FENÔMENOS ONDULATÓRIOS

Aprenda sobre Reflexão, Reflexão de Ondas Unidimensionais, Reflexão de Ondas Bidimensionais, Leis da Reflexão, Refração, Refração de Ondas Unidimensionais, Interferência de Ondas Unidimensionais, Batimento, Princípio da Independência da Propagação Ondulatória e Como Radar pode cair no ENEM.

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REFLEXÃO

Dizemos que uma onda sofre reflexão quando esta, após se chocar com a fronteira que divide o meio em que está e outro de características diferentes, permanece no mesmo meio.

Sabe-se que a frequência é característica da onda, isto é, não importa o meio em que a onda está, sua frequência e período são sempre os mesmos. A velocidade e, logicamente, o comprimento de onda dependem do meio. Como não ocorre mudança de meio, a onda após a reflexão mantém a mesma velocidade e comprimento de ondas.

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No estudo da reflexão das ondas, devemos dividi-las em ondas unidimensionais e bidimensionais.

REFLEXÃO DE ONDAS UNIDIMENSIONAIS

Numa corda existem dois tipos: com extremidade fixa ou livre, que se portam de formas diferentes.

Com a extremidade fixa, o pulso ao se refletir fica em oposição de fase em relação ao pulso original, ou seja, se inverte.

Caso a reflexão seja em extremidade livre, não ocorre a inversão, a fase do pulso original e do pulso refletido é a mesma.

REFLEXÃO DE ONDAS BIDIMENSIONAIS

Ao se lidar com ondas bi e tridimensionais, basta dizer que elas são regidas pelas leis da reflexão.

LEIS DA REFLEXÃO

1ª) O raio incidente, o raio refletido e a reta normal à superfície refletora no ponto de incidência estão contidos sempre no mesmo plano.

2ª) O ângulo formado pelo raio incidente e a normal, ou seja, o ângulo de incidência, e o ângulo formado pelo raio refletido e a mesma normal, o ângulo de reflexão, são iguais.

REFRAÇÃO

Uma onda sofre refração quando esta passa de um meio para outro de características diferentes.

Quando uma onda sofre uma refração é importante que se saiba que a frequência da onda não se altera. A frequência é uma característica da onda e esta pode passar por muitos meios diferentes que sua frequência será sempre a mesma.

LEIS DA REFRAÇÃO

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Assim como a reflexão, a refração possui duas leis:

1ª) O raio incidente, o raio refratado e a normal à fronteira que separa os meios no ponto de incidência estão num mesmo plano.

2ª) A segunda lei da refração, ou Lei de Snell, consiste na seguinte relação:

Portanto, a velocidade de propagação da onda e seu comprimento de onda dependem do meio que estão atravessando. Mas a frequência não é alterada na mudança de meio, esta so depende da fonte que emitiu a onda.

REFRAÇÃO DE ONDAS UNIDIMENSIONAIS

A refração com ondas transversais em cordas acontece quando ocorre a presença de duas cordas de densidades lineares diferentes que são ligadas e por meio delas propaga-se um pulso. Nesse caso, além da refração, ocorre uma reflexão, como veremos a seguir.

Existem duas possibilidades: a primeira corda possuir uma densidade linear maior (ser mais “grossa”) ou a segunda corda ser mais densa.

A figura abaixo exemplifica o primeiro caso, em que o pulso percorre a corda mais “fina” e irá incidir na corda mais grossa.

Após incidir na fronteira, haverá um pulso refratado (que seguirá pela corda grossa) que estará em concordância de fase com o pulso original e um pulso refletido (continuará na corda fina) que terá uma fase oposta ao pulso incidente.

No segundo caso, também ocorrerá uma refração e uma reflexão, porém com algumas mudanças. Tanto a onda refratada como a onda refletida estarão em fase com o pulso incidente.

INTERFERÊNCIA DE ONDAS UNIDIMENSIONAIS

Existem dois tipos de interferência ou superposição de pulsos: a interferência construtiva e a destrutiva.

A figura abaixo expressa uma interferência construtiva em que os pulsos estão na mesma fase e, por isso, havendo a superposição das ondas ocorre a soma das elongações.

Na interferência destrutiva, os pulsos estarão em oposição de fase e, dessa forma, haverá uma subtração para obtenção de enlongação em cada ponto e amplitude resultantes.

Para que ocorra uma diferença completa de fase e consequentemente uma interferência destrutiva, a diferença de caminhos percorridos por duas ondas que se encontrarão deve ser:

Ddestr = n . λ + λ/2 onde n = 0, 1, 2, 3…

Para o caso de duas ondas interferirem construtivamente, a diferença de caminhos deve ser:

Dconstr = n . λ onde n = 0, 1, 2, 3…

BATIMENTO

Quando duas ondas de frequências muito próximas interferem entre si, a superposição das duas resulta no fenômeno conhecido como batimento.

A frequência da onda obtida é:

fR = (fa + fb)/2

PRINCÍPIO DA INDEPENDÊNCIA DA PROPAGAÇÃO ONDULATÓRIA

O princípio acima enuncia que após a superposição os pulsos continuam seu trajeto inicial sem nenhuma modificação.

ONDAS ESTACIONÁRIAS

As ondas estacionárias são resultado da superposição de ondas idênticas que estão na mesma direção, porém, em sentidos opostos.

Na figura acima, podemos identificar alguns elementos em:

Nós ou nodos: os pontos brancos, são pontos que não vibram.

