Quando falamos em ondas, a primeira coisa que vem à cabeça é o mar e seus movimentos. Mas, as ondas na Física vão muito além do deslocamento da água, se relacionam com a luz, com o som, com os instrumentos musicais e muito mais.
Se você quiser aprender mais sobre a ondulatória, quais as classificações das ondas na Física, as fórmulas utilizadas nessa ciência, a aplicação do conhecimento no dia a dia e como ele é cobrado nas provas de vestibular, continue lendo este artigo!
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O que são ondas?
As ondas são entidades físicas que podem se propagar pelo espaço sem levar consigo nenhum tipo de matéria. Por exemplo, a luz é uma onda porque, quando reflete sobre uma superfície, não carrega átomos em sua trajetória.
O som também é uma onda. Pense que, se ele carregasse matéria em seu percurso, cada vez que uma pessoa falasse, o ouvinte teria que desviar de moléculas químicas para não ser atingido por certa massa de ar.
Agora que já acessamos esse conhecimento, nos resta conhecer como as ondas podem ser geradas. Em geral, perturbações e vibrações são suficientes para gerar ondas, principalmente em superfícies.
O fator que inicia esse processo é chamado de fonte. Como modelo, imagine uma pedra (fonte) que é golpeada contra a água e gera um movimento ondulatório na superfície do líquido. Outra situação clássica são as caixas de som, que geram ondas sonoras, ou seja, são uma fonte.
Ondulatória
As ondas e seus comportamentos são estudados no ramo da física que é chamado de Ondulatória. Os especialistas nessa área têm a responsabilidade de entender como as ondas funcionam, qual o seu comportamento no espaço e em diferentes ambientes.
Afinal, pense que, quando estamos mergulhando, a propagação do som é tão diferente a ponto de ficar difícil entender o que alguém do lado de fora da piscina está falando. Nesse sentido, os estudiosos em ondulatório trazem as explicações para a diferença da percepção e propagação das ondas no meio atmosférico, aquoso, no vácuo ou em outros ambientes.
Classificação das ondas na física
Quanto à natureza
A natureza das ondas é definida conforme a necessidade de um meio material para se propagar. Veja, isso não significa que essas entidades vão carregar essa matéria durante seu trajeto, apenas demonstra uma condição obrigatória para sua ocorrência no espaço.
Mecânica
Ondas mecânicas são aquelas que precisam de um meio material para se disseminar no espaço. Os principais exemplos são as ondas sonoras, as ondas do mar e as ondas de uma corda. No último caso, pense que, se a corda não existir, o movimento ondulatório também não existirá.
Inclusive, os terremotos são ótimos exemplos de ondas mecânicas. Eles têm comportamento ondulatório, quando observados matematicamente, se disseminam em meio físico (a terra) e geram perturbações visíveis sobre essa matéria.
Eletromagnética
As ondas eletromagnéticas, por sua vez, não precisam da matéria para a propagação. Elas são resultado da interação entre campos elétricos e campos magnéticos, como aponta o nome. Sua característica mais peculiar é a capacidade de se disseminar no vácuo.
A luz, os raio-x, as ondas de sinais de internet e a tecnologia utilizada em microondas são baseadas nessa informação. Isso explica porque, por exemplo, mesmo no vácuo do espaço, é possível encontrar a luz, que viaja nesse meio com uma velocidade padronizada de 3.108 m/s.
+ Veja também: Indução eletromagnética: o que é, fluxo magnético, fórmulas e aplicações
Quanto ao sentido de propagação
Outra forma de classificar as ondas, na física, é observar a direção em que elas se disseminam. Lembre-se sempre que a direção da propagação diz respeito a ser horizontal, vertical ou diagonal.
Unidimensionais
Ondas unidimensionais só se disseminam no meio por uma direção. A melhor forma de memorizar essa informação é observando o prefixo da palavra, uni-, que lembra único — única direção de propagação. Quando balançamos uma corda, por exemplo, a onda vai se comportar apenas na direção do movimento.
Bidimensionais
A partir do prefixo bi-, fica fácil perceber que as ondas bidimensionais podem se propagar em duas direções do espaço. Em geral, podemos pensar em um movimento vertical somado ao horizontal, como acontece ao jogar uma pedra em um lago. Embora formem-se cumes de onda na superfície do líquido, é possível ver elas se espalhando pela extensão da água.
