30/11/2015

Ondas


Pode-se definir uma onda como uma perturbação oscilante, de alguma grandeza física no espaço, e periódica no tempo.
A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de onda e o tempo decorrido para uma oscilação é medido pelo período da onda, que é o inverso da sua frequência. Estas duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda.
Fisicamente, uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido ou gasoso). Segundo alguns estudos e pelo observado até à atualidade, nada impede que uma onda magnética se propague no vácuo ou através da matéria, como é o caso das ondas eletromagnéticas no vácuo ou dos neutrinos através da matéria, onde as partículas do meio oscilam à volta de um ponto médio mas não se deslocam. Excepto pela radiação eletromagnética, e provavelmente pelas ondas gravitacionais, que se podem propagar através do vácuo, as ondas existem num meio cuja deformação é capaz de produzir forças de restauração, através das quais viajam, e podem transferir energia de um lugar para outro sem que qualquer das partículas do meio seja deslocada; isto é, a onda não transporta matéria. Há, no entanto, oscilações sempre associadas ao meio de propagação.
Uma onda pode ser longitudinal quando a oscilação ocorre na direção da propagação, ou transversal quando a oscilação ocorre na direção perpendicular à direção de propagação da onda.



Natureza das ondas
Há que fazer a distinção entre dois tipos de ondas:
  1. As ondas mecânicas - aquelas que têm um suporte para se propagarem, como por exemplo, as ondas na água, as ondas de uma mola, as de um fio esticado, as ondas sonoras e as ondas sísmicas, etc;
  2. As ondas electromagnéticas - aquelas que não precisam de um suporte material para se propagarem, como por exemplo a luz e as ondas de rádio.


Tipos de ondas
Nas ondas longitudinais, os pulsos da corda oscilam na direção em que a onda se propaga, isto é, a perturbação propaga-se no sentido  das extremidades da corda. São exemplos dete tipo de onda o som e as ondas nos líquidos.
Nas ondas transversais, os pulsos da mola oscilam perpendicularmente à direção em que se move a onda, isto é, perpendicularmente ao vetor de velocidade. O impulso é aplicado perpendicularmente à mola. São exemplos deste tipo de onda as ondas electromagnéticas, e as ondas de rádio.


Medição das ondas

Quando são aplicados pulsos periódicos num ponto, chamemos-lhe P, na extremidade de uma corda, essas oscilações periódicas vão originar ondas periódicas. O ponto P oscila e chama-se elongação ao deslocamento do ponto em relação à sua posição de equilíbrio. O valor máximo da elongação designa-se por amplitude.
À medida que a onda se propaga, os vários pontos da corda passam a oscilar, imitando, com um certo atraso, o movimento do ponto P. Se não houver dissipação de energia, todos os pontos oscilam com a mesma amplitude.
A amplitude corresponde, na figura, à distância a que as cristas da onda estão na posição de equilíbrio.
O período, T, é o tempo que cada um dos pontos da corda demora a executar uma oscilação completa.
As partículas da corda vibram com determinada frequência, f, (número de ciclos que executam a cada segundo), que é igual à frequência a que oscila o ponto P, ponto que está na origem da onda.
No movimento da onda, verificamos que existe também uma periodicidade no espaço: o comprimento de onda, λ, que corresponde à menor distância entre duas cristas ou, mais precisamente, à menor distância entre dois pontos que vibram de maneira idêntica, isto é, que estão na mesma fase de vibração.


Em resumo,
período é o tempo (T) de um ciclo completo de uma oscilação de uma onda. A frequência (f) é o período dividido por uma unidade de tempo (exemplo: um segundo), e é expressa em hertz.
f=1/T.

Quando as ondas são expressas matematicamente, a frequência angular (ómega; radianos por segundo) é constantemente usada, relacionada com frequência f em:
f=ω/2π

Propagação das ondas
Pode-se determinar a velocidade de propagação de uma onda. A velocidade de propagação da maior parte das ondas mecânicas depende apenas do meio em que as ondas se propagam e o movimento é uniforme.  λ = v T

As ondas podem propagar-se nos seguintes meios:
  • Meios lineares: se diferentes ondas, de qualquer ponto particular do meio em questão, podem ser somadas;
  • Meios limitados: se o meio é finito em extensão, caso contrário são considerados ilimitados;
  • Meios uniformes: se as suas propriedades físicas não podem ser modificadas em diferentes pontos;
  • Meios isotrópicos: se as suas propriedades físicas são as mesmas em quaisquer direções.

