Acústica

Veja como funcionam a acústica e os fenômenos envolvidos na propagação do som. Estude Física para o Exame Nacional do Ensino Médio!

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.

Estrondo sônico 1

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

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.

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:

Estrondo sônico 3
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.

Estrondo sônico 5
Cone formado pela condensação da umidade do ar provocada pela quebra da barreira do som por um 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.

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

Fique agora com alguns exercícios de acústica:

 

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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