Fixemos uma lâmina de aço muito fina para que ela possa oscilar conforme indica a figura ao lado.
Quando deslocamos a lâmina, sua extremidade livre começa a oscilar para a direita e para a esquerda.
Se a lâmina vibrar com rapidez, produzirá um som sibilante, mostrando que os sons são produzidos pela matéria em vibração.
À medida que a lâmina oscila para a direita, ela realiza trabalho nas moléculas do ar, comprimindo-as, transferindo a elas energia na direção da compressão. Ao mesmo tempo, as moléculas do ar, situadas à esquerda, se expandem e se tornam rarefeitas, o que retira energia delas.
Quando a lâmina se move no sentido inverso, ela transfere energia para as moléculas do ar situadas à esquerda, enquanto as da direita perdem energia.
O efeito combinado de compressão e rarefação simultâneo transfere energia das moléculas do ar da esquerda para a direita, ou da direita para a esquerda na direção do movimento da lâmina, produzindo ondas longitudinais, nas quais as moléculas do ar se movimentam para frente e para trás, recebendo energia das moléculas mais próximas da fonte e transmitindo-a para as moléculas mais afastadas dela, até chegarem ao ouvido.
No ouvido, as ondas atingem uma membrana chamada tímpano. O tímpano passa a vibrar com a mesma freqüência das ondas, transmitindo ao cérebro, por impulsos elétricos, a sensação denominada som.
As ondas sonoras são ondas longitudinais, isto é, são produzidas por uma seqüência de pulsos longitudinais.
As ondas sonoras podem se propagar com diversas freqüências, porém o ouvido humano é sensibilizado somente quando elas chegam a ele com freqüência entre 20 Hz e 20 000 Hz, aproximadamente.
Quando a freqüência é maior que 20 000 Hz, as ondas são ditas ultra-sônicas, e menor que 20 Hz, infra-sônicas.
As ondas infra-sônicas e ultra-sônicas não são audíveis pelo ouvido humano. As ondas infra-sônicas são produzidas, por exemplo, por um abalo sísmico. Os ultra-sons podem ser ouvidos por certos animais como morcego e o cão.
As ondas sonoras audíveis são produzidas por:
-
vibração de cordas
-
vibração de colunas de ar
-
vibração de discos e membranas
O som musical, que provoca sensações agradáveis, é produzido por vibrações periódicas. O ruído, que provoca sensações desagradáveis, é produzido por vibrações aperiódicas.
Transmissão do Som
A maioria dos sons chega ao ouvido transmitida pelo ar, que age como meio de transmissão.
Nas pequenas altitudes, os sons são bem audíveis, o que não ocorre em altitudes maiores, onde o ar é menos denso.
O ar denso é melhor transmissor do som que o ar rarefeito, pois as moléculas gasosas estão mais próximas e transmitem a energia cinética da onda de umas para outras com maior facilidade.
Os sons não se transmitem no vácuo, porque exigem um meio material para sua propagação.
De uma maneira geral, os sólidos transmitem o som melhor que os líquidos, e estes, melhor do que os gases.
Observe a tabela que apresenta a velocidade de propagação do som a 25°C.
| Meio | Velocidade (m/s) |
| Ar | 346 |
| Água | 1498 |
| Ferro | 5200 |
| Vidro | 4540 |
Se a energia emitida pela fonte é grande, isto é, se o som é muito forte, temos uma sensação desagradável no ouvido, pois a quantidade de energia transmitida exerce sobre o tímpano uma pressão muito forte.
Quanto maior a vibração da fonte, maior a energia sonora, logo:
Quanto maior a amplitude da onda, maior a intensidade do som.
Em homenagem ao cientista norte-americano Graham Bell (1847-1922), que estudou o som e inventou o telefone, a intensidade sonora é medida em bel (B) ou decibéis (dB).
Graham Bell
Os sons muito intensos são desagradáveis ao ouvido humano. Sons com intensidades acima de 130 dB provocam uma sensação dolorosa e sons acima de 160 dB podem romper o tímpano e causar surdez.
De acordo com a freqüência, um som pode ser classificado em agudo ou grave. Essa qualidade é chamada altura do som.
Sons graves ou baixos têm freqüência menor.
Sons agudos ou altos têm freqüência maior.
A voz do homem tem freqüência que varia entre 100 Hz e 200 Hz e a da mulher, entre 200 Hz e 400 Hz. Portanto, a voz do homem costuma ser grave, ou grossa, enquanto a da mulher ser aguda, ou fina.
APLICAÇÃO
6- Um observador ouve duas vezes, com 22 s de intervalo, uma explosão que se produziu no mar e cujo barulho se propagou pela água e pelo ar. A que distancia está o observador do lugar da explosão, sabendo-se que a velocidade do som é de 340 m/s no ar e 1 440 m/s na água?
Resolução:
O som não pode se propagar no vácuo. Por essa razão, a onda sonora é chamada onda material ou onda mecânica. São também ondas mecânicas as ondas numa corda, na água e numa mola.
Essas ondas precisam de um meio material (sólido, líquido ou gás) para se propagar.
Por outro lado, a luz, as ondas de rádio etc., podem se propagar em meios materiais e também no vácuo. Essas ondas são denominadas ondas eletromagnéticas.
As ondas eletromagnéticas são geradas por oscilações de cargas elétricas e se propagam no vácuo com uma velocidade aproximada de 300 000 km/s.
Os tipos principais de ondas eletromagnéticas são, em ordem decrescente de freqüência: raios gama, raios X, luz ultravioleta, luz visível, raios infravermelhos, ondas curtas de rádio e ondas largas de rádio.
