Veja como funcionam a acústica e os fenômenos envolvidos na propagação do som.
A acústica é uma área da Física facilmente aplicada ao nosso cotidiano. Nesta aula, vamos aprender o que são ondas sonoras e como funciona a propagação do som.
O que são ondas sonoras
Considere a mola da figura abaixo sendo comprimida e relaxada periodicamente em uma de suas extremidades. Obtém-se com isso o padrão de uma onda longitudinal, onde a direção de vibração é paralela à direção de propagação da onda.
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Dizemos que a distância entre duas regiões consecutivas de compressão (ou expansão) é chamada de comprimento de onda. Uma outra maneira de obtermos uma onda longitudinal também é apresentada na figura acima, dentro de um tubo através do movimento de um êmbolo pra frente e para trás. Ondas longitudinais de pressão, que se propagam no ar e em fluidos, são chamadas de ondas sonoras. Isso é som!
Atenção: ondas sonoras são perturbações elásticas de origem mecânica, ou seja, são ondas mecânicas. Portanto, não podem se propagar no vácuo.
O sistema auditivo de um ser humano é sensibilizado por ondas sonoras de frequências compreendidas na faixa de 20 Hz a 20.000 Hz. Esta faixa é chamada de faixa audível. Esses limites podem varia de pessoa pra pessoa dependendo de vários fatores, dentre eles, a idade.
Ondas sonoras cuja frequência seja inferior a 20 Hz são chamadas de infrassons e ocorrem, por exemplo, precedendo abalos sísmicos. Animais como cavalos e elefantes possuem um sistema auditivo capaz de ser sensibilizado por esse tipo de onda e, devido a isso, pressentem a ocorrência de terremotos.
Já as ondas sonoras com frequência superior a 20.000 Hz são denominadas ultrassons e são perceptíveis por animais como cachorros, gatos, morcegos e outros.
A velocidade do som
Você já percebeu que durante uma tempestade, é comum ouvirmos o trovão alguns segundos após termos visto o relâmpago. Ao ouvirmos um avião comercial cruzar o céu, procuramos localizá-lo na direção da qual o somo provém e, para nossa surpresa, percebemos que nossa linha de visão fica a certa distância do avião.
Raio, relâmpago e trovão são coisas distintas. Raio é a soma de um relâmpago e seu trovão. O relâmpago surge da descarga elétrica, em uma tempestade, por exemplo, enquanto que o trovão é o som produzido por esta descarga.
Esses exemplos sugerem que o som se propaga no ar com uma velocidade inferior à velocidade da luz. Enquanto a luz se propaga no ar com uma velocidade aproximada de 300.000.000 m/s o som se propaga com uma velocidade de 340 m/s.
A velocidade do som nos sólidos é maior do que nos líquidos devido ao fato de que as moléculas estão mais próximas nos sólidos. Entenda, já que o som é uma onda longitudinal e precisa de “encostar” nas moléculas, ou seja, precisa criar regiões de alta e baixa pressão para que as moléculas se choquem umas com as outras, nos sólidos essa colisão é privilegiada uma vez que suas moléculas estão arranjadas mais ordenadamente e mais próximas umas das outras.
De fato, a velocidade do som no ar é de 340 m/s enquanto que no ferro essa velocidade salta para 4.480 m/s. Antigamente os soldados podiam escutar uma tropa inimiga marchando a quilômetros de distância escutando o som no chão!
Vale ressaltar ainda que, tratando-se de ondas periódicas, valem para todas as onda sonoras as considerações relativas a amplitude, período, frequência, velocidade, comprimento de onda e inclusive a equação:
v = λ . f
A barreira do som
Como dito anteriormente, a velocidade do som no ar é aproximadamente 340 m/s ou 1.220 km/h. O primeiro físico a medir a velocidade do som no ar foi Ernst Mach (1838-1916). Convencionou-se chamar de número de Mach a razão entre a velocidade de um veículo no ar e a velocidade do som no meio.
Deste modo, quando o veículo (um avião, por exemplo) se desloca com a velocidade igual à do som no ar, dizemos que sua velocidade é MACH 1. Aviões comerciais desenvolvem velocidades inferiores que MACH 1. Veículo com velocidades maiores que MACH 1 são chamados de supersônicos e veículos com velocidades acima de MACH 5 são hipersônicos.
Quando um avião comercial se desloca, ele empurra para o lado as moléculas de ar ao seu redor e assim ocorre uma variação de pressão do ar. Essa variação de pressão se afasta do avião em forma de onda sonora. O som dos motores do avião também se afasta do avião. Se o avião for subsônico (ou seja, possuir uma velocidade inferior à velocidade do som), você ouve o som dos motores, mas não percebe a onda de pressão causada pelo movimento do avião.
Avião supersônico
Quando o avião é supersônico, as variações de pressão produzidas pelo movimento do avião ainda se afastam do avião em forma de ondas sonoras, mas agora elas são mais lentas que o avião e se acumulam para formar um cone, chamado cone de Mach igual ao da figura acima. Enquanto o avião se desloca o cone se desloca junto com o avião enquanto ele estiver a uma velocidade supersônica. Em um estrondo sônico, você ouve principalmente essas ondas sonoras acumuladas, chamadas ondas de choque.
Cone formado pela condensação da umidade do ar provocada pela quebra da barreira do som por um avião supersônico
A onda de choque associada a um avião supersônico é a soma das ondas de choque produzidas pelo nariz, pelos motores, pela junção asa-fuselagem e pela cauda da aeronave e quando chegam ao solo, essas ondas podem se combinar produzindo um único estrondo sônico.
Videoaula sobre acústica e ondas sonoras
Para terminar sua revisão, assista à videoaula gravada pelo professor Rosseto para o canal do Curso Enem Gratuito.
