Os fenômenos ondulatórios são as mudanças de comportamento que uma onda pode ter, independente de seu tipo. Eles acontecem quando a onda se depara com um obstáculo, uma superfície ou meio diferente da sua origem. Podem ser do tipo reflexão, refração, difração, interferência, efeito doppler, polarização e ressonância.
Neste texto sobre os fenômenos ondulatórios, você encontrará os tópicos abaixo. Clique em um deles para ir diretamente ao conteúdo:
- Introdução: o que são ondas?
- Como são as ondas?
- Partes e propriedades das ondas.
- O que são Fenômenos Ondulatórios?
- Quais são os Fenômenos Ondulatórios?
- O que é Reflexão?
- O que é Refração?
- O que é Difração?
- O que é Interferência?
- O que é Efeito Doppler?
- O que é Polarização?
- O que é Ressonância?
- Exemplos de cada fenômeno ondulatório.
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O que são ondas?
Antes de começar a ver os “temidos” conceitos, pare e pense um pouquinho: há várias ocasiões em que você sentiu ou ouviu sobre que é uma onda. Por exemplo, quando você boia no mar, liga o rádio, balança uma corda, etc.
Você já viu um objeto chamado onda empurrando a água do mar? Nós não! Justamente porque ela é energia e se propaga no meio chamado mar. Não podemos ver a onda, ela não é matéria, só vemos seus efeitos e sentimos sua presença.
Pensar no nosso dia a dia já facilita entender a definição de onda: uma sequência de pulsos, vibrações ou perturbações que se propagam em vários meios. Além disso, podemos compreender que elas propagam energia, nunca matéria.
Como são as ondas?
É preciso já ter em mente os conceitos da física ondulatória se queremos entender o que são fenômenos ondulatórios. Para te adiantar, vamos deixar um breve resumo:
As ondas podem ser classificadas quanto à forma em dois tipos:
- Longitudinal: ela vai e volta em linha reta, como uma mola esticada na horizontal.
- Transversal: ela se propaga na vertical, formando morros com partes baixas e altas.
Podem classificadas quanto ao meio em dois tipos:
- Mecânica: necessita de meio material para se propagar. O som, por exemplo, precisa da matéria “ar”. Se estivéssemos no vácuo, tudo seria mudo!
- Eletromagnética: pode se propagar no vácuo e nos meios materiais. A luz, por exemplo, pode se propagar no vácuo ou em vidros.
Quanto às dimensões, podem ser de dois tipos:
- Unidimensional: oscila em uma dimensão, como uma corda.
- Bidimensional: oscila em duas dimensões, como a onda de um lago que se propaga na superfície (horizontal) e para cima e baixo (vertical).
- Tridimensional: oscila nas três dimensões (largura, altura e profundidade), como a chama de uma vela.
Quais são as propriedades das ondas?
Mais uma vez, vamos deixar apenas um resumo para você se lembrar e conseguir prosseguir no entendimento do que são fenômenos ondulatórios:
- Crista: é o ponto mais alto de uma onda, o topo.
- Vale: é o ponto mais baixo de uma onda, o fundo.
- Comprimento de onda: toda onda possui uma crista e um vale. Como elas se propagam, costumam ser representadas em conjunto. Para ver o que é 1 onda, usamos o comprimento. Ele pode ser medido de crista a crista ou vale a vale.
- Período: é o tempo que uma onda demora para ser percorrida 1 vez, ou seja, qual o tempo que gasta até que repita. 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). Período e frequência são inversos. Então f = 1/T ou T = 1/f
- Velocidade da onda: o conceito de velocidade é distância por tempo, como quando olhamos no carro os “kms por horas”. No caso das ondas, é dada como: v = λ.f ( a unidade é metro por segundo).
- Raio de onda: é uma linha que representa a direção de propagação da onda. Sabe quando você joga uma pedrinha na água e formam ondas circulares saindo do centro e se afastando? se traçar um raio ligando o centro à extremidade do círculo, esse será o raio de onda.
- Frente de onda: seria cada círculo formado ao redor do centro, a parte da onda que atinge o que está a frente.
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O que são fenômenos ondulatórios?
Os fenômenos ondulatórios são as mudanças de comportamento que uma onda pode ter, independente de seu tipo. Eles acontecem quando a onda se depara com um obstáculo, uma superfície ou meio diferente da sua origem.
Christian Huygens (1629 – 1695) foi o cientista que estudou e formulou a Mecânica Ondulatória. Esse nome é só para se referir a esta matéria, onde estudamos os movimentos das ondas.
A partir disso, os cientistas descobriram que os fenômenos das ondas são periódicos (se repetem) e conseguiram representá-las usando as funções matemáticas, principalmente aquelas que envolvem seno e cosseno.
Eles costumam ser bem cobrados no Enem e outros Vestibulares, então preste bastante atenção nos tópicos a seguir!
