O que é acústica física? Veja o conceito, o objetivo, o que estuda e as fórmulas!

A área da Física que estuda o som é chamada de acústica física. Na realidade, essa área é um dos objetos de estudo da física ondulatória, mas quando falamos especificamente da onda do som é que se trata da acústica. Nela, aprendemos as características que distinguem os sons: intensidade, altura, timbre, ultrassons, infrassons, etc.

Neste artigo sobre acústica física, você encontrará:

1. Acústica física e o estudo do som
2. Ondulatória, características da onda e fontes
3. Como o som é explicado, característica, fenômenos
4. Classificação dos sons, harmônicos e fórmulas ao final

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Qual área da física estuda o som?

A área da Física que estuda o som é chamada de acústica física. Na realidade, essa área é um dos objetos de estudo da física ondulatória, a parte da física que estuda ondas. Quando falamos especificamente da onda do som é que se trata da acústica.

Nessa área é que estudamos como os sons são formados, como podem ser diferenciados e quais são as suas caraterísticas. Também há o estudo de como e onde ele se propaga além de fórmulas para calcular experimentos e testar conceitos.

Qual é o objetivo da acústica?

Quando estudamos a acústica, o objetivo é entender o que são ondas e especificamente as características e propriedades do som. Quando você sabe como as coisas funcionam, pode aplicar no seu dia a dia. 

O objetivo prático da acústica é controlar a emissão, recepção, transmissão e reprodução do som. Foi por meio desse estudo que os aparelhos sonoros foram desenvolvidos, desde os microfones até os megafones e aparelhos auditivos para deficientes.

Além disso, essa matéria é muito cobrada nos vestibulares, então para ingressar em uma faculdade você também precisa disso!

O que é física ondulatória?

Ondulatória é a parte da Física responsável por estudar as características e propriedades das ondas e seus movimentos. Como o som é uma onda, precisamos relembrar alguns conceitos da ondulatória antes de continuar.

Uma onda é a energia sendo transportada. Não podemos tocar uma onda pois ela é imaterial, conseguimos apenas sentí-la e ver seus efeitos.

Fontes sonoras

A onda não é capaz de se originar sozinha porque ela apenas faz a transferência de energia que veio de uma fonte. Portanto, fonte é o meio que pode criar uma onda.

Alguns exemplos de fontes que criam especificamente ondas sonoras são os instrumentos musicais e nosso aparelho vocálico. Eles são abastecidos pela energia cinética (movimento) e produzem vibrações que são transmitidas de moléculas em moléculas. 

Veja outros exemplos:

• Cordas vibrantes: violão, violino, violoncelo, piano, cordas vocais 
• Tubos sonoros: órgão ,flauta, clarinete, oboé
• Membranas e placas vibrantes: tambor
• Hastes vibrantes: diapasão, triângulo

Características gerais de uma Onda

Existem diferentes tipos de todas, mas todas elas possuem:

• Crista: é o ponto mais alto de uma onda, o topo, onde está a maior intensidade
• Vale: é o ponto mais baixo de uma onda, o fundo, onde tem menor intensidade
• Amplitude: é a distância que existe entre o vale e o ponto central, a linha que passa no meio. Também pode ser dado pela medida do vale ao ponto central.
• Comprimento de onda: toda onda possui uma crista e um vale. Como elas se propagam, costumam ser representas em conjunto, formando um gráfico contínuo. Para distinguir o que é uma onda, usamos o comprimento. Ele pode ser medido de crista a crista, vale a vale, ou ponto central a  ponto central depois de passar por uma crista e um vale.
• Período: é o tempo que uma onda demora para ser percorrida 1 vez, ou seja, qual o tempo que gasta para repetir. Ele é representado pela letra (T) e sua unidade de medida é em segundos (s).
• Frequência: é o número de vezes que uma onda se repete em um determinado tempo. Representamos pela letra (f) e sua unidade de medida é o Hertz (Hz).

Observe que período e frequência grandezas inversas, portanto, podemos dizer que

f = 1/T ou que T = 1/f.

Uma onda também pode ser de dois tipos quanto a sua forma (transversal ou longitudinal) e quanto ao seu meio de propagação (mecânica ou eletromagnética).

