Uma onda sonora é uma onda mecânica longitudinal de uma certa frequência. No artigo vamos entender o que são ondas longitudinais e transversais, porque nem toda onda mecânica é som. Descubra a velocidade da onda e as frequências em que o som ocorre. Vamos descobrir se o som é o mesmo em ambientes diferentes e aprender a encontrar sua velocidade usando a fórmula.
Onda aparece
Vamos imaginar uma superfície de água, por exemplo, um lago com tempo calmo. Se você jogar uma pedra, na superfície da água veremos círculos divergindo do centro. E o que acontecerá se pegarmos não uma pedra, mas uma bola e a colocarmos em movimento oscilatório? Os círculos serão gerados constantemente pelas vibrações da bola. Veremos aproximadamente o mesmo mostrado na animação por computador.
Se baixarmos a boia a alguma distância da bola, ela também oscilará. Quando as flutuações divergem no espaço ao longo do tempo, esse processo é chamado de onda.
Para estudar as propriedades do som (comprimento de onda, velocidade da onda, etc.), o famoso brinquedo Rainbow, ou Happy Rainbow, é adequado.
Vamos esticar a mola, deixá-la se acalmar e sacudi-la para cima e para baixo bruscamente. Veremos que apareceu uma onda, que correu ao longo da nascente e depois voltou. Isso significa que é refletido a partir do obstáculo. Observamos como a onda se propagou ao longo da mola ao longo do tempo. As partículas da mola moviam-se para cima e para baixo em relação ao seu equilíbrio, e a onda corria para a esquerda e para a direita. Tal onda é chamada de onda transversal. Nele, a direção de sua propagação é perpendicular à direção de oscilação das partículas. No nosso caso, o meio de propagação da onda foi uma mola.
Agora vamos esticar a mola, deixar ela se acalmar e puxar para frente e para trás. Veremos que as bobinas da mola são comprimidas ao longo dela. A onda corre na mesma direção. Em um lugar a mola está mais comprimida, em outro está mais esticada. Tal onda é chamada longitudinal. A direção de oscilação de suas partículas coincide com a direção de propagação.
Vamos imaginar um meio denso, por exemplo, um corpo rígido. Se o deformarmos por cisalhamento, surgirá uma onda. Aparecerá devido às forças elásticas que atuam apenas em sólidos. Essas forças desempenham o papel de restaurar e gerar uma onda elástica.
Você não pode deformar um líquido por cisalhamento. Uma onda transversal não pode se propagar em gases e líquidos. Outra coisa é longitudinal: se espalha em todos os ambientes onde atuam as forças elásticas. Em uma onda longitudinal, as partículas se aproximam, depois se afastam, e o próprio meio é comprimido e rarefeito.
Muitas pessoas pensam que líquidosincompressível, mas este não é o caso. Se você pressionar o êmbolo da seringa com água, ele encolherá um pouco. Em gases, a deformação de compressão-tração também é possível. Pressionar o êmbolo de uma seringa vazia comprime o ar.
Velocidade e comprimento de onda
Voltemos à animação que consideramos no início do artigo. Escolhemos um ponto arbitrário em um dos círculos divergindo da bola condicional e o seguimos. O ponto se afasta do centro. A velocidade com que se move é a velocidade da crista da onda. Podemos concluir: uma das características da onda é a velocidade da onda.
A animação mostra que as cristas da onda estão localizadas à mesma distância. Este é o comprimento de onda - outra de suas características. Quanto mais frequentes forem as ondas, menor será o seu comprimento.
Por que nem toda onda mecânica é som
Pegue uma régua de alumínio.
É s altitante, então é bom para a experiência. Colocamos a régua na borda da mesa e a pressionamos com a mão para que ela se projete fortemente. Pressionamos sua borda e a soltamos com força - a parte livre começará a vibrar, mas não haverá som. Se você estender a régua um pouco, a vibração da borda curta criará um som.
O que essa experiência mostra? Ele demonstra que o som só ocorre quando um corpo está se movendo rápido o suficiente quando a velocidade da onda no meio é alta. Vamos introduzir mais uma característica da onda - a frequência. Este valor mostra quantas vibrações por segundo o corpo faz. Quando criamos uma onda no ar, o som ocorre sob certas condições - quando alta frequência.
