Ondas mecânicas

Quem nunca sentiu a dupla sensação de fascínio e medo diante do vasto oceano, com as suas ondas fantásticas, ao mesmo tempo belas e tenebrosas? A vontade de dominar esta força da Natureza faz os Homens desafiarem os perigos ocultos nas ondas do mar. Não raras vezes, os pescadores fazem-se ao mar, enfrentando grandes ondas, para conseguirem o alimento para o seu sustento. Sem a existência das ondas, muitas maravilhas dos tempos modernos, como a televisão, a internet, a rádio, os telefones celulares, não seriam possíveis.

Fig. 2.13 Bazaruto: a ondulação das águas do mar faz o barco deslocar-se.

Produção de ondas mecânicas

O que é uma onda?

Quando colocamos uma fila de dominós e derrubamos o primeiro, podemos dizer que causamos uma perturbação somente no primeiro domino. Contudo, todas as outras peças irão cair em seguida. Este é o famoso «efeito dominó», que nos permite ver o que é uma perturbação propagar-se de um lugar para o outro. A perturbação causada no primeiro domino chegou até ao último, derrubando-o, apesar de cada domino não ter saído da sua posição inicial.

Repare que somente a energia aplicada ao primeiro domino chegou até à última peça. A perturbação somente transportou energia.

Fig. 2.3: Efeito dominó: a perturbação causada no primeiro dominó chega até ao último, contudo nenhuma peça sai da sua posição inicial, isto é, no efeito domino, a perturbação apenas transporta energia e não transporta matéria.

Com urna onda ocorre algo semelhante: uma perturbação é causada, por alguém, ou por alguma fonte, propagando-se de um ponto para o outro sob a forma de impulsos. Por exemplo:

Quando uma gotinha de água cai num lago de águas tranquilas, a partir do ponto de impacto, formam-se ondas circulares, de raios cada vez maiores, que se propagam em todas as direcções, na superfície do lago. A pequena gota, ao cair, perturbou a superfície da água do lago, levando à formação de pequenas ondulações que têm origem no local onde a gota caiu (Fig. 2.16).

Uma pessoa prende uma das extremidades de uma corda a uma parede e, aplicando à outra extremidade impulsos verticais, provoca uma perturbação que se propaga através da corda até à parede (Fig. 2.17).

Fig. 2.16 Ondas circulares produzidas na água de um lago.

Fig. 2.17 Produção de ondas numa corda

• Numa mola helicoidal produz-se urna onda mecânica que se propaga ao longo do eixo da mola se comprimirmos e descomprimirmos as suas espiras (Fig. 2.18).

• O som também é uma onda que transfere energia por variações de pressão no meio em que se propaga. O som, para se propagar, necessita de um meio material, seja ele, sólido, líquido ou gasoso. Em condições normais de temperatura e pressão (a 0 °C e à pressão de atmosfera), o som propaga-se, no ar, com a velocidade de 340 m/s. Na água, a sua velocidade sobe para cerca de 500 m/s e, no aço a velocidade do som chega a alcançar os 5 000 m/s (Fig. 2,19).

Fig. 2.18 Produção de ondas numa mola

Todas estas ondas transferem energia de um ponto para outro num determinado meio (água, corda, mola, ar), quer dizer, elas necessitam de um suporte material para se propagarem, porque resultam da vibração das partículas do meio. São, por isso, chamadas «Ondas Mecânicas».

Onda mecânica: é uma perturbação oscilante, que se propaga através dum meio material.

Repare que, em qualquer dos exemplos dados, não houve transferência de matéria. Houve, isso sim, transferência de energia de um ponto para outro do meio: as peças de domino não saíram da sua posição inicial. A energia comunicada à primeira peça, foi sendo transferida para a segunda e, desta para a terceira e, assim, sucessivamente, até à última peça. A gotinha de água comunicou energia água do lago, no ponto de impacto. Esta energia foi sendo transferida, partícula a partícula, a toda a água do lago.

Durante a propagação de uma onda não há transferência de matéria, mas sim, ocorre uma transferência de energia de um lugar para outro, em virtude da perturbação das partículas do meio onde a onda se propaga.

Classificação das ondas

Quanto à sua natureza podem ser:

• Ondas mecânicas: são aquelas que precisam de um meio material para se poderem propagar. A perturbação causada no domino somente se moveu por causa dos dominós, sem eles, ela nem existiria. Como exemplo, temos as ondas no oceano, o som, as ondas produzidas numa corda ou numa mola, etc. Todas são perturbações causadas em meios materiais, sólidos, líquidos ou gasosos.

• Ondas electromagnéticas: não precisam de meios materiais para se propagarem de um lugar para outros A perturbação é causada por campos eléctricos e magnéticos oscilantes e propaga-se através deles, seja nos meios materiais como no vácuo. A luz é um bom exemplo deste tipo de onda. Note que a luz do Sol chega até nós mesmo existindo vácuo no espaço. Outros exemplos de ondas electromagnéticas são as micro-ondas, as ondas de rádio e TV, os raios infravermelhos, os raios ultravioleta, os raios X e os raios gama.

Quanto direcção de vibração classificam-se em:

• Ondas transversais: consideremos um meio continuo, por exemplo, uma corda que esteja esticada, ou mesmo, uma mola elástica. A seguir, vamos aplicar impulsos num dos seus pontos. Quando fazemos com que um dos extremos da corda ou da mola vibre para Cima e para baixo, perpendicularmente à direcção em que está estendida, observa-se o avanço de uma onda progressiva transversal. O impulso aplicado é comunicado aos pontos vizinhos, que vibram perpendicularmente em relação à velocidade com que a onda se propaga.