Exercícios sobre acústica
Agora que você já aprendeu tudo sobre acústica e as ondas sonoras, resolva os exercícios abaixo!
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Pergunta 1 de 10
1. Pergunta
(UNIFOR CE/2010)
Em aerodinâmica, a barreira do som é a aparente barreira física que dificulta grandes objetos de atingirem velocidades supersônicas.
Ao atingir velocidade igual a do som (Mach 1 = 1226 km/h ao nível do mar, em condições normais de temperatura e pressão), um avião estará comprimindo o ar à sua frente e acompanhando as ondas de pressão (o seu próprio som) com a mesma velocidade de sua propagação. Isso resulta numa superposição de ondas no nariz do avião.
Se o avião persistir com essa velocidade exata por algum tempo, à sua frente se formaria uma verdadeira muralha de ar, pois todas as ondas formadas seriam superpostas no mesmo lugar em relação ao avião. Esse fenômeno é conhecido como Barreira Sônica.
Quando o ar em fluxo supersônico é comprimido, sua pressão e densidade aumentam, formando uma onda de choque, sendo conhecido como estrondo sônico.
Com relação à Barreira Sônica, classifica-se como alternativa verdadeira:
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Pergunta 2 de 10
2. Pergunta
(IBMEC SP Insper/2017)
Em determinado laboratório de pesquisas sonoras, ambiente acusticamente isolado do meio exterior, estão instalados um decibelímetro e um medidor de frequências de ondas sonoras. Em certo momento, uma fonte emite ondas e os aparelhos acusam 90 dB e 1,4 kHz, respectivamente. Considere o diagrama seguir e adote Io = 10–16 W/cm2 a intensidade mínima de referência.
(M. Pietrocola, R. Andrade, T. R. Romero, A. Pogibin. Física em contextos. Vol. 2)
O som emitido está na faixa de
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Pergunta 3 de 10
3. Pergunta
(UEMA/2012)
Técnicos em acústica utilizam o caráter ondulatório do som para eliminação, total ou parcial, de ruídos indesejáveis. Para isso, microfones captam o ruído do ambiente e o enviam a um computador, programado para analisá-lo e para emitir um sinal ondulatório que anule o ruído original indesejável. Em qual fenômeno ondulatório se fundamenta essa tecnologia?
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Pergunta 4 de 10
4. Pergunta
(UNIFOR CE/2012)
A persistência acústica do ouvido humano (tempo que o som emitido leva para se extinguir totalmente) é de, no mínimo, 0,1 s. Considerando que a velocidade do som no ar é de 340 m/s, podemos concluir que uma pessoa ouve o eco (som refletido) de sua própria voz se estiver afastada do obstáculo refletor em, no mínimo:
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Pergunta 5 de 10
5. Pergunta
(UECE/2017)
Uma corda de 60 cm, em um violão, vibra a uma determinada frequência. É correto afirmar que o maior comprimento de onda dessa vibração, em cm, é
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Pergunta 6 de 10
6. Pergunta
(UEA AM/2017)
Um observador ouve o apito de um trem se aproximando e depois se afastando, conforme figuras 1 e 2.
Sabendo que o apito do trem soa com frequência natural contínua, a frequência do apito ouvida pelo observador
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Pergunta 7 de 10
7. Pergunta
(FM Petrópolis RJ/2018)
Nas extremidades de uma corda vibrante de 80 cm de comprimento, são produzidos dois pulsos que se propagam em sentidos opostos. A velocidade de propagação de pulsos nesta corda é 10 cm/s.
Nas duas Figuras a seguir, mostram-se imagens da corda em repouso (indicando pontos uniformemente distanciados sobre ela) e com os pulsos produzidos sobre ela no instante t = 0.
Cinco das oito configurações abaixo correspondem a imagens obtidas a partir da observação da propagação dos pulsos.
A sequência temporal das configurações que corresponde ao perfil dos pulsos na corda é
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Pergunta 8 de 10
8. Pergunta
(UNCISAL AL/2018)
Correto
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Pergunta 9 de 10
9. Pergunta
(UNITAU SP/2018)
Um gerador de ondas está ligado a uma das pontas de uma corda que tem 0,25m de comprimento. A outra ponta da corda está presa numa parede. Depois de um determinado tempo, observa-se uma das figuras de ressonância abaixo.
Sabendo que a frequência de operação do gerador é de 600 Hz e que a densidade da corda é de 60 g/m, é CORRETO afirmar que a tensão necessária para produzir tal figura de ressonância é de
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Pergunta 10 de 10
10. Pergunta
(FMABC SP/2018)
A figura 1, abaixo, mostra um estetoscópio, instrumento utilizado na ausculta médica.
(www.fibracirurgica.com.br)
A campânula funciona como um tubo sonoro fechado em uma de suas extremidades, de modo que a frequência fundamental de ressonância ocorre quando se produz uma onda sonora com um nó na extremidade fechada e o ventre adjacente na extremidade aberta, como mostra a figura 2. Se a campânula tem profundidade 6,0 mm, o comprimento de onda da onda correspondente à frequência fundamental de ressonância dessa campânula é
Correto
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Sobre o(a) autor(a):
O texto acima foi elaborado pelo Prof. Dr. Fernando Henrique Martins. Fernando é bacharel e licenciado em Física pela Universidade de Brasília, possui Mestrado (pela UnB) e Doutorado em Nanotecnologia pela Université Pièrre et Marie Curie (Paris/França). Foi professor de ciências, matemática e física em várias escolas de Brasília e Florianópolis atuando desde o ensino fundamental ao ensino médio. Fernando também lecionou disciplinas de física para diversos cursos de engenharia e física na Universidade Federal de Santa Catarina.
E-mail: [email protected]
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