Quais são os fenômenos ondulatórios? (Tipos)
Agora que já estamos por dentro do que são fenômenos ondulatórios e ondas, vamos explicar cada um de seus tipos. De modo geral, os fenômenos ondulatórios são:
- Reflexão.
- Refração.
- Interferência.
- Difração.
- Polarização.
- Dispersão.
Acompanhe as explicações e fórmulas de cada um deles:
O que é Reflexão?
A reflexão de uma onda ocorre quando ela encontra um obstáculo em seu trajeto, então bate neste obstáculo e volta.
Repare que esta onda não mudou de meio, então a sua velocidade permanece a mesma. Assim, os comprimentos de onda também são iguais, seja da onda incidente ou refletida.
A frequência também não muda, porque isso só depende da fonte que gerou a onda.
Além disso, o ângulo de incidência deve ser igual ao ângulo de reflexão. Podemos representar com um equação simples:
ângulo θi = ângulo θr
Agora imagine uma onda unidimensional, como uma corda. Sua reflexão pode gerar dois efeitos diferentes:
- Se estiver com uma extremidade fixa e vier uma onda, o ponto da corda preso ao obstáculo tentará mover o obstáculo para cima, mas não conseguirá. Pela Terceira Lei de Newton, o obstáculo fará uma força para baixo na corda, que vai inverter o sentido da onda. Dizemos que houve uma inversão de fase. Se ela veio como crista ∩, voltará como vale U.
- Se estiver com as duas extremidades livres como uma corda presa a uma argola em um bastão, a onda vem, move a argola para cima e desce voltando com o mesmo sentido. Não há inversão de fase.
O que é Refração?
A refração de uma onda ocorre quando ela atravessa um meio diferente do que estava. Existe um valor chamado índice de refração, representado pela letra “n”. Ele mede como se fosse a “densidade” desse meio. É apenas uma analogia para você entender!
Como a onda mudou de meio, a sua velocidade muda e os comprimentos de onda são diferentes. A frequência não muda, porque só depende da fonte que gerou a onda.
Normalmente, acontece também uma alteração na direção de propagação da onda, assim que ela passa de um meio para o outro.
Além disso, o ângulo de incidência é diferente do ângulo de refração. Mesmo assim, os matemáticos e físicos conseguiram estabelecer uma relação entre eles, representada pela Lei de Snell-Descartes:
Em outras palavras, quando dividimos o ângulo da onda incidida pelo da onda refratada, ou suas velocidades ou seus comprimentos de onda; obtemos um valor constante.
No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a refração acontece quando unimos duas cordas de diferentes densidades e espessura. Assim, a velocidade de propagação será maior na corda menos densa.
Vamos supor que há um pulso em crista ∩ de 5cm de altura:
- Se ele vem da corda menos densa para a mais densa, a segunda corda se comporta como um ponto fixo. Assim, o pulso volta pela corda menos densa com inversão de fase, em vale U e medindo altura de 3cm. Isso porque parte da energia passou para a corda densa, que propaga um pulso na mesma direção que a onda inicial, em crista de 2cm.
- Se o pulso se propaga da corda mais densa para a menos densa, a segunda corda se comporta como um ponto livre. Assim, o pulso que volta pela corda densa não sofre inversão de fase. Na corda menos densa haverá a formação de uma onda na mesma direção e fase que a onda inicial.
O que é Difração?
A difração de uma onda ocorre quando ela passa por um orifício, fenda ou contorna um obstáculo.
Quando uma frente de onda encontra um obstáculo, este consegue refletir parte da energia e absorver uma parcela menor. Mas, outra parte maior passa por ele e é transmitida adiante.
A frente de onda se comporta como vários pequenos pontos que passam para o outro lado do obstáculo, contornando-o. Como houve uma perturbação, ela tende a se espalhar no outro lado.
Esse é o fenômeno da difração e esse princípio recebe o nome de Princípio de Huygens.
É importante saber que a difração é mais intensa quando o comprimento de onda tem valor próximo ou maior que as dimensões da fenda. Além disso, nela, a energia não se distribui igualmente em todas as direções.
O que é Interferência?
A Interferência acontece quando temos uma superposição de ondas, descrito pelo cientista inglês Thomas Young. Dependendo de sua consequência, ela pode ser de dois tipos:
Interferência construtiva: as duas ondas se somam, aumentando o tamanho.
Interferência destrutiva: as duas ondas se anulam, diminuindo ou desaparecendo.
Para descobrirmos qual será o tipo de interferência, devemos calcular a diferença do caminho óptico, ou seja, a diferença entre o percurso das duas ondas.
- Na interferência construtiva, as ondas atingem o ponto P na mesma fase, ou seja, suas frentes de onda chegam juntas, crista junto de crista e vale junto de vale.
Assim, a diferença de percurso será dada pela distância entre os pontos de fase, que será um número inteiro de um comprimento de onda:
D constr = n . λ
(onde n = 0, 1, 2, 3…)
Além disso, a amplitude resultante será a soma das amplitudes:
A = A1 + A2
- Na interferência destrutiva, as ondas atingem o ponto P em fases opostas, ou seja, suas frentes chegam na forma crista junto de vale. Isso anula os efeitos uma da outra.