Fig. 2.23: Ondas transversais numa corda e numa mola: a direcção de propagação é perpendicular à direcção de vibração das partículas do meio.

• Ondas longitudinais: consideremos novamente uma mola que está esticada. Ao comprimirmos a mola e depois a largarmos forma-se uma onda. A descompressão vai propagar-se atingindo pouco depois a outra extremidade da mola. Se aplicarmos mola uma sequência de impulsos ritmados na direcção do seu comprimento, observamos a propagação das ondas que consistem numa série de zonas alternadamente comprimidas e distendidas. São ondas longitudinais.

Fig. 2.24: Ondas longitudinais numa mola: a direcção de propagação coincide com a direcção de vibração das partículas do meio.

Quanto à direcção de propagação podem ser:

Unidimensionais: são aquelas que se propagam numa só direcção. Exemplo: ondas em cordas.
Bidimensionais: são aquelas que se propagam num Plano. Exemplo: ondas na superfície de um lago.
Tridimensionais: são aquelas que se propagam em todas as direcções. Exemplo: ondas sonoras propagando-se no ar atmosférico ou em metais.

Características das ondas

Amplitude (A): considere um barco no oceano e, imagine que uma onda passe por ele. O barco irá subir e descer (figura 2.25).

A amplitude da onda que passou pelo barco é dada pelo quanto ele subiu ou desceu. Se, por exemplo, o barco subiu 2 m, dizemos que a amplitude da onda que passou por ele é de 2 m.

Fig. 2.25: Amplitude de uma onda.

A amplitude é representada pela letra «A» e, no Sistema Internacional, a sua unidade é o metro (m).

Amplitude: é o desvio máximo do oscilador em relação a posição de equilíbrio.

Na bela ilha do Ibo, localizada no Arquipélago das Quirimbas, na província de Cabo Delgado, os pescadores dedicam-se à pesca, enquanto os turistas se deliciam com as suas belas paisagens e águas cristalinas.

Em dias calmos, quando a amplitude das ondas é pequena, pescadores e turistas aventuram-se no mar para pescar e gozarem dos prazeres da leve ondulação do mar, mas em dias de tempestade, quando o mar está bravo, a amplitude das ondas aumenta, tornando-se perigosa a navegação, pois o barco pode virar, provocando acidentes que podem trazer perdas materiais e pescadores devem conhecer o comportamento das marés, isto é, devem saber a que horas ocorrerá a «baixa-mar» e a «preia-mar», bem como os seus níveis, para poderem saber qual a amplitude (diferença entre a baixa-mar e a praia-mar). O gráfico abaixo mostra o comportamento das marés da Ilha do Ibo, no dia 18 de Janeiro de 2013, podendo verificar-se que as baixa-mar (marés mais baixas) ocorreram às 0:45 horas e às 13:00 horas enquanto que a preia-mar (marés mais altas) ocorreram as 6:45 horas e às 19:20 horas respectivamente.

• Período (T): vamos supor que uma pessoa segura uma das extremidades de uma corda, e que essa pessoa passa a fazer movimentos para Cima e para baixo com a sua mão.

Suponhamos que o intervalo de tempo decorrido de um sobe-desce da mão dessa pessoa seja constante, onde a altura da posição mais alta da mão com relação à posição mais baixa não varie.

Os movimentos da mão da pessoa irão provocar uma sucessão de ondas que irão passar pela corda com velocidade de intensidade v, conforme podemos ver na ilustração abaixo (Fig. 2.26).

Fig. 2.28: O intervalo de tempo necessário para que um ponto vibrante efectue um ciclo completo é denominado período (T).

Se pensarmos no exemplo dado acima, veremos que o período da onda é igual ao tempo gasto pela mão da pessoa para realizar uma oscilação, ou seja, um sobe-desce completo.

No Sistema Internacional de Unidades o período é medido em segundos (s).

Período (T): é o tempo necessário para se produzir uma vibração completa.

• Frequência (f): é o número de oscilações que a onda executa num determinado intervalo de tempo.

A frequência de uma onda é igual à frequência da fonte que a originou.

A unidade de frequência, no Sistema Internacional é o hertz (Hz) em homenagem ao físico alemão Heinrich Hertz que provou experimentalmente a existência de ondas electromagnéticas.

• Comprimento de onda (l): é a distância entre duas cristas consecutivas ou ainda, a distância entre dois vales consecutivos da onda.

Quanto maior for o comprimento de onda, menor será a frequência, isto é, a frequência e o comprimento de onda são grandezas inversamente proporcionais.

Fig. 2.29 – Comprimento de onda e velocidade de propagação.

• Velocidade (v): toda a onda possui uma determinada velocidade. Só assim a energia pode ser transferida de um ponto para o outro. A velocidade da onda depende muito do meio material onde ela se move, podendo ser determinada pelo produto da frequência (f) pelo comprimento da onda l.

Onde:

l – é o comprimento de onda. No Sistema Internacional de Unidades é medido em metros (m).

T – é o período de propagação da onda. No SI é medido em segundos (s).

f – é a frequência de propagação da onda, medida em hertz (Hz), no SI.

v – é a velocidade de propagação da onda. No SI mede-se em metro por segundo (m/s).

1 m/s = 3,6 km/h = 100 cm/s

Bibliografia

MENESES, João Paulo. F10 - Física 10ª Classe. Texto Editores, Maputo, 2017.

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