• No caso, você só precisa saber que o som é uma onda mecânica e longitudinal! Mas o que isso significa? Vejamos:

Como o som é explicado pela física?

Para a Física, o som é uma onda longitudinal e mecânica. Ele se expressa como uma vibração que se propaga no ar e em outros meios materiais, formando regiões de altas e baixas pressões dependendo de sua fonte emissora. 

O tímpano é uma membrana sensível do ouvido que capta vibrações. Quando essa onda vem do ambiente e o atinge, ele também vibra. Essa energia é transmitida por um conjunto dos três menores ossos do corpo (bigorna, martelo e estribo).

Eles estão conectados a um nervo que converte as vibrações em mensagens elétricas para os neurônios. Assim, a informação chega ao cérebro que interpreta a sensação sonora.

Meios de propagação do som 

Quando dizemos que o som é uma onda mecânica, significa que ele só se propaga se houver um meio material. 

O ar é formado por moléculas de gases podendo ter alta densidade, portanto o som consegue se propagar por ele. Também consegue por fios, portas, paredes e líquidos.

Porém, nem sempre essa propagação é eficiente porque o som é uma vibração. Assim, quanto mais denso for o material e maior a distância, mais fraco o som vai ficando até se perder.

A propagação do som varia de acordo com o estado físico da matéria, então ela é mais comum nos meios sólidos. Quando falamos em meios líquidos e gasosos, a velocidade do som depende também da temperatura. Vamos aprender a fórmula no último tópico do texto!

• O lugar onde o som não se propaga é o espaço sideral que conhecemos em volta da Terra. Isso acontece porque lá o que predomina é o vácuo, ou seja, um ambiente sem moléculas. 

Por isso, apenas a luz pode se propagar no vácuo já que é do tipo eletromagnética, e não mecânica como o som. Já imaginou como realmente seriam os filmes de ficção científica no espaço? Todos mudos!

Características do som

Assim como as ondas têm características gerais, o som tem suas características específicas. Elas são intensidade, altura e timbre:

• Intensidade: está ligada à quantidade de energia transportada pelo som. Dizemos que ele é mais forte quando a onda possui maior amplitude, e mais fraco quando a onda possui menor amplitude. Ela é captada pela pressão que a onda sobre o ouvido.

• Altura: está relacionada com a frequência do som. Os sons mais altos são os que possuem maior frequência, e os mais baixos possuem menor frequência. 

• Timbre: é o conjunto de ondas sonoras que formam um determinado som. Ele é a característica individual que nos permite diferenciar de qual fonte sonora veio. Mesmo que uma flauta e uma guitarra tocam a mesma nota “Dó”, nós sabemos que possuem identidades diferentes e reconhecemos isso.

Observe que no dia a dia falamos que o som está “alto” para se referir ao volume da música. Porém, isso é uma associação errada de termos. 

• Na realidade, o volume está associado à intensidade, enquanto um som alto é agudo e um som baixo é grave.

Classificação dos sons

Falamos som como uma palavra genérica para aquilo que ouvimos, porém, nós não conseguimos captar todas as ondas mecânicas longitudinais. Por isso, dizemos que existem os sons audíveis (escutamos) e inaudíveis (não conseguimos escutar).

O som que escutamos possui intensidade e frequência necessárias para ser percebida pelo nosso aparelho auditivo. As frequências audíveis pelo ser humano ficam entre 16 Hz e 20000 Hz (20 KHz). 

• Dentro da faixa humanamente audível encontram-se a voz humana, os instrumentos musicais, os alto-falantes, alguns fenômenos da natureza e os barulhos emitidos por alguns animais.

• Abaixo de 16 Hz damos o nome de infra-sons. Eles são produzidos por vibrações da água em grandes reservatórios, batidas do coração, e barulhos de alguns animais que não podemos captar, apenas com a ajuda de aparelhos construídos para isso.

• Acima de 20 KHz estão os ultra-sons. Eles são emitidos por alguns animais e insetos (morcegos, grilos, gafanhotos) e por outros aparelhos que o ser humano desenvolveu como sonares, radares, aparelhos médicos e industriais.