Tridimensionais
Ondas que se propagam em todas as direções possíveis são chamadas de tridimensionais e os melhores exemplos, na natureza, são o som e a luz. Na imagem abaixo, está representada uma onda sonora, perceba como a distribuição é generalizada.
Quanto ao sentido da oscilação
O sentido de oscilação das ondas relaciona a vibração do meio de propagação e a direção de propagação da onda.
Transversais
Quando as partículas do meio vibram perpendicularmente à direção de deslocamento da onda, significa que aquela é uma onda transversal. A luz é um elemento da natureza que apresenta esse comportamento, como está representado na figura a seguir.
Longitudinais
Se a onda tem o mesmo sentido de oscilação que a vibração das partículas observadas, trata-se da classificação longitudinal. No exemplo abaixo, veja que o sentido de propagação imposto pela fonte (martelo) permanece na vibração das partículas no paralelepípedo.
Ondas na física: fórmulas e características
Período (T)
Uma das características de uma onda é o período de oscilação. Perceba, essas oscilações acontecem de forma cíclica, passam por um ponto e depois voltam a passar por ele. No gráfico cartesiano, por exemplo, se a onda sai do eixo x, sabemos que ela voltará a tocar esse eixo em algum momento.
O tempo decorrido para a onda voltar a um mesmo ponto é chamado de período (T). Quanto maior esse intervalo de tempo, mais lentamente a onda se propaga no meio. De modo semelhante, quando a onda é rápida, ela volta ao mesmo ponto em um curto espaço de tempo.
Frequência
Matematicamente a frequência de uma onda é o inverso do período: f = 1/T. Mas, afinal, o que isso significa?
A frequência é a grandeza que relaciona quantas oscilações aquela onda é capaz de completar em um determinado período de tempo. Geralmente, ela é medida em oscilações por segundo, que se relaciona com a unidade dos Hertz (Hz).
Por exemplo, se uma onda tem 40 Hz por segundo, significa que ela oscila 40 vezes em um segundo. Quanto maior a frequência da onda, mais rapidamente ela se movimenta, o contrário do vimos para T.
Na imagem acima, note que,as ondas iniciais são mais largas, demoram mais tempo para chegarem ao ponto inicial. Isso significa que elas são mais lentas, com grande período e menor frequência.
Na onda rosa, entretanto, observe uma grande rapidez para voltar ao mesmo ponto. Assim o período é curto e a frequência de propagação é alta.
Comprimento de onda (λ)
Na física, as ondas também têm um comprimento, que é o espaço que elas vão percorrer até que completem uma oscilação. O símbolo que representa essa grandeza é λ (lê-se lambda) e ele pode ser medido ao observar alguns pontos da onda.
A melhor forma de encontrar o λ de uma onda qualquer é observar o seu pico (parte mais alta). A partir de então, onde você encontrar um novo pico, você mede a distância entre um pico e outro. Pronto, aqui está representado o comprimento de onda. Observe no esquema.
Amplitude
A amplitude da onda mede, geralmente, qual a distância vertical (em metros) que ela consegue alcançar. Basicamente, mede a distância entre o centro da onda vales (altura máxima) ou ondas (altura mínima). Lembre-se que a amplitude não é a soma entre a distância de vales e picos, veja bem no gráfico abaixo.
Velocidade
Por fim, a velocidade de uma onda é medida em metros por segundo (m/s) e mede a rapidez com que esse movimento ondulatório se propaga pelo espaço. Ela pode ser obtida pela fórmula abaixo, que você pode memorizar como vem (v) lamber (λ) farofa (f):
v = λ.f
+ Veja também: Fórmulas de Física para o Enem e vestibulares
Fenômenos ondulatórios
Reflexão de ondas
As ondas sofrem reflexão quando batem sobre um meio e voltam para o ambiente de onde veio. Um exemplo clássico são os exemplos: os raios luminosos incidem sobre ele e voltam para o meio externo ao espelho, é isso que possibilita que nos enxerguemos (reflexo).
Refração
A refração acontece quando uma onda viaja de um meio para outro, que tenha características diferentes. Por exemplo, alguns materiais permitem uma propagação mais fácil da luz, enquanto outros oferecem mais resistência. Às vezes, isso significa uma alteração no trajeto da onda.
A representação abaixo ilustra a reflexão de onda no meio k1 e os ângulos Θ1 e Θ1’. Quando ocorre a refração, há uma mudança na trajetória a ponto de surgir um novo ângulo (Θ2) e isso aconteceu porque a propagação atingiu outro meio com mais resistência ao deslocamento ondulatório.
