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.
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.
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.
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!
Sumário do Quiz
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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:
Correto
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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
Correto
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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
Correto
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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] Facebook: https://www.facebook.com/nando.martins.376?ref=bookmarks
