Aula nº2 – Classificação das ondas

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As ondas podem classificar-se atendendo à sua natureza e ao modo como estas se propagam.

Imagine-se uma mola helicoidal. Se se efetuar um movimento brusco na extremidade livre da mola, para cima e para baixo, em relação à sua posição inicial, irá obter-se uma vibração da mola para cima e para baixo que se irá propagar ao longo da mesma.

Tal como na corda, obtém-se uma onda cuja direção de vibração é perpendicular à direção de propagação da onda.

As ondas que apresentam estas características são denominadas ondas transversais.

 

ONDA TRANSVERSAL – Onda cuja direção de vibração é perpendicular à sua direção de propagação.

Propagação de uma onda transversal numa mola helicoidal.

 

 

Observação

A velocidade num fio esticado depende dos seguintes fatores: tensão mecânica e massa por unidade de comprimento (tensão / massa linear). Assim, mantendo-se tensão a velocidade seria metade (massa linear quatro vezes maior) .

 

 Sugestão de exploração

Poder-se-á referir que em relação à direção de propagação as ondas podem considerar-se:

• unidimensionais: quando propagam numa só direção como no caso da corda;
• bidimensionais: quando se propagam ao longo de um plano, como no caso da superfície da água:
• tridimensionais: quando se propagam em todas as direções, como ocorre com as ondas sonoras no ar.

 

Contudo, se na extremidade livre da mola se efetuar um movimento brusco para a frente e, em seguida, para trás, comprimindo e distendendo a mola, irá obter-se uma vibração da mola para a frente e para trás, que se irá propagar ao longo da mesma direção.

Ou seja, observa-se, na mola, uma zona de compressão a que se segue uma zona de descompressão que se propagam ao longo da mola.

Ao contrário da situação descrita anteriormente, agora a direção de vibração das espiras da mola coincide com a direção de propagação da onda. Quando as ondas apresentam estas características são designadas ondas longitudinais.

 

ONDA LONGITUDINAL

Onda cuja direção de vibração é paralela à sua direção de propagação.

 

Propagação de uma onda longitudinal numa mola helicoidal.

• Nas ondas transversais, a direção das oscilações é perpendicular à direção de propagação da onda.
• Nas ondas longitudinais, a direção das oscilações é a mesma que a direção de propagação da onda.

 

As ondas apresentadas têm, contudo, algo em comum, são da mesma natureza.

Todas resultam da propagação de uma perturbação que tem origem na vibração de uma ou várias partículas e que se propaga num dado meio material.

Ondas que necessitam de um meio material para se propagarem são designadas ondas mecânicas.

Como é natural estas ondas não se propagam no vazio.

Além das ondas analisadas até ao momento, as ondas sísmicas, são também um exemplo de ondas mecânicas.

As ondas mecânicas são ondas que só se propagam num meio material (sólido, líquido ou gás).

Embora não haja transporte de matéria, as partículas do meio participam no processo de transferência de energia; esta é transmitida entre as partículas, com uma velocidade que depende da elasticidade e da inércia do meio material.

São exemplos de ondas mecânicas as ondas numa corda, numa mola, na água, o som, as ondas sísmicas, entre outras.

 

Perturbação que apenas se propaga num meio material. Este tipo de ondas não se propaga no vazio.

A propagação de uma onda mecânica consiste numa sucessão de perturbações no meio, em que as partículas deste se deslocam e voltam à posição de equilíbrio, mas não se movem mais do que isso.

Não há deslocamento efetivo das partículas ao longo do meio na direção de propagação, apenas pequenos movimentos e retorno às posições de equilíbrio.

Muitas vezes pensa-se que as perturbações se deslocam sempre num único sentido, mas não é isso que se verifica. Se comprimirmos algumas espiras de uma mola numa posição qualquer diferente de uma extremidade, e as soltarmos, veremos a onda propagar-se nos dois sentidos, avançando para as duas extremidades da mola.