Difração
A difração acontece quando as ondas conseguem atravessar obstáculos, até mesmo por meio de pequenas frestas. É o que permite que escutemos o que está acontecendo do outro lado da parede, por exemplo.
Interferência
A interferência é um fenômeno da ondulatória em que ondas diferentes encontram-se e podem atrapalhar ou beneficiar a propagação uma da outra naquele ponto.
Por exemplo, quando o pico de duas ondas se encontram, forma-se um pico de maior amplitude exatamente naquela região do espaço. Se são dois vales, então eles também se somam formando um “grande vale”. Entretanto, nos casos em que um pico encontra um vale, a interferência será negativa.
Esse evento é o que acontece quando duas ondas de rádio interferem-se entre si e resultam em sons estranhos, principalmente nos carros, quando estamos em rodovias ou estradas afastadas do ambiente urbano.
Ressonância
A ressonância acontece quando dois movimentos ondulatórios iguais acontecem ao mesmo tempo. Por exemplo, ocorre uma vibração do ar na em uma frequência X devido a uma onda sonora e, ao mesmo tempo, um diapasão admite a mesma vibração em sua estrutura interna. Como resultado, o corpo do diapasão absorve a vibração externa, assim, ganha mais movimentos vibratórios.
Polarização
A polarização serve para escolher uma direção de propagação para a onda. Isso é feito por meio de uma ferramenta polarizadora, que filtra qual direção será permitida e qual deixará de existir, conforme indicado na animação abaixo.
Esse é o princípio utilizado em filmes e animações em 3D. Cada lado do óculos oferecido filtra uma direção da luz. A partir disso, as ondas se combinam no cérebro humano e criam a tridimensionalidade.
+ Veja mais: Física no Enem: o que mais cai
Ondas estacionárias
As ondas estacionárias acontecem quando duas ondas de sentidos opostos e frequências iguais se encontram no espaço. Elas geralmente acontecem na acústica, como em cordas de violão, e estão relacionadas com comprimentos e frequências específicas para cada nota musical.
Em geral, elas formam uma espécie de “barriguinha” que se distribui por toda a extensão da corda. Cada barriga corresponde a meio comprimento de onda. Acompanhe o esquema abaixo.
- L é o comprimento total da corda;
- Em 1, meia onda (apenas uma barriga) está distribuída pela extensão;
- Em 2, por sua vez, existem duas barrigas que se espalham por todo o comprimento L; e
- Em 3, uma onda e meia (três barrigas) estão dispostas, de forma estacionária.
Questão de vestibulares sobre ondas na física
(Enem 2018) O sonorizador é um dispositivo físico implantado sobre a superfície de uma rodovia de modo que provoque uma trepidação e ruído quando da passagem de um veículo sobre ele, alertando para uma situação atípica à frente, como obras, pedágios ou travessia de pedestres. Ao passar sobre os sonorizadores, a suspensão do veículo sofre vibrações que produzem ondas sonoras, resultando em um barulho peculiar. Considere um veículo que passe com velocidade constante igual a 108 km/h sobre um sonorizador cujas faixas são separadas por uma distância de 8 cm.
Disponível em: www.denatran.gov.br.
Acesso em: 2 set. 2015 (adaptado).
A frequência da vibração do automóvel percebida pelo condutor durante a passagem nesse sonorizador é mais próxima de:
a) 8,6 hertz.
b) 13,5 hertz.
c) 375 hertz.
d) 1 350 hertz.
e) 4 860 hertz.
A questão é enfática ao transmitir a velocidade do carro. Vamos admitir que essa também seja a velocidade da onda e que, a cada passagem no sonorizador, inicia-se uma nova oscilação. Diante disso, já temos o valor de λ. Fica ainda, a responsabilidade de converter as unidades para os padrões do SI, em metros e segundos:
108 000 m — 3600 s
v m — 1s
108 000 = 3600 . v
1080 = 36.v
v = 30 m/s
100 cm — 1 m
8 cm — λ m
100.λ = 8
λ = 0,08 m
Com os valores de v e λ já convertidos, podemos aplicar a fórmula do vem lamber farofa:
v = λ.f
30 = 0,08.f
30/0,08=f
f = 375 Hz, conforme está descrito na alternativa C.
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