Acústica

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.

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!

OBS.: Ondas sonoras são perturbações elásticas de origem mecânica e, 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.

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:

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.

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.

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.

Confira a aula do prof. Rossetto e veja a resolução de um exercício!

Fique agora com algumas questões de vestibulares para fixar os conceitos abordados neste post e até a próxima.

1) Unicap-PE

Julgue os itens a seguir:

(C)(E) Para uma onda que se propaga em um certo meio, quanto maior o comprimento de onda, menor é a frequência.

(C)(E) A direção da propagação de uma onda não se altera quando ela passa obliquamente de um meio para outro.

(C)(E) As cordas de uma harpa possuem comprimentos diferentes, para emitirem notas diferentes, e quanto maior o comprimento da corda, mais agudo será o som.

(C)(E) A sensação sonora é estimulada em nossos ouvidos por uma onda transversal cuja frequência está compreendida entre 20 Hz e 20000 Hz.

(C)(E) Uma onda sonora se propaga no ar (Var = 340 m/s), cujo comprimento de onda é λ = 34 m, é um infra-som.

2) UFV – MG

Em alguns filmes de ficção científica a explosão de uma nave espacial é
ouvida em outra nave, mesmo estando ambas no vácuo do espaço sideral. Em relação a este fato é correto afirmar que:

a) isto não ocorre na realidade, pois não é possível a propagação do som no vácuo.

b) isto ocorre na realidade, pois, sendo a nave tripulada, possui seu interior preenchido por gases.

c) isto ocorre na realidade, uma vez que o som se propagará junto com a imagem da mesma.

d) isto ocorre na realidade, pois as condições de propagação do som no espaço sideral são diferentes daquelas daqui da Terra.

e) isto ocorre na realidade e o som será ouvido inclusive com maior nitidez, por não haver meio material no espaço sideral.

3) Fuvest-SP

Uma onda eletromagnética propaga-se no ar com velocidade praticamente igual à da luz no vácuo (c = 3 x 108 m/s), enquanto o som propaga-se no ar com velocidade aproximada de 330 m/s. Deseja-se produzir uma onda audível que se propague no ar com o mesmo comprimento de onda daquelas utilizadas para transmissões de rádio em frequência modulada (FM) de 100 Mhz (100 x 106 Hz). A frequência da onda audível deverá ser aproximadamente de:

a) 110 Hz

b) 1033 Hz

c) 11.000 Hz

d) 108 Hz

e) 9 x 1013 Hz

4) U. Alfenas-MG

Uma onda sonora de frequência 960 Hz é emitida no ar, onde sua velocidade
é de 340 m/s. Quando essa onda passa para a água, onde sua velocidade é de 1450 m/s, o valor do comprimento de onda λ será, aproximadamente,

a) 0,35 m.

b) 0,66 m.

c) 1,51 m.

d) 1,86 m.

e) 2,82 m.

Gabarito:

1) CEEEC

2) A

3) A

4) C

Faça o Simulado