Ondulatória

Ondulatória é a parte da Física que estuda as ondas. Qualquer onda pode ser estudada aqui, seja a onda do mar, ou ondas eletromagnéticas, como a luz.

Conceito de Onda
A definição de onda é qualquer perturbação (pulso) que se propaga em um meio. Ex: uma pedra jogada em uma piscina (a fonte), provocará ondas na água, pois houve uma perturbação. Essa onda se propagará para todos os lados, quando vemos as perturbações partindo do local da queda da pedra, até ir na borda. Uma sequência de pulsos formam as ondas.

Chamamos de Fonte qualquer objeto que possa criar ondas.

A onda é somente energia, pois ela só faz a transferência de energia cinética da fonte, para o meio. Portanto, qualquer tipo de onda, não transporta matéria!

As ondas podem ser classificadas seguindo três critérios:

Classificação das ondas segundo a sua Natureza
Quanto a natureza, as ondas podem ser dividas em dois tipos:

– Ondas mecânicas: são todas as ondas que precisam de um meio material para se propagar. Por exemplo: ondas no mar, ondas sonoras, ondas em uma corda, etc.

– Ondas eletromagnéticas: são ondas que não precisam de um meio material para se propagar. Elas também podem se propagar em meios materiais. Exemplos: luz, raio-x , sinais de rádio, etc.

Classificação em relação à direção de propagação
As ondas podem ser dividas em tipos, segundo as direções em que se propaga:

– Ondas unidimensionais: só se propagam em uma direção (uma dimensão), como uma onda em uma corda.

– Ondas bidimensionais: se propagam em duas direções (x e y do plano cartesiano), como a onda provocada pela queda de um objeto na superfície da água.

– Ondas tridimensionais: se propagam em todas as direções possíveis, como ondas sonoras, a luz, etc.
– Ondas longitudinais: são as ondas onde a vibração da fonte é paralela ao deslocamento da onda. Exemplos de ondas longitudinais são as ondas sonoras (o alto falante vibra no eixo x, e as ondas seguem essa mesma direção), etc.

– Ondas transversais: a vibração é perpendicular à propagação da onda. Ex.: ondas eletromagnéticas, ondas em uma corda (você balança a mão para cima e para baixo para gerar as ondas na corda).

Características das ondas
Todas as ondas possuem algumas grandezas físicas, que são:

– Frequência: é o número de oscilações da onda, por um certo período de tempo. A unidade de frequência do Sistema Internacional (SI), é o hertz (Hz), que equivale a 1 segundo, e é representada pela letra f. Então, quando dizemos que uma onda vibra a 60Hz, significa que ela oscila 60 vezes por segundo. A frequência de uma onda só muda quando houver alterações na fonte.

–Período: é o tempo necessário para a fonte produzir uma onda completa. No SI, é representado pela letra T, e é medido em segundos.

É possível criar uma equação relacionando a frequência e o período de uma onda:

f = 1/T   ou    T = 1/f

– Comprimento de onda: é o tamanho de uma onda, que pode ser medida em três pontos diferentes: de crista a crista, do início ao final de um período ou de vale a vale. Crista é a parte alta da onda, vale, a parte baixa. É representada no SI pela letra grega lambda (λ)

– Velocidade: todas as ondas possuem uma velocidade, que sempre é determinada pela distância percorrida, sobre o tempo gasto. Nas ondas, essa equação fica:

v = λ / T ou    v = λ . 1/T ou ainda v = λ . f

– Amplitude: é a “altura” da onda, é a distância entre o eixo da onda até a crista. Quanto maior for a amplitude, maior será a quantidade de energia transportada.

Reflexão

A reflexão acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e retorna, se propagando no mesmo meio anterior. Desta forma, não há alteração na velocidade de propagação (que só depende do meio), nem na frequência (que só depende da fonte). Assim, o comprimento de onda da onda incidente é igual ao comprimento de onda da onda refletida (Figura 3).

Na reflexão, o ângulo θi formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de direção NORMAL, é idêntico ao ângulo θr formado pela direção normal e pelo raio refletido. Assim:

θi= θr

No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a reflexão pode gerar dois efeitos diferentes. Se a extremidade da corda estiver fixa, o ponto da corda que está presa ao obstáculo tentará mover o obstáculo para cima. Pela Terceira Lei de Newton, sofrerá a ação de uma força para baixo, o que fará inverter a orientação da perturbação. Dizemos que, nesse caso, houve inversão da fase da onda (Figura 5).

