Ondas sonoras

Definem-se como ondas sonoras as perturbações que se propagam num meio mecânico e cuja frequência é susceptível de estimular o ouvido humano. A gama de frequências do som varia desde cerca de 20 Hz até cerca de 16 KHz. Ondas mecânicas com valores inferiores de frequência denominam-se infra-sónicas, estas são produzidas em tremores de terra, por exemplo. Ondas mecânicas que tenham valores de frequência superiores denominam-se ultra-sónicas, estas são utilizadas como meio terapêutico ou de diagnóstico em medicina, e no sonar que permite detectar a profundida da água e encontrar corpos submersos.

As ondas sonoras podem ter origem em:

- cordas vibrantes (guitarra, violino, cordas vocais, ...);

- colunas de ar vibrantes (órgão, clarinete, ...);

- placas ou menbranas vibrantes (xilofone, tambor, altifalante, ...).

Ouvido humano

O ouvido externo é constituído pelo pavilhão auditivo. A função do pavilhão auditivo é "recolher" sons, agindo como um funil direccionando o som para o conduto auditivo. Outra função é a filtragem de sons, processo que ajuda a localizar a origem dos sons que chegam à pessoa.

O ouvido médio é composto pelos ossículos, ossos pequenos denominados de martelo, bigorna e estribo. Estes 3 ossos estão ligados elasticamente uns aos outros e constituem um sistema de alavanca para transmitir as vibrações do ouvido externo ao ouvido interno.

O ouvido interno é composto pela cóclea e os canais semicirculares. Na cóclea existem milhares de células capilares muito finas que são estimuladas pelas vibrações sonoras e dão origem à sensação da audição.

Ondas Estacionárias

As ondas estacionárias formam-se quando duas ondas idênticas se encontram, movendo-se em sentidos opostos. Este tipo de onda é caracterizado por pontos fixos de valor zero, chamados de nodos, e pontos de valor máximo também fixos, chamados de antinodos. São ondas resultantes da superposição de duas ondas com mesma frequência, mesma amplitude, mesmo comprimento de onda, mesma direcção e sentidos opostos.

Interferência construtiva e destrutiva

Quando duas ondas de sobrepõem criando uma onda de amplitude maior, temos uma interferência construtiva. Após a sobreposição, os pulsos continuam na sua propagação como se nada tivesse ocorrido.

Consideremos agora outros dois pulsos, uma crista e um vale em direcção um ao outro. A sobreposição neste caso irá criar uma onda de amplitude menor. A amplitude final será determinada pela subtracção da onda de maior amplitude pela onda de menor amplitude. Quando isto acontece temos uma interferência destrutiva, e após a sobreposição, as ondas continuam como se nada tivesse acontecido.

Ondas esféricas e planas

Até agora falámos de ondas que se propagam numa única direcção. Salvo casos particulares, como ondas propagando-se numa corda esticada ou ondas sonoras que se propagam num tubo, as ondas propagam-se no espaço em todas as direcções e não apenas numa.

Chamamos frentes de onda a todos os pontos do meio com as mesmas características de posição em relação à posiçào de equilíbrio J. velocidade e aceleração, como, por exemplo, as cristas ou os vales.
Se as ondas se propagam numa única direcção, as frentes de onda são planas. Se as ondas se propagam em todas as direcções, partindo de uma origem pontual, as frentes de onda são esféricas (fig.12).

A distância entre duas cristas consecutivas ou dois vales consecutivos chama-se comprimento de onda e representa-se por λ.

Durante um período, uma crista, por exemplo, percorre uma distância igual a um comprimento de onda.
A velocidade da crista é, então:

Ondas longitudinais

As ondas longitudinais são aquelas em que a vibração e a propagação ocorrem na mesma direcção. Vamos tomar como exemplo uma mola. Quando provocamos uma compressão numa das suas extremidades provocará um pulso cuja vibração será na mesma direcção da sua propagação. O exemplo mais comum de ondas que vibram assim são as ondas sonoras.

