O que são ondas sonoras e quais são suas características

Hoje iremos falar sobre um assunto muito cobrado no Enem e também que nos deixa muito curiosos: as ondas sonoras. Bora revisar sobre Acústica para mandar bem em Física?

Ondas sonoras no espaço

Você já deve ter visto filmes que acontecem no espaço (Star Wars, por exemplo, é um clássico) e que, por vezes, acontecem grandes explosões ou brigas com armas de fogo e tiros. Na maioria dos filmes, principalmente os mais antigos, é possível escutar os estrondos dessas explosões no espaço.

Mas você já se perguntou se isso é possível? Como o som se comporta nesse ambiente sem nenhum meio material (vácuo)?

Na aula de hoje iremos falar sobre as ondas sonoras, quais suas características, e ainda sobre algumas propriedades fisiológicas do som para que ao final desse texto você saiba tudo sobre Acústica e consiga responder à essas perguntas (além de arrebentar no Enem, é claro!).

Figura 1: “Física estudar agora vamos!” As aventuras espaciais vividas por mestre Yoda e outros personagens de Star Wars não deveriam ter tantos sons de explosão como representados nos filmes.

Ondas sonoras e a audição

A audição é um dos sentidos que o ser humano utiliza para perceber o mundo que o cerca. Contudo, como sabemos, não é o único, já que as pessoas com dificuldades auditivas possuem outros recursos para captar informações do ambiente e se comunicar.

Todavia, as pessoas que possuem uma boa audição podem, por meio dela, identificar vozes conhecidas, sons de tipos de objetos que caem no chão, canto de pássaros, instrumentos musicais, ruídos de carros. Enfim, os órgãos auditivos são capazes de captar inúmeras informações do ambiente em sua volta.

Mas para que isso aconteça é necessário que as ondas sonoras se propaguem e cheguem até as nossas orelhas (que em uma nomenclatura mais antiga eram chamadas de ouvidos).

Isso porque a orelha é o órgão sensorial que transforma as ondas sonoras em estímulos elétricos que seguem até o cérebro, onde são interpretados. Com isso, são produzidas as sensações sonoras.

O que são ondas sonoras

O som resulta da propagação das ondas sonoras que, por sua vez, são provocadas por corpos em vibração. Todos os corpos que emitem som precisam, necessariamente, ser capazes de vibrar e são chamados de fontes sonoras.

As ondas sonoras são longitudinais, ou seja, a direção de vibração coincide com a direção de propagação das ondas (figura 2).

Figura 2: Representação de uma onda longitudinal, onde a direção de vibração é a mesma que a direção de propagação.

As ondas sonoras possuem origem mecânica, ou seja, necessitam de um meio material para a sua propagação. É por esse motivo que o som não se propaga no vácuo.

Por isso, os efeitos sonoros que escutamos em filmes que acontecem no espaço (como em Star Wars), são na verdade, uma grande enganação fictícia em prol da emoção do cinema. Caso ocorresse uma grande explosão no espaço, não haveria nenhuma propagação de ondas sonoras, ou seja, não escutaríamos nada.

Mas, voltando à explicação do que são as ondas sonoras, vamos aprofundar um pouco mais o assunto. Imagine que uma vibração periódica de uma fonte (uma lâmina, por exemplo) provoque ondas de compressão e expansão que se propagam no ar.

A energia de vibração da lâmina é transferida para as moléculas de ar, que se movimentam ao longo da linha de propagação da onda. Esse fato caracteriza as ondas sonoras como longitudinais.

Velocidade do som

Como falamos acima, para que o som se propague como uma onda mecânica, é necessário que haja um meio material. E conforme esse meio material varia, a velocidade de propagação do som também irá variar.

A velocidade de propagação do som é maior em um meio sólido do que em um meio líquido, e maior em um meio líquido do que em um meio gasoso. Por exemplo, a 20°C a velocidade do som no ar é de, aproximadamente, 340 m/s, na água é de 1500 m/s, e no ferro 5100 m/s. Podemos dizer que:

V_{som (sólido)} > V_{som (líquido)} > V_{som (gás)}

Isso ocorre porque a velocidade de propagação das ondas sonoras irá variar de acordo com as propriedades elásticas do meio. Essas propriedades, por sua vez, dependem de outros fatores, como a temperatura, por exemplo.

Podemos comparar a velocidade do som com a velocidade da luz (300 000 km/s). A velocidade da luz é maior que a velocidade do som em qualquer meio que podemos considerar. Um exemplo legal dessa diferença pode ser observado em uma tempestade, pois o ruído do trovão sempre chega depois de termos observado a luz do relâmpago.

Características das ondas sonoras

Ao descrevermos as características do som, antes de qualquer influência tecnológica, iremos utilizar como parâmetro nossa sensibilidade auditiva. Ou seja, vamos destacar as qualidades que dependem da interação do ser humano com o som, que são a altura, a intensidade e o timbre.

• Altura

A altura está relacionada com a frequência da onda sonora e recebe o nome de som grave ou som agudo. Quanto maior a frequência, mais agudo é o som. Quanto menor a frequência, mais grave é o som.

