Fenômenos ondulatórios: reflexão, refração e difração

Os fenômenos ondulatórios ocorrem quando uma onda se propaga em um determinado meio, encontra algum obstáculo e interage com ele. Entenda melhor nesta aula de Física!

Na aula de hoje iremos falar sobre alguns fenômenos ondulatórios que são muito cobrados no Enem: reflexão, refração e difração. Vamos diferenciar cada um deles e mostrar suas aplicações em nosso dia a dia.

Ondas

Quando falamos em onda, pode ser que vários tipos de imagens surjam em sua cabeça. Como, por exemplo, a imagem das ondas do mar.

Contudo, o conceito de onda na Física é fundamental para o estudo de diversos outros fenômenos. É por meio desses estudos que podemos saber, por exemplo, como é possível ouvir o som de um instrumento, enxergar o mundo a nossa volta, e até saber como funcionam alguns exames médicos.

Sendo assim, você pode perceber que há diversos fenômenos que envolvem o estudo sobre as ondas, e é isso que você verá nesta aula de física sobre fenômenos ondulatórios: reflexão, refração e difração.

Onda no marFigura 1: Quando pensamos em ondas, geralmente lembramos das ondas do mar, como a representada nessa imagem. Porém, o conceito de onda na física abrange uma série de outros fenômenos que serão estudados ao longo dessa aula.

Fenômenos ondulatórios

Então, vamos começar nossa aula definindo o que são os fenômenos ondulatórios.

Imagine que uma onda se propaga em um certo meio e, porventura, encontre algum obstáculo ou um outro meio. Essa onda irá interagir com esses obstáculos ou diferentes meios e isso acaba gerando nelas alguns comportamentos específicos. Esses comportamentos são chamados de fenômenos ondulatórios.

Como você já viu acima, nessa aula iremos falar sobre fenômenos ondulatórios específicos: a reflexão, a refração e a difração. Mas, antes de nos aprofundarmos nesses fenômenos, precisamos definir dois termos que iremos utilizar muito quando falamos sobre ondas: frente de onda e raio de onda.

Frente de onda - fenômenos ondulatóriosFigura 2: Desenho esquemático representando a frente de onda e os raios de onda.

A partir da imagem acima, podemos perceber que chamamos de frente de onda a fronteira da região ainda não atingida pela onda com a região já atingida.

Enquanto isso, o raio de onda é uma linha que representa a direção de propagação da onda em um certo ponto, como também podemos ver na figura 2.

Definindo esses dois conceitos, agora podemos passar para os fenômenos ondulatórios em si.

Reflexão das ondas

Você sabia que a maioria dos navios e submarinos é equipada com o sonar? E que a palavra “sonar” é uma abreviação de sound navigation ranging, que significa “determinação de distância para a navegação pelo som”?

Pois bem, acontece que o sonar é um aparelho que emite ondas sonoras, com frequências de 20000 Hz a 100000 Hz. A onda emitida pelo sonar, ao ser refletida por objetos submersos, permite aos navios e submarinos desviar de obstáculos e localizar navios afundados, submarinos, cardumes de peixes, ou ainda qualquer outro objeto que se interesse.

Sonar - Fenômenos ondulatóriosFigura 3: Representação de ondas lançadas pelo sonar de um navio que encontra um submarino a baixo do mar.

Essa técnica utilizada pelo sonar é baseada em um fenômeno físico que ocorre com as ondas em geral: a reflexão. Para entender melhor como isso é possível, vamos analisar o que ocorre com uma onda quando ela sofre reflexão e quais leis que regem esse fenômeno.

Na figura 4, observamos uma onda se propagando em um dado meio quando atinge uma superfície e sofre uma reflexão.

Reflexão de onda - Fenômenos ondulatóriosFigura 4: Uma onda, representada pelas frentes de onda, incide sobre um obstáculo (barreira refletora) entre dois meios e sofre reflexão. Tanto os raios incidentes como os refletidos estão no mesmo meio.

Podemos observar na imagem acima que, ao ser refletida, a onda retorna ao meio de origem. Assim, como a velocidade da onda é uma característica do meio de propagação, a velocidade da onda refletida é a mesma que a da onda incidente, pois ambas se propagam no mesmo meio.

Além disso, a frequência, que é uma característica da fonte geradora da onda, também permanece inalterada com a reflexão e, em decorrência disso, o comprimento de onda também não se modifica.

Leis da reflexão das ondas

Há duas leis fundamentais que regem a reflexão das ondas:

  • 1ª lei da reflexão: a onda incidente, a onda refletida e a reta normal à superfície estão no mesmo plano, ou seja, são coplanares.
  • 2ª lei da reflexão: o ângulo da onda de incidência é igual ao ângulo da onda de reflexão (i = r).

Leis de reflexão de ondas - Fenômenos ondulatóriosFigura 5: Desenho esquemático de onda incidente, onda refletora e reta normal são coplanares. Ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Refração das ondas

Podemos considerar que uma onda sofre refração quando atinge uma fronteira de separação entre dois meios de propagação e, com isso, passa a se propagar no outro meio. Ao entrar no outro meio, a velocidade de propagação da onda se modifica.

Refração de uma onda - Fenômenos ondulatóriosFigura 6: Refração de uma onda ao mudar de meio de propagação.