Se as extremidades estiverem livres, esta força não atua e o pulso retorna normalmente.

Refração

A refração acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e a atravessa, passando a se propagar no outro meio. Desta forma, há alteração na velocidade de propagação (já que esta só depende do meio), o que gera uma alteração no comprimento de onda, mas sem que haja alteração na frequência. Isso vem acompanhado, na maioria dos casos, de uma alteração na direção de propagação da onda.

É essa alteração que explica o porquê as ondas do mar chegam sempre “de frente” à costa, mesmo sendo esta toda “recortada”. Se observarmos o oceano de cima, de um ponto mais elevado numa costa, veremos o padrão horizontal de cristas de onda que se aproximam dela. Mas, independente da direção das quais as ondas venham, elas acabam chegando à costa numa direção quase perpendicular a ela. Isso acontece porque a profundidade do mar diminui a medida em que a onda se aproxima da costa, alterando a velocidade de propagação das ondas.

Na refração, o ângulo θ1 formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de direção normal, possui uma relação com o ângulo θ2 formado pela direção normal e pelo raio refratado. Essa relação é chamada de Lei de Snell-Descartes:

senθ1senθ2=v1v2=λ1λ2

No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a refração pode acontecer quando unimos duas cordas de diferentes densidades, por exemplo. É bom lembrar que a velocidade de propagação é maior na corda menos densa.

Se o pulso se propaga da corda menos densa para a mais densa, a segunda corda se comporta como um ponto fixo para a primeira, e o pulso refletido sofre inversão de fase (Figura 8).

Se o pulso se propaga da corda mais densa para a menos densa, a segunda corda se comporta como um ponto livre para a primeira, e o pulso refletido não sofre inversão de fase (Figura 9).

Difração

Quando uma frente de onda encontra um obstáculo, este reflete parte da energia da onda e transmite outra parte. Mas, se tivermos uma porção da frente de onda desobstruída, os pontos dessa frente de onda se comportam como pequenas fontes pontuais de onda, gerando ondas do outro lado do obstáculo e que tendem a se espalhar do outro lado. Esse fenômeno chama-se difração, e esse princípio recebe o nome de Princípio de Huygens.

É por isso que conseguimos escutar um som emitido de um lado de um muro, mesmo estando do outro lado. É claro que podemos ter uma pequena parcela de energia atravessando o muro, mas a maioria dessa energia chega até nós graças à difração.

É importante ressaltar uma coisa: a difração, assim como os outros fenômenos ondulatórios, é mais intensa quando o comprimento de onda tem valor próximo ou maior do que as dimensões dos objetos utilizados para a observação. É por isso que, ao longo do dia-a-dia, não notamos a luz como uma onda: o comprimento médio de onda da luz é da ordem de 0,0005 mm! Não temos objetos ao nosso redor com essas dimensões.

Polarização

Polarizar uma onda significa orientá-la em uma única direção ou plano através da passagem em um dado meio, chamado de polarizador. Somente ondas transversais podem ser polarizadas!).

A luz solar não tem uma direção específica de polarização. Cada onda eletromagnética que sai do sol pode vibrar em uma direção diferente. Neste caso, dizemos que a luz é não polarizada. Quando a luz solar é refletida, pode ser polarizada em uma direção específica. As lentes polarizadas de óculos escuros podem barrar a passagem dessa luz, diminuindo a sensação de ofuscamento causada pelas superfícies que refletem a luz (Figura 12).

Ressonância

Sistemas físicos, como sólidos, por exemplo, devido à sua estrutura atômica ou molecular, possuem uma vibração própria graças a efeitos térmicos ou externos. Quando uma vibração externa, com frequência próxima ou igual à frequência natural de vibração de um sistema, é emitida na direção deste, o sistema absorve fortemente a energia dessa onda, aumentando a amplitude de suas vibrações. Neste caso, dizemos que o sistema está em ressonância.

É graças a isso que é possível estourar uma taça de cristal apenas com a voz. Ao emitirmos um som com frequência próxima ao valor natural do cristal, ele entra em ressonância e não suporta o aumento da vibração, quebrando. É também por isso que escutamos o som de um violão: a madeira da caixa do violão entra em ressonância graças à vibração das cordas, fazendo o ar retido dentro da caixa também vibrar, aumentando a intensidade do som.

Fontes:

http://www.infoescola.com/fisica/ondulatoria-ondas/

http://educacao.globo.com/fisica/assunto/ondas-e-luz/fenomenos-ondulatorios.html