Assim, a diferença de percurso será dada pela distância entre pontos de oposição de fase, que será múltiplo de meio comprimento de onda:
D destr = n . λ + λ/2
(onde n = 0, 1, 2, 3…)
Além disso, a amplitude resultante será o módulo da diferença das amplitudes:
A = | A1 + A2 |
O que é o Efeito Doppler?
Quando corremos em direção à uma fonte emissora de ondas, alcançamos as frentes de onda em um tempo mais curto do que se estivéssemos parados. Surge a impressão de que o período diminuiu, ou seja, sua frequência aumentou e ficou “mais agudo”.
O contrário também acontece: quando afastamos de uma fonte de onda, alcançamos as frentes de onda em um tempo maior do que se estivéssemos parados. Surge a impressão de que o período aumentou, ou seja, a frequência diminuiu e ficou”mais grave”.
Como o próprio nome diz, esse é apenas um efeito, uma impressão. Não é um fenômeno físico concreto, então as propriedades da onda não mudam. É só a nossa percepção que entende algo diferente.
O que é Polarização?
Polarizar uma onda significa pegar seus feixes e concentrá-los em uma única direção. Isso é possível quando ela passa por um ou plano, um meio específico chamado polarizador.
Note que somente ondas transversais podem ser polarizadas, porque elas variam em vales e cristas. Já as longitudinais são retilíneas por natureza.
É possível separar cada um de seus componentes dependendo do filtro que se aplicar. Por exemplo, posso obter como resultado uma onda polarizada só com as componentes verticais ou uma onda polarizada só com as horizontais.
O que é Ressonância?
Se você é bem estudioso e tem memória boa, deve se lembrar que todos os corpos têm vibrações naturais, devido à sua temperatura ou estrutura atômica.
Quando surge uma onda com vibração igual ou semelhante de um corpo e em sua direção, acontece a ressonância. Ela é o fenômeno de absorver a vibração externa, que se une à natural e amplifica as vibrações totais do corpo.
Exemplos de fenômenos ondulatórios
São muitos fenômenos, não é mesmo? Vamos ver um exemplo mais concreto de como cada tipo de fenômeno ondulatório está presente no nosso dia a dia, assim te ajuda a entender melhor:
Exemplo de Reflexão
Com certeza você já se olhou no espelho alguma vez, não é? Já pensou como é curioso poder olhar para um objeto e ver sua imagem montada perfeitamente nele?
Isso só é possível porque ele reflete os raios solares que te iluminam, ou seja, mantêm a frequência, velocidade e comprimento de onda.
Exemplo de Refração
Quando alguém vai caçar um peixe no rio, usando um arpão ou azagaia, não é bom mirar exatamente em cima do peixe. Mas por que?
Nós só enxergamos as coisas por causa dos raios solares que batem no objeto e refletem sua forma e cor. Quando o raio solar entra na água, ele está sob efeito de um índice de refração próprio, uma velocidade própria.
Quando esse raio é refletido do peixe em direção aos nossos olhos, ele sai da água e vem para o ar, que tem outro índice de refração e outra velocidade.
Assim, a imagem que vemos é a posição do peixe em relação à superfície de encontro entre ar e água. Na realidade, o peixe pode estar deslocado alguns centímetros dentro da água.
Exemplo de Difração
O som é uma onda como qualquer outra e tem seu próprio sentido de propagação. Como é possível então, que eu escute o que uma pessoa diz mesmo estando do outro lado do muro?
É possível porque o som sofre difusão, ou seja, ele contorna o muro e chega até você. Porém, como vimos, a quantidade de energia propagada sofre uma mudança, então ouvimos de forma “embaçada”, mais baixa e com ruído.
Exemplo de Interferência
O estudo da interferência é muito usado no ramo da telecomunicação, pois esse fenômeno (no tipo destrutivo) é um dos responsáveis pelos ruídos que podem ser produzidos, dificultando a mensagem ser passada.
Exemplo de Efeito Doppler
lembrando que o Efeito Doppler é apenas uma sensação que temos ao aproximar ou afastar de uma fonte, podemos pegar o exemplo das ambulâncias.
Você está na rua parado na calçada tomando um sorvete. Começa a escutar um barulho de ambulância lá longe, mas não é um som em alto volume e nem agudo demais.
Você continua parado, mas o sinal abre e a ambulância vem correndo na sua direção. Então, o som começa a te irritar, porque o som tem um volume maior e também é mais agudo.
Ser agudo ou grave é uma característica que depende da frequência, que depende da fonte emissora. Portanto, é de se esperar que o volume mude, mas a frequência deveria permanecer a mesma já que a fonte continua a mesma.
Assim, essa sensação de agudeza é apenas um efeito aparente, o Efeito Doppler.
Exemplo de Polarização
A luz solar não tem uma direção específica, cada onda eletromagnética que sai da nossa estrela