Ondas transversais

Uma onda transversal ocorre quando temos a vibração da onda perpendicular à sua propagação. Por exemplo, se tivermos uma onda transversal que se propaga horizontalmente numa corda, as vibrações por onde ela passa serão verticais de modo que a vibração e propagação farão entre si um ângulo de 90 graus.

Ondas

O nosso mundo é atravessado por muitos tipos de ondas:

- as ondas causadas pelos pingos de chuva nos lagos;
- as ondas sonoras provocadas pelas cordas de um instrumento;
- as ondas no meio do oceano;
- as ondas que se propagam ao longo de uma corda esticada vibrante;
- as ondas sísmicas quando a crosta terrestre.

Estas ondas são ondas mecânicas progressivas, porque se estão a propagar em meios materiais.
Além das ondas mecânicas, existem as ondas electromagnéticas, que se propagam sem nessecidade de suporte material (a radiação visível, a radiação ultravioleta, a radiação infravermelha, etc).

Elongação e Amplitude

Chama-se de elongação à distância de um ponto qualquer da curva até o eixo dos X. Na figura, Y é a elongação do ponto P.

Chama-se amplitude à elongação máxima. Na figura a distância do ponto A ao eixo X, assim como o é a distância do ponto C ao eixo X. Para diferenci-à-las, dizemos que a amplitude de A, que está na região de Y positivo, é positiva, e a de C, por estar na região de Y negativa, é negativa.

Força elástica

Chamamos de força elástica, toda a força que tem propriedades semelhantes a força da figura seguinte
Considere uma mola vertical presa na sua extremidade superior. Aplicando-se uma força F na extremidade inferior da mola ela sofre deformação (representado por x). Essa deformação é chamada de elástica quando, retirada a força F, a mola volta para a mesma posição.

Movimento oscilatório harmónico simples

O movimento harmônico simples (MHS) é um tipo particular de movimento periódico oscilatório em que a partícula se move sobre uma reta de modo que a intensidade da força que tende a levá-la ao ponto fixo cresce na mesma proporção em que aumenta o seu afastamento deste mesmo ponto fixo.

Se o corpo estiver suspenso da mola em hélice vertical, haverá ainda uma posição de equilíbrio, na qual a mola estará ligeiramente esticada. Se puxarmos o corpo para baixo e o largarmos, ele vai efectuar movimento oscilatório harmónico simples, com trajectória agora vertical.

Podemos definir a posição do corpo pela coordenada x, ao longo de um eixo horizontal apontado para a direita. A origem, x = O, é a posição de equilíbrio. Para os pontos do eixo à esquerda da posiçào de equilíbrio teremos x <>O.
A energia potencial elástica do sistema é, em função da posição do corpo,

em que k é a constante da mola. A força que a mola exerce no corpo, quando este se encontra na posição x, é expressa pela equação escalar

F=-kx

Quando o corpo não se encontra na posição de equilíbrio surge uma força restauradora, exercida no corpo pela mola, que tende a fazer regressar o corpo à posição de equilíbrio. Sob a acção desta força, e após ter deixado de actuar a força exterior, o corpo move-se para a esquerda e, como ao atingir a posição de equilíbrio a sua velocidade é nula, vai passar estaposição, comprimindo a mola. A força restauradora tem agora o sentido para a direita, o corpo irá passar na posição de equilíbrio, prosseguindo num movimento de vaivém. A energia do corpo, que lhe foi transmitida inicialmente pela força exterior, ao deslocá-lo da posição de equilíbrio vai-se transformando, durante o movimento, de energia potencial elástica em energia cinética e vice-versa.

Movimento Periódico

Qualquer movimento que se repete a si próprio em intervalos de tempo iguais denominam-se movimento periódico. O intervalo de tempo mais curto ao fim do qual as características do movimento se repetem é o período do movimento.

Se o movimento períodico de uma partícula consiste em deslocar-se para trás a para a frente sobre o mesmo caminho, dizemos que esse movimento é oscilatório ou vibratório.