seguida, a onda sofrerá refração e r será seu ângulo de refração.

A nova velocidade será v₂ , que será inferior a v₁ se o meio 2 for mais denso que o meio 1, mas será maior que v₁ se o meio 2 for menos denso.

Esta constante é o índice de refração do meio 2 em relação ao meio 1.

Esta relação foi formulada pelo astrônomo holandês Willebrord Snell (1591-1626) e é conhecida como lei de Snell.

Basicamente, o índice de refração de um material determina quanto da luz ele refrata e costuma ser expresso em relação a outro material.

Não havendo referência a outro material, assume-se que o índice de refração seja em relação ao ar.

O índice de refração de um meio pode também ser derivado como a razão entre a velocidade da luz no vácuo e no meio.

Interferência.

Se várias ondas se propagam através de um meio, sua resultante, em qualquer ponto e momento, é a soma dos vetores das amplitudes das ondas individuais.

Trata-se do princípio da superposição.

A combinação de duas ou mais ondas provoca o fenômeno da interferência.

Se a amplitude da onda resultante é superior à das ondas separadas, então está ocorrendo uma interferência construtiva.

Se for inferior, trata-se da interferência destrutiva.

Quando duas ondas sonoras de frequências ligeiramente diferentes e amplitudes iguais são emitidas ao mesmo tempo (como de dois diapasões), o som resultante possui o que se chama de amplitude variável.

Estas amplitudes variáveis recebem o nome de batimento e sua frequência é a frequência de batimento, que equivale à diferença entre as frequências das duas notas originais.

A percepção dos batimentos é importante para a afinação dos instrumentos musicais, quanto mais próximos, mais afinado estará o instrumento.

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Difração.

As ondas geralmente avançam em linha reta através de meios uniformes.

Ao atravessarem uma fenda de largura comparável a seu comprimento, se espalham, sofrendo difração, são capazes de contomar obstáculos.

Uma onda sonora de 256 Hz possui comprimento de onda de cerca de 1,3 m, medida que se aproxima das dimensões de portas ou janelas abertas.

Quando um feixe de luz é irradiado através de uma fenda única e larga sobre uma tela perto da fenda, vê-se no anteparo uma imagem brilhante e nítida da fenda.

Se a fenda for estreitada, há um ponto a partir do qual a imagem deixa de se estreitar; enxerga-se, então, devido à difração da luz, um padrão de franjas claras e escuras.

O princípio de Huygens foi proposto em 1676 pelo físico holandês Christiaan Huygens (1629-1695) para explicar as leis da reflexão e da refração.

Ele postulou que a luz possui movimento ondulatório.

Cada ponto de uma frente de onda se transforma numa fonte nova ou secundária.

A nova frente de onda é a superfície definida por todas as frentes que se originam nas fontes secundárias.

A difração explica os efeitos da interferência observados entre a luz proveniente da porção contínua de uma frente de onda, como no caso da fenda estreita.

Ondas Imóveis ou Estacionárias.

São resultantes do confinamento de ondas numa região específica.

Uma onda que se propaga através de uma corda de violão, por exemplo, é refletida ao alcançar o cavalete, originando outra onda que se propaga de volra pela corda, com a mesma frequência e comprimento de onda da original.

Em certas frequências, as duas interferem entre si, produzindo um padrão de onda estacionária ou imóvel.

Cada padrão ou modo de vibração corresponde a uma determinada frequência.

A onda estacíonária pode ser transversal, como a vibração da corda de um violino, ou longitudinal, como o movimento do ar no tubo de um órgão.

As posições de amplitude máxima e mínima são chamados de antinodos e nodos, respectivamente.

Nos antinodos, a inferferência é construtiva; nos nodos, é destrutiva.

Se a um sistema for aplicada uma força periódica com frequência igual ou próxima a sua frequência natural, a amplitude resultante da vibração será muito maior.

Essas frequências naturais recebem o nome de frequências de ressonância.

Quando a frequência propulsora se iguala à frequência de ressonância, obtém-se a amplitude máxima.

A frequência natural dos objetos pode produzir efeitos destrutivos.

Ventos fortes podem fazer com que pontes vibrem em sua frequência natural e sejam destruídas.

Quando um pelotão de soldados marcha através de uma ponte, pode ser necessário mudar de passo, caso a frequência natural da estrutura seja atingida, para que ela não seja fragmentada.

Onda Longitudinal Propagando-se Numa Mola.

Frequência.

Frequência = ciclos por segundo.

1 ciclo por segundo = 1 hertz (Hz)

Comprimento de Onda.

Comprimento de onda é a distância entre dois pontos sucessivos ao longo de uma onda com amplitudes similares.

Reflexão de Ondas Planas Numa Superfície Plana.

As ondas são paralelas quando se aproximam de XY e depois de serem refletidas.

A normal (AN) é a linha perpendicular à superfície do plano (XY) em A.

O ângulo de incidência da onda quando ela atinge XY é i.

O ãngulo de reflexão é r, e i = r.

Ondas Refletidas Numa Superfície Curva.

As ondas se comportam da mesma maneira que a luz refletida num espelho côncavo.

S é o foco principal da superfície A.

Interferência Construtiva.

A interferência construtiva faz com que as ondas se combinem.

Interferência Destrutiva.

A interferência destrutiva faz com que as ondas se anulem.

Onda Transversal Porpagando-se Numa Mola.

Amplitude.

Amplitude é o deslocamento máximo a partir da posição de equilibrio.

Frentes de Onda Esféricas e Planas.

Frentes de onda propagando-se radialmente a partir de um ponto de origem 0.

Serão esféricas num contexto trimensional, como as ondas luminosas que se propagam a partir do sol.

Serão circulares num contexto bidimensional, como as ondas que se propagam a partir de uma pedra que cai na água.

Uma vez longe da fonte, estas frentes de onda, podem, para a maioria das finalidades práticas ser consiferadas como linhas retas, frentes de onda planas, da mesma maneira que a curvatura da Terra não é percebida por quem está sobre ela.

Refração de Uma Frente de Onda Plana.

MAN é a normal a XY.

i é o ângulo de incidência

r é o ângulo de refração

As ondas ficam paralelas após a refração.

Difração das Ondas.

Difração das ondas que passam por uma pequena abertura.

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