É importante entender que o som não é uma onda, embora esteja relacionado a ondas mecânicas. O som é a sensação que ocorre quando as ondas sonoras (acústicas) entram no ouvido.
Voltemos à régua. Quando a parte maior é estendida, a régua oscila e não emite nenhum som. Isso cria uma onda? Claro, mas é uma onda mecânica, não uma onda sonora. Agora podemos definir uma onda sonora. Esta é uma onda longitudinal mecânica, cuja frequência está na faixa de 20 Hz a 20 mil Hz. Se a frequência for inferior a 20 Hz ou superior a 20 kHz, não a ouviremos, embora ocorram vibrações.
Fonte de som
Qualquer corpo oscilante pode ser uma fonte de ondas acústicas, necessitando apenas de um meio elástico, por exemplo, o ar. Não apenas um corpo sólido pode vibrar, mas também um líquido e um gás. O ar como uma mistura de vários gases pode não ser apenas um meio de propagação - ele próprio é capaz de gerar uma onda acústica. São suas vibrações que fundamentam o som dos instrumentos de sopro. A flauta ou trompete não vibra. É o ar que é rarefeito e comprimido, dá uma certa velocidade à onda, pelo que ouvimos o som.
Espalhando som em diferentes ambientes
Descobrimos que diferentes substâncias soam: líquido, sólido, gasoso. O mesmo vale para a capacidade de conduzir uma onda acústica. O som se propaga em qualquer meio elástico (líquido, sólido, gasoso), exceto no vácuo. Em um espaço vazio, digamos na lua, não ouviremos o som de um corpo vibrando.
A maioria dos sons percebidos pelos humanos são transmitidos pelo ar. Peixes, águas-vivas ouvem uma onda acústica divergindo na água. Nós, se mergulharmos debaixo d'água, também ouviremos o barulho de um barco a motor passando. Além disso, o comprimento de onda e a velocidade da onda serão maiores do que no ar. Isso significa que o som do motor será o primeiro a ser ouvido por uma pessoa mergulhando debaixo d'água. O pescador, que está sentado em seu barco no mesmo lugar, ouvirá o barulho mais tarde.
Em sólidos, o som viaja ainda melhor e a velocidade da onda é maior. Se você colocar um objeto duro, especialmente metal, no ouvido e bater nele, ouvirá muito bem. Outro exemplo é a sua própria voz. Quando ouvimos pela primeira vez nossa fala, gravada anteriormente em um gravador de voz ou em um vídeo, a voz parece estranha. Por que isso está acontecendo? Porque na vida não ouvimos tanto as vibrações sonoras da nossa boca, mas as vibrações das ondas que passam pelos ossos do nosso crânio. O som refletido por esses obstáculos muda um pouco.
Velocidade do som
A velocidade de uma onda sonora, se considerarmos o mesmo som, será diferente em ambientes diferentes. Quanto mais denso o meio, mais rápido o som chega ao nosso ouvido. O trem pode ir tão longe de nós que o som das rodas ainda não será ouvido. No entanto, se você colocar o ouvido nos trilhos, podemos ouvir claramente o estrondo.
Isso sugere que as ondas sonoras viajam mais rápido nos sólidos do que no ar. A figura mostra a velocidade do som em diferentes ambientes.
Equação de onda
Velocidade, frequência e comprimento de onda estão interligados. Para corpos que vibram em alta frequência, a onda é mais curta. Sons de baixa frequência podem ser ouvidos a uma distância maior porque têm um comprimento de onda maior. Existem duas equações de onda. Eles ilustram a interdependência das características das ondas entre si. Conhecendo quaisquer duas quantidades das equações, você pode calcular a terceira:
с=ν × λ, onde c é a velocidade, ν é a frequência, λ é o comprimento de onda.
Segunda equação de onda acústica:
s=λ / T, onde T é o período, ou seja, o tempo durante o qual o corpo faz uma oscilação.