O conjunto dessas ondas forma o espectro eletromagnético.
Veja algumas aplicações destes raios:
Raios gama: são emitidos por materiais radioativos e usados no tratamento de câncer e de muitas doenças de pele.
Raios X: ajudam os médicos a tratar e a diagnosticar doenças.
Raios ultraviolenta: são usados como desinfetantes.
Raios infravermelhos: são emitidos por corpos aquecidos e usados para secar pinturas.
Ondas de rádio: são usadas pelas emissoras de rádio e televisão.
Sendo o som uma onda, ele apresenta as seguintes propriedades características: reflexão, refração, difração, interferência e ressonância.
Quando ondas sonoras AB, A’B’, A”B” provenientes de um ponto P encontram um obstáculo plano, rígido, MN, produz-se reflexão das ondas sobre o obstáculo.
Na volta, produz-se uma série de ondas refletidas CD, C’D’, que se propagam em sentido inverso ao das ondas incidentes e se comportam como se emanassem de uma fonte P’, simétrica da fonte P em relação ao ponto refletor.
A reflexão do som pode ocasionar os fenômenos eco e reverberação.
Eco
Os obstáculos que refletem o som podem apresentar superfícies muito ásperas. Assim, o som pode ser refletido por um muro, uma montanha etc.
O som refletido chama-se eco, quando se distingue do som direto.
Para uma pessoa ouvir o eco de um som por ela produzido, deve ficar situada a, no mínimo, 17 m do obstáculo refletor, pois o ouvido humano só pode distinguir dois sons com intervalo de 0,1 s. O som, que tem velocidade de 340 m/s, percorre 34 m nesse tempo.
O sonar é um aparelho capaz de emitir ondas sonoras na água e captar seus ecos, permitindo, assim, a localização de objetos sob a água.
Reverberação
Em grandes salas fechadas ocorre o encontro do som com as paredes. Esse encontro produz reflexões múltiplas que, além de reforçar o som, prolongam-no durante algum tempo depois de cessada a emissão.
É esse prolongamento que constitui a reverberação.
A reverberação ocorre quando o som refletido atinge o observador no instante em que o som direito está se extinguindo, ocasionando o prolongamento da sensação auditiva.
Consiste em a onda sonora passar de um meio para o outro, mudando sua velocidade de propagação e comprimento de onda, mas mantendo constante a freqüência.
Fenômeno em que uma onda sonora pode transpor obstáculos.
Quando se coloca um obstáculo entre uma fonte sonora e o ouvido, por exemplo, o som é enfraquecido, porém não extinto. Logo, as ondas sonoras não se propagam somente em linha reta, mas sofrem desvios nas extremidades dos obstáculos que encontram.
Consiste em um recebimento de dois ou mais sons de fontes diferentes.
Neste caso, teremos uma região do espaço na qual, em certos pontos, ouviremos um som forte, e em outros, um som fraco ou ausência de som.
Som forte à interferência construtiva
Som fraco à interferência destrutiva
Quando um corpo começa a vibrar por influência de outro, na mesma freqüência deste, ocorre um fenômeno chamado ressonância.
Como exemplo, podemos citar o vidro de uma janela que se quebra ao entrar em ressonância com as ondas sonoras produzidas por um avião a jato.
APLICAÇÃO
7- Num treino, um atirador dispara sua arma diante de um anteparo refletor e ouve o eco do tiro após 6 s. Sabendo que o som se propaga no ar com velocidade de 340 m/s, calcule a distância do caçador ao anteparo.
Resolução:
Durante o movimento, o som percorre uma distância igual a 2x (ida e volta), em movimento uniforme; logo:
Resposta: 1 020 m.
Quando uma pessoa se aproxima de uma fonte sonora fixa, a freqüência do som do ouvido é maior do que aquela de quando a pessoa se afasta da fonte.
O mesmo resultado seria obtido se a fonte se aproximasse ou se afastasse de uma pessoa parada.
Você pode observar esse fenômeno ouvido o apito de uma locomotiva em movimento. O apito é mais grave (freqüência menor) quando está se afastando, após ter passado por você.
Observe que, quando há aproximação entre o observador e a fonte, o observador recebe maior número de ondas por unidade de tempo e, quando há afastamento, recebe um menor número de ondas:
Essa variação aparente da freqüência de onda é chamada efeito Doppler, em homenagem ao físico e matemático austríaco Christian Johann Doppler (1803-1853), que ficou célebre por esse principio.
Denominando f’ a freqüência recebida pelo observador e f a freqüência emitida pela fonte, temos:
-
Aproximação: f’ > f
-
Afastamento: f’ < f
Essas grandezas são relacionadas pela expressão:
Onde:
v = velocidade da onda
vF = velocidade da fonte
vo = velocidade do observador
f = freqüência real emitida pela fonte
f’ = freqüência aparente recebida pelo observador.
Os sinais mais (+) ou menos (-) que precedem o vo ou vF são utilizados de acordo com a convenção:
A trajetória será positiva de O para F. Portanto:
APLICAÇÃO
8- Um automóvel, movendo-se a 20 m/s, passa próximo a uma pessoa parada junto ao meio-fio. A buzina do carro está emitindo uma nota de freqüência 2,0 kHz. O ar está parado e a velocidade do som em relação a ele é 340m/s.
Que freqüência o observador ouvirá:
a) quando o carro estiver se aproximando?
b) quando o carro estiver se afastando?
Resolução:
a) Quando o carro estiver se aproximando do observador, teremos:
b) Quando o carro estiver se afastando do observador, teremos:
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