Características:
Todas as ondas partilham de algumas características comuns que são a reflexão, a refração, a difração, a interferência, a dispersão e a vibração.

Ondas e tremores de terra
Quando se dá um tremor de terra, liberta-se uma enorme quantidade de energia. Esta é transportada através da terra por ondas, que provocam choques detetáveis em lugares distantes. As ondas são oscilações do meio (rocha) que passam de partícula para partícula. Embora as partículas oscilem, transportando a energia do tremor de terra, a rocha em si não é levada de um lado para o outro.
A energia do tremor de terra é transportada por dois tipos de onda distintos. As ondas primárias, ou P, são transmitidas pela compressão e alongamento alternado da rocha (o meio). Estas ondas são longitudinais. As ondas secundárias, ou S, deslocam-se de modo diferente - sob a forma de oscilações laterais da rocha. São transversais.
As ondas longitudinais P deslocam-se a uma velocidade de 5 km/h, enquanto as ondas transversais S, deslocam-se mais devagar, 3 km/h.

Efeito de Doppler
Efeito de Doppler consiste na variação da frequência de um movimento ondulatório que precede de um objeto que se move em relação a um observador.
O apito de um comboio torna-se mais agudo quando o comboio se aproxima e torna-se mais grave quando o comboio se afasta. No caso das ondas luminosas, o que se observa é um deslocamento das linhas espectrais da luz na direção do vermelho quando a fonte luminosa se afasta e na direção do violeta quando a fonte luminosa se aproxima.

Este efeito foi descrito pela primeira vez, em 1842, por Christian Doppler, físico austriaco, e tem sido aplicado no estudo do Universo.

Difração e limites de ampliação
Os efeitos da difração - quando uma onda se dispersa depois de passar por uma fenda ou por um obstáculo semelhante ao seu comprimento de onda - não são normalmente muito evidentes. Mas a difração é o mecanismo pelo qual o som se pode ouvir do outro lado de uma esquina e que confirma a teoria de que a luz é constituída por ondas. As ondas luminosas têm comprimentos de onda inferiores a um milionésimo de metro e por isso criam alguns efeitos de difração vulgares. Mas, para um cientista que utiliza um potente microscópio ótico a difração é um fenómeno perturbador. Objetos que têm tamanhos idênticos ao comprimento de onda da luz produzem fortes efeitos de difração, esbatendo os contornos e produzindo visíveis «franjas» claras e escuras. Para o utilizador do microscópio, estes efeitos podem constituir uma barreira à observação. É por esta razão que os objetos muito pequenos são muitas vezes examinados em microscópios eletrónicos, que em vez de luz utilizam ondas de eletrões de frequência ultra-elevada para «verem».

Sobreposição, interferência e rádio
Se duas ondas chegarem ao mesmo lugar ao mesmo tempo, as respetivas amplitudes - ou alturas - são adicionadas uma à outra. Trata-se do princípio da sobreposição. Na água, duas cristas juntas produzem uma crista mais alta, dois vales produzem um vale mais profundo e, se uma crista e um vale do mesmo tamanho coincidirem, cancelam-se mutuamente.
As ondas rádio comportam-se de modo idêntico. Dois emissores FM independentes emitindo ondas da mesma frequência e intensidade produzem padrões fixos de reforço e cancelamento através do espaço. Quando um tal padrão é estabelecido, a intensidade do sinal pode variar desde o muito forte ao inaudível numa pequena zona, tornando a receção muito deficiente, particularmente para os utilizadores de auto-rádios. É por esta razão que uma mesma estação transmite muitas vezes em frequências ligeiramente diferentes em zonas diferentes. A interferencia é evitada porque o recetor de rádio apenas consegue captar um dos sinais.




Fontes

Desafios da Física, Daniel Marques da Silva, Lisboa Editora, 2008
A Nova enciclopédia da Ciência em Movimento, Círculo de Leitores, 1997
Jogo de Partículas A, Maria da Conceição Dantas, Marta Duarte Ramalho, Texto Editores, 2007
www.wikipedia.com

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«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...