Como você pode observar na figura 6 acima, as frentes de onda passam de um meio 1 para um meio 2 e acabam sofrendo refração.

Isso porque a principal característica de uma refração é a alteração da velocidade de propagação da onda e, dependendo do ângulo de incidência (i), pode ocorrer ou não uma mudança na direção de propagação.

Dessa maneira, a frequência da onda, que é uma característica adquirida na fonte, não se altera no fenômeno da refração, mas o comprimento de onda sim.

Em seguida temos uma equação que consegue descrever o comportamento da refração das ondas:

Equação de refração de ondas

Onde:

i = ângulo de incidência do meio 1

r = ângulo de incidência do meio 2

v1 = velocidade de propagação no meio 1

v2 = velocidade de propagação no meio 2

λ1 = comprimento de onda no meio 1

λ2 = comprimento de onda no meio 2

Por fim, vamos voltar ao nosso exemplo anterior, quando falamos do sonar. A sua utilização pelos navios pode apresentar algumas dificuldades por causa da refração do som sob a água. Em virtude da mudança de temperatura da água com o aumento da profundidade, a velocidade das ondas sonoras irá variar, o que pode acarretar problemas de localização de alguns objetos submersos.

Difração de ondas

Para começarmos a entender o fenômeno ondulatório da difração, vamos analisar a figura 7:

Difração do som - Fenômenos ondulatóriosFigura 7: desenho esquemático demonstrando pessoas separadas por uma parede onde há uma abertura. A pessoa de verde, de um dos lados da parede, não vê as pessoas de azul (do outro lado da parede), porém ela os escuta. Por que isso acontece?

Na ilustração acima podemos constatar que a pessoa de verde não consegue ver as pessoas de azul do outro lado do muro. Contudo, a pessoa de verde, na posição que ela se encontra, consegue escutar os que as outras duas estão conversando.

Com isso fica a questão: se tanto o som quanto a luz se propagam no ar como ondas, por que o som consegue chegar até a pessoa de verde, mas a luz não?

Esse fato pode ser explicado por um fenômeno que ocorre com as ondas, denominado difração.

A difração ocorre quando uma onda encontra uma fenda ou um obstáculo em seu percurso. As ondas conseguem contornar esses obstáculos e fendas, e, assim, conseguem chegar em regiões que não seriam atingidas se elas apresentassem apenas uma propagação retilínea.

O fenômeno da difração pode ocorrer tanto para ondas mecânicas quanto para as eletromagnéticas. Mas as condições para que a difração ocorra dependem da relação entre o comprimento de onda e o tamanho da fenda ou do obstáculo.

Quanto menor for o comprimento de onda (λ) em relação ao tamanho da fenda ou do obstáculo (d) atingido, menor será a capacidade de contorna-lo. Ou seja, para que a difração ocorra, o comprimento de onda deverá ser maior que o tamanho da fenda ou do obstáculo.

Difração do som por fendasFigura 8: Na primeira imagem o comprimento de onda é menor que a fenda. Na segunda imagem o comprimento de onda é maior ou igual ao da fenda.

Difração de ondas e da luz

Com base nessas afirmações podemos voltar para a figura 7 e observar que, para o caso das ondas sonoras, o comprimento de onda (na ordem de metros) normalmente é maior do que o tamanho das fendas ou obstáculos. Assim, a difração ocorre com facilidade.

Por outro lado, como o comprimento de onda da luz visível é muito pequeno (da ordem de décimos de milésimos de milímetros) quando comparado às dimensões das fendas ou obstáculos, o fenômeno da difração com a luz é muito difícil de ser observado.

E é por isso que a pessoa de verde ouve as pessoas de azul conversando, mas  não consegue vê-las, pois a luz não sofre uma difração neste caso, mas o som sim.

Videoaula sobre fenômenos ondulatórios

Quer saber mais sobre Fenômenos Ondulatórios? Então se liga nessa super aula do canal Prof Física – Tai:

Exercícios sobre fenômenos ondulatórios

1- Uma experiência muito útil para se verificar a validade de um fenômeno ondulatório é gritar para uma pessoa que está do outro lado de um muro alto. Essa experiência ajuda a mostrar que o som sofre qual fenômeno?

a) reflexão

b) difração

c) refração

d) ressonância

e) polarização

2- Marque a alternativa correta a respeito dos fenômenos da refração e reflexão de ondas.

a) A reflexão de ondas em cordas é caracterizada por uma inversão de fase dos pulsos refletidos.

b) Na reflexão, assim como na refração, a frequência da onda refletida é alterada.

c) Na refração de ondas na água, as ondas que passam de uma região de maior profundidade para uma região de menor profundidade têm seu comprimento diminuído.

d) Na refração de ondas eletromagnéticas, as ondas do meio com menor índice de refração possuirão maior frequência.

e) A alteração do comprimento de onda é uma característica de ondas que sofrem refração e reflexão.

3- No que se refere aos fenômenos ondulatórios, assinale o que for correto:

01) Ao passar de um meio para outro uma onda tem sua frequência alterada.

02) Quando uma onda se reflete em uma barreira, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

04) Em uma onda transversal, os pontos do meio em que ela se propaga vibram perpendicularmente à direção de sua propagação.

08) A velocidade de propagação de uma onda depende do meio em que ela se propaga.

Gabarito:

  1. B
  2. C
  3. 14

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica

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