Ventres, antinós ou antinodos: são as bolinhas pretas que vibram com amplitude igual a 2A.

DIFRAÇÃO

Consiste na propriedade que a onda possui de contornar obstáculos ou fendas.

O fenômeno da difração ocorrerá quando as dimensões do obstáculo ou fenda forem da mesma ordem de grandeza do comprimento de onda.

EXPERIMENTO DE YOUNG

Nesse experimento podemos observar o caráter ondulatório da luz através de dois fenômenos: Difração e Interferência.

A luz sofre Difração na fenda do obstáculo A e em seguida sofre difração nas duas fendas do obstáculo B. Isso provoca interferências construtivas e destrutivas que dependem da diferença de caminhos percorridos pelas ondas até atingirem o anteparo. O resultado são franjas claras (interferência construtiva) e escuras (interferência destrutiva) observados na figura da direita.

RESSONÂNCIA

Todo sistema físico possui uma frequência própria, uma frequência natural de movimento devido às suas moléculas e vibra de acordo com esta. Existe a possibilidade de um sistema físico ser excitado (ganhar energia) por um agente externo através de vibrações de frequência igual a uma de suas frequências naturais. Dizemos que um sistema físico está em ressonância, quando este passa a vibrar devido a influência de um agente externo, que vibra em uma de suas vibrações naturais.

Exemplos:

A caixa do violão vibra com frequência igual à frequência emitida pelas cordas, o que amplifica o som.

Uma cantora de ópera despedaça uma taça de cristal ao emitir uma nota musical muito alta (aguda), cuja frequência é igual à frequência natural de vibração da taça.

O aparelho de micro-ondas emite notas com frequência de aproximadamente 2,45 GHz, a mesma frequência natural de vibração das moléculas da água. Com isso ele consegue transferir energia, aumentando a temperatura dos corpos à base de água.

Uma emissora de rádio consegue enviar o sei sinal para a antena de um automóvel pois ambas estão com a mesma frequência, essa transferência de energia é traduzida pela informação transmitida.

POLARIZAÇÃO

Considere uma corda que vibra transversalmente em várias direções. Polarizar esta corda seria o mesmo que fazê-la vibrar somente em um determinado plano. Portanto, um polarizador privilegia certas direções de propagação. Um bom exemplo de polarizador é o óculos de Sol (alguns deles), já que uma luz polarizada se torna mais confortável para os olhos de um observador. Uma onda longitudinal não pode ser polarizada, por exemplo o Som.

EFEITO DOPPLER

O movimento relativo entre a fonte emissora das ondas e o receptor provoca uma alteração na frequência percebida (não a emitida). Quando há a aproximação relativa entre eles, a frequência de recebimento será maior, pois o receptor passará a receber mais ondas por unidade de tempo. O caso contrário, quando há afastamento relativo, a frequência de recebimento será menor que a emitida.

Para o som, uma frequência maior resulta em um som mais agudo e uma frequência menor resulta em um som mais grave, podemos observar esse fenômeno quando um carro de fórmula 1 se aproxima de nós: o som que recebemos é mais agudo que o emitido. Porém, quando o carro iniciar o afastamento, o som que ouviremos será mais grave que o emitido, isso porque o receptor receberá menos ondas por unidade de tempo. Abaixo temos uma representação das frentes de ondas emitidas quando existe o movimento da fonte (o mesmo aconteceria no caso de uma fonte em repouso e o receptor em movimento):

COMO RADAR PODE CAIR NO ENEM?

O Efeito Doppler é um fenômeno muito comum em nosso cotidiano. Ele consiste na mudança da frequência do som emitido quando existe movimento relativo entre o observador e a fonte. Podemos perceber esse fato quando um ambulância passa na rua. Ao se aproximar, o som fica mais agudo e ao se afastar, o som fica mais grave. A questão a seguir explora a aplicação tecnológica do Efeito Doppler.

Exercício resolvido

Os radares comuns transmitem micro-ondas que refletem na água, gelo e outras partículas na atmosfera. Podem, assim, indicar apenas o tamanho e a distância das partículas, tais como gotas de chuva.

O radar Doppler, além disso, é capaz de registrar a velocidade e a direção na qual as partículas se movimentam, fornecendo um quadro do fluxo dos ventos em diferentes elevações. Nos Estados Unidos, a Nexrad, uma rede de 158 radares Doppler, montada na década de 1990 pela Diretoria Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA), permite que o Serviço Meteorológico Nacional (NWS) emita alertas sobre situações do tempo potencialmente perigosas com um grau de certeza maior. O pulso da onda do radar ao atingir uma gota de chuva, devolve uma pequena parte da sua energia numa onda de retorno, que chega ao disco do radar antes que ele emita a onda seguinte. Os radares da Nexrad transmitem entre 860 e 1300 pulsos por segundo, na frequência de 3.000MHz.

(FISCHETTI, M. Radar Meteorológico: Sinta o Vento. Scientific American Brasil, n.08. São Paulo, jan 2000.)

No radar Doppler, a diferença entre as frequência emitidas e as recebidas pelo radar é dada por Δf = (2ur/c)f0, onde ur é a velocidade relativa entre a fonte e o receptor, c = 3,0×108m/s é a velocidade da onda eletromagnética, e f0 é a frequência emitida pela fonte. Qual é a velocidade, em km/h, de uma chuva, para a qual se registra no radar Doppler uma diferença de frequência de 300Hz?

a) 1,5

b) 5,4

c) 15

d) 54

e) 108

Gabarito: D

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