Ondas [Física]

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Na física, as ondas são a propagação de perturbações de lugar para lugar de forma regular e organizada. Mais familiares são as ondas de superfície que viajam na água, mas som, luz e o movimento das partículas subatômicas exibem todas as propriedades ondulatórias. Nas ondas mais simples, a perturbação oscila periodicamente com uma frequência fixa e um comprimento de onda

Ondas mecânicas, como o som, requerem um meio através do qual viajar, enquanto ondas eletromagnéticas não requerem um meio e podem ser propagadas através de um vácuo. A propagação de uma onda através de um meio depende das propriedades do meio. 

Quais são os Tipos e Categorias das Ondas?

As ondas vêm em dois tipos, longitudinal e transversal. Ondas transversais são como aquelas na água, com a superfície subindo e descendo, e ondas longitudinais são semelhantes às do som, consistindo em compressões e rarefações alternadas em um meio. O ponto alto de uma onda transversal é chamada crista, e o ponto baixo é chamado de calha. Para ondas longitudinais, compressões e rarefações são análogas às cristas e vales das ondas transversais. 

A distância entre cristas ou vales sucessivos é chamada de comprimento de onda. A altura de uma onda é a amplitude. Quantas cristas ou vales passam por um ponto específico durante uma unidade de tempo é chamado de frequência. A velocidade de uma onda pode ser expressa como o comprimento de onda multiplicado pela frequência.

As ondas podem viajar distâncias imensas mesmo que a oscilação em um ponto seja muito pequena. Por exemplo, um trovão pode ser ouvido a quilômetros de distância, mas o som transmitido se manifesta a qualquer momento apenas como pequenas compressões e rarefações do ar.

Como as Ondas se Comportam?

Ondas exibem vários fenômenos básicos. Na reflexão, uma onda encontra um obstáculo e é refletida de volta. Na refração, uma onda se dobra quando entra em um meio pelo qual ela tem uma velocidade diferente. Na difração, as ondas se curvam quando passam por pequenos obstáculos e se espalham quando passam por pequenas aberturas. Em interferência, quando duas ondas se encontram, elas podem interferir construtivamente, criando uma onda com amplitude maior que as ondas originais, ou destrutivamente, criando uma onda com uma amplitude menor (ou até zero).

Reflexão

Quando as ondas atingem um limite e são refletidas, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. O ângulo de incidência é o ângulo entre a direção do movimento da onda e uma linha traçada perpendicularmente ao limite refletivo.

Refração

A velocidade de uma onda depende das propriedades do meio pelo qual ela viaja. Por exemplo, o som viaja muito mais rápido pela água do que pelo ar. Quando uma onda entra em um ângulo de um meio através do qual sua velocidade seria mais lenta, a onda é dobrada em direção à perpendicular. Quando uma onda entra em um ângulo em que sua velocidade seria aumentada, o efeito oposto acontece. Com a luz, essa mudança pode ser expressa usando a lei de refração de Snell.

Difração

Quando uma onda encontra um pequeno obstáculo ou uma pequena abertura (isto é, pequena em comparação com o comprimento de onda da onda), a onda pode se curvar em torno do obstáculo ou passar pela abertura e depois se espalhar. Essa flexão ou espalhamento é chamada de difração.

Interferência

As ondas de dois ou mais centros de perturbação podem reforçar-se em algumas direções e cancelar em outras. Esse fenômeno é chamado a interferência das ondas. É fácil ver como isso pode acontecer. Considere duas fontes produzindo ondas do mesmo comprimento de onda e em fase; isto é, em sua origem, as cristas das ondas ocorrem ao mesmo tempo. Se um ponto P é equidistante de ambas as fontes, as cristas chegam a P simultaneamente e reforçam-se mutuamente. 

Da mesma forma, os cochos chegam simultaneamente e se tornam mais profundos. A mesma situação ocorre se as distâncias ao ponto P forem diferentes, mas diferirem em um ou mais comprimentos de onda completos.

Se, no entanto, as distâncias diferirem em meio comprimento de onda ou por um número ímpar de meios comprimentos de onda, então as cristas de uma onda coincidirão com as depressões da outra e a intensidade da onda resultante será diminuída. Quando duas dessas ondas são de igual intensidade, elas se cancelam completamente.

Efeito Doppler

Quando a fonte de uma onda se move em relação a um observador, o observador percebe uma mudança na frequência da onda. Essa mudança é chamada de efeito Doppler, após seu descobridor, o físico austríaco Christian Doppler.

Considere uma fonte emitindo uma onda como a luz ou o som da freqüência movendo-se para longe de um observador na velocidade v . As cristas sucessivas das ondas de luz atingirão o observador em intervalos maiores do que se o observador estivesse em repouso, e o cálculo mostrará que o observador as receberá com uma freqüência ν (1− v / c ), onde c é a velocidade do observador. onda. A freqüência da onda aparecerá para o observador ligeiramente menor do que se a fonte estivesse em repouso. Se a fonte estiver se aproximando, a freqüência será maior.

No som, esse efeito é uma experiência cotidiana; quando um chifre de sopro é passado na estrada, o observador pode notar que o tom da nota parece mudar. O efeito Doppler para ondas de luz é evidente na espectroscopia. Uma mudança para frequências mais altas é chamada de blueshift, e uma mudança para frequências mais baixas é chamada de redshift. A luz vermelha de outras galáxias é evidência da expansão do universo.

Ondas Estacionárias

Se uma onda está confinada a um espaço fechado, ela sofre reflexão e interferência. Por exemplo, considere um tubo de comprimento l. Uma perturbação em qualquer lugar no ar no tubo será refletida de ambas as extremidades e produzirá, em geral, uma série de ondas viajando em ambas as direções ao longo do tubo. A partir da geometria da situação e do valor constante finito da velocidade acústica, estas devem ser ondas periódicas com frequências fixadas pelas condições de contorno no final do tubo. As frequências permitidas das ondas no tubo satisfazem o sin k l = 0; isto é, as frequências permitidas são ν = n v / 2 l , onde n é qualquer inteiro e vé a velocidade acústica no tubo. Estas são as frequências de ondas harmônicas que podem existir no tubo e ainda satisfazem as condições de contorno nas extremidades. Eles são chamados de frequências características ou modos normais de vibração da coluna de ar. A frequência fundamental ( n = 1) é ν = v / 2 l .

As frequências mais altas, chamadas harmônicos ou harmônicos, são múltiplos do fundamental. Costuma-se referir ao fundamental como o primeiro harmônico; n = 2 fornece o segundo harmônico ou primeiro harmônico e assim por diante. Aproximadamente o mesmo conjunto de frequências características se sustenta para um tubo cilíndrico aberto em ambas as extremidades, embora as condições de contorno sejam diferentes.

Existem posições no tubo em que o deslocamento do ar é zero em todos os momentos. Isso não pode ocorrer em uma onda progressiva; Assim, o distúrbio de onda correspondente a um modo normal é conhecido como onda estacionária . As posições de deslocamento zero contínuo são conhecidas como nós, enquanto as posições para as quais há deslocamento máximo são chamadas antinodes. A distância entre os nós sucessivos é igual a metade do comprimento de onda do modo particular.

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