 

Outras ondas, como a luz, não precisam de um meio material para se propagarem; propagam-se, por isso, no vazio. Estas ondas designam-se por ondas eletromagnéticas e têm origem num campo eletromagnético variável.

São exemplos de ondas eletromagnéticas as ondas luminosas, as ondas de rádio, as radiações infravermelhas, os raios X, entre outras.

Existem, no entanto, perturbações que se podem propagar no vazio.

No vazio, estas ondas apresentam velocidade de módulo máximo de cerca de 3 x 10⁸ m s^-1, correspondente ao módulo da velocidade da luz no vazio.

 

As ondas eletromagnéticas são ondas que não precisam de um meio material para se propagarem; propagam-se no vazio e em meios materiais.

 

No caso das ondas sísmicas coexistem esses dois tipos de ondas:

• as ondas primárias são longitudinais (ondas P, as primeiras a chegar por terem maior velocidade);
• as ondas secundárias são transversais (ondas S, que se propagam apenas em sólidos).

 

Há ondas mistas, isto é, simultaneamente transversais e longitudinais, pois têm duas direções de oscilação. É o caso das ondas sonoras em sólidos, de certo tipo de ondas sísmicas e das ondas na superfície da água (neste último caso a oscilação vertical é a mais evidente).

Nos exemplos anteriores, as ondas são produzidas por oscilações em meios materiais: são ondas mecânicas.

Mas as ondas eletromagnéticas não necessitam de um meio material para se propagarem e são produzidas por oscilações de cargas elétricas (que estudaremos adiante).

 

Exercício resolvido

1. A onda provocada pela queda de uma gota de água num pequeno charco.

1.1 Que designação se atribuí à onda apresentada, atendendo ao modo de vibração? Justifique.

1.2 Indique, justificando, como se classifica a onda relativamente à sua natureza.

 

2. Duas molas, A e B, apresentam uma sequência de pulsos que se propagam ao longo das molas de acordo com a figura seguinte.

2.1 Classifique cada uma das ondas atendendo ao seu modo de vibração.

2.2 Indique, justificando, se as ondas apresentadas são mecânicas ou eletromagnéticas.

3. No inicio de uma corda muito comprida e bem esticada, gera-se um impulso.

A velocidade de propagação dos impulsos na corda é de 5,0 m s^-1

3.1 Faça um esboço da corda 0,05 s depois de um impulso ter sido gerado. Justifique.

3.2 Que distância percorreu o Impulso nesse intervalo de tempo?

3.3 Pretende-se que os Impulsos demorem o maior tempo possível a chegar ao outro extremo da corda. Como se deve proceder?

A – Mover a mão mais rapidamente (mas, do mesmo modo, para cima e para baixo).

B – Mover a mão mais lentamente (mas, do mesmo modo, para cima e para baixo).

C – Mover a mão com maior amplitude de movimento no mesmo intervalo de tempo.

D – Mover a mão com menor amplitude de movimento no mesmo intervalo de tempo.

E – Escolher uma corda mais grossa, do mesmo comprimento e igualmente tensa.

F – Usar uma corda mais fina, do mesmo comprimento e igualmente tensa.

G – Usar uma corda igual mas menos tensa.

H – Usar uma corda igual mas mais tensa.

I – Aumentar a intensidade da força que provoca os impulsos.

J – Diminuir a intensidade da força que provoca os impulsos.

K – Nenhuma das respostas causará o efeito desejado.

 

4. Uma experiência com um barquinho de papel numa tina com água ilustra bem que não há deslocamento das partículas do meio na direção de propagação da onda, apenas oscilações em torno das respetivas posições de equilíbrio.

Criam-se ondas numa tina com água onde se colocou um barquinho de papel.

4.1 Será que o barquinho consegue aproximar-se ou afastar-se da mão da pessoa que cria as ondas na água?

4.2 Como classifica as ondas: transversais ou longitudinais?