Figura 3: Representação de uma onda sonora com som agudo (f1) e com som grave (f2).

• Intensidade

A intensidade I de uma onda sonora está relacionada à energia transportada por segundo através da unidade de área que o som atravessa.

Quanto maior a quantidade de energia por unidade de tempo que a onda transporta, maior é a intensidade do som.

Figura 4: Representação de intensidade sonora em ondas sonoras, que também podemos chamar de volume, ou som forte e som fraco.

• Timbre

O timbre é a característica que nos permite distinguir dois sons de mesma altura e mesma intensidade, mas que são emitidos por fontes sonoras diferentes. Por exemplo, a mesma nota musical, emitida por um violino e por uma flauta, é facilmente identificada pela orelha, justamente por causa da diferença de timbres.

Figura 5: Diferença de timbre entre uma flauta e um violino.

Fisiologia do Som

Embora a sensibilidade da orelha humana possa sofrer variação à medida que a pessoa envelhece, podemos dizer que uma pessoa com audição normal tem capacidade auditiva para identificar ondas sonoras cuja faixa de frequência esteja compreendida entre 20 Hz e 20 000 Hz.

Figura 6: Fisiologia do som dentro da orelha humana.

O que chamamos hoje de orelha na totalidade, antes era dividida em três partes: ouvido externo, ouvido médio e ouvido interno.

O ouvido externo é o responsável pela captura do som, até é por isso que nossa orelha parece mesmo uma concha, para captar melhor os sons ambientes.

O som percorre um caminho até chegar ao nosso tímpano, que consiste em uma pequena membrana capaz de vibrar. Ao vibrar, o tímpano leva essa vibração para o ouvido médio, região onde se encontram 3 ossinhos que também vibram (martelo, bigorna e estribo).

Por último, essa vibração atinge o ouvido interno através do estribo, onde se encontra a cóclea e os cílios internos a ela. Cada um desses cílios é responsável pelo envio de impulsos nervosos até o nosso cérebro, que recebe essa informação e a transforma em sons que conseguimos identificar.

Audição em animais

A capacidade auditiva de outros animais é diferente da do ser humano. Os cães, por exemplo, podem ouvir sons no intervalo entre 15 Hz e 50 000 Hz. Já os golfinhos e morcegos são bem mais sensíveis a sons de alta frequência, pois sua capacidade auditiva está entre 150 Hz e 150 000 Hz e entre 1 000 Hz e 120 000 Hz, respectivamente.

Enquanto alguns animais são capazes de emitir e detectar frequências de ultrassons, como o morcego, há aqueles que conseguem detectar frequências de infrassons, como os elefantes, que se comunicam a grandes distâncias.

As pesquisas a partir desse conhecimento das ondas sonoras e suas faixas de frequências possibilitaram o aprofundamento de estudos e conhecimentos que são muito utilizados atualmente. Podemos encontrar alguns exemplos na medicina, com exames (ultrassonografia, cardiologia etc.), e também para localização em navegações, como os navios que utilizam os sonares.

Videoaula sobre ondas sonoras

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

Exercícios

Mas agora vamos exercitar?

1- (UFSCar – SP)

Um homem adulto conversa com outro de modo amistoso e sem elevar o nível sonoro de sua voz. Enquanto isso, duas crianças brincam emitindo gritos eufóricos, pois a brincadeira é um jogo interessante para elas. O que distingue os sons emitidos pelo homem dos emitidos pelas crianças

a) é o timbre, apenas.

b) é a altura, apenas.

c) são a intensidade e o timbre, apenas.

d) são a altura e a intensidade, apenas.

e) são a altura, a intensidade e o timbre

2- Determinada fonte produz ondas no ar com comprimento de onda igual a 2 mm. Assinale a alternativa que traz a informação correta a respeito dessas ondas.

Dados: Se necessário, adote a velocidade de propagação das ondas sonoras através do ar como sendo igual a 340 m/s.

a) As ondas sonoras são audíveis para o ser humano.

b) As ondas sonoras são inaudíveis, pois possuem frequência abaixo do valor mínimo perceptível pelo ouvido humano.

c) As ondas sonoras são inaudíveis, pois possuem frequência acima do valor máximo perceptível pelo ouvido humano.

d) As ondas sonoras são inaudíveis, pois o comprimento de onda é maior que a largura do tímpano.

e) Todas as alternativas estão incorretas.

3- Cada nota musical que compõe uma determinada escala possui uma frequência característica. A primeira nota da escala é chamada de tônica, e toda escala termina com a repetição da tônica, porém com uma frequência maior. Por exemplo, a escala de Dó maior é: dó, ré, mi, fá, sol, lá, si e dó. O segundo dó da escala possui uma frequência maior que o primeiro. Qual é a característica da onda sonora que diferencia a tônica do oitavo grau da escala?

a) Timbre

b) Intensidade

c) Volume

d) Nível de intensidade sonora

e) Altura

Gabarito:

1. E
2. C
3. E

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