Reflexão das ondas sonoras

Por serem ondas, o som também pode refletir (bater e voltar) dependendo da superfície. Nesse caso, existem três classificações possíveis:

• Eco: ocorre quando o tempo de ida e volta da onda dura mais que 0,1 segundo. Assim ele bate e volta, mas as palavras vão se repetindo automaticamente algumas vezes até diminuir e parar.
• Reverberação: quando o tempo de ida e volta da onda sonora é próxima de 0,1 segundo. É o que acontece quando uma sala de gravação não tem boa acústica e o som que ouvido da voz é “sujo”. Mas esse efeito também pode ser usado para remixagem de músicas.
• Reforço: quando o tempo de ida e volta da onda sonora é menor que 0,1 segundo.

Harmônicos musicais e ondas estacionárias

Para a física acústica, os harmônicos são trajetórias dos movimentos que ocorrem em torno de um eixo de equilíbrio. Falei grego? Vamos lá:

Imagine prender uma corda em duas extremidades e fazê-la vibrar. Esse movimento vai acontecer de forma circular, criando um balão ao redor do eixo inicial. É como quando você está brincando de pula-corda com duas pessoas: cada uma segura em uma ponta e a terceira fica no meio.

Na realidade, essa imagem é só um exemplo do que acontece com as ondas estacionárias. Essas ondas são o resultado da junção de ondas normais. Quando duas ondas se chocam, elas podem ser construtivas (somam-se) ou destrutivas (anulam-se). 

O resultado disso é uma onda estacionária e, mesmo assim, algumas delas podem produzir sons que classificamos de acordo com os harmônicos. O som de um violão parte do princípio de ondas estacionárias que produzem som.

Todas as ondas estacionárias tem nós e ventres:

• Nós: local onde a onda fica parada no repouso
• Ventre: local onde ocorre a oscilação da onda

De acordo com a imagem que construímos, os nós seriam os locais fixos (onda parada) e o ventre é a parte da corda que vibra (oscilação da onda).

Com base nisso, as ondas podem apresentar múltiplos pontos de interferências construtivas ou destrutivas. Assim, surge a classificação dos harmônicos:

• Primeiro harmônico: dois nós e um ventre
• Segundo harmônico: três nós e dois ventres
• Terceiro harmônico: quatro nós e três ventres

Mesmo dentro de um tubo, também podem se formar ondas estacionárias. Mas elas variam conforme o tubo aberto e o tubo fechado.

No tubo aberto, há duas extremidades abertas. Por isso, temos:

• Primeiro harmônico: um nó e dois ventres
• Segundo harmônico: dois nós e três ventres
• Terceiro harmônico: três nós e quatro ventres

No tubo fechado, há uma extremidade aberta. Por isso, teremos apenas harmônicos ímpares:

• Primeiro harmônico: um nó e um ventre
• Terceiro harmônico: dois nós e dois ventres
• Quinto harmônico: três nós e três ventres

Fórmulas da acústica física

A velocidade do som no ar do planeta Terra é sempre constante, ele se propaga aproximadamente a 340 m/s, o equivalente a 1235 km/h. Já pensou o quão rápido é?

Mas como descobriram isso? Com a fórmulas da velocidade do som:

Velocidade

V = λ . f

• V é velocidade
•  λ (lambda) é o símbolo de amplitude
• f é a frequência

Como a frequência é o inverso do período (T), também podemos reescrever essa fórmula como

V = λ / T

Porém, você sabe que a fórmula básica da velocidade é V= d/t. Portanto, se for informado que o som percorreu tantos metros em tal tempo, você também consegue determinar a velocidade pela fórmula geral.

Você precisa conhecer as fórmulas e saber quando usá-las dependendo de quais dados a questão te der!

Intensidade

Outra fórmula muito utilizada é a da intensidade:

I = ΔE / A.Δt

Onde:

• I = Intensidade
• ∆E = quantidade energia
• A = área
• ∆t = intervalo de tempo

Harmônicos

No harmônico simples ou nos tubos fechados, vemos que entre dois nós sempre há um ventre. Por isso, surge a fórmula:

λ= 2L / n 

Onde 

• n é o número de fusos
• λ é o comprimento de onda
• L é a largura do harmônico, sua medida

Mas nos tubos abertos só há ímpares, então a fórmula é:

λ= 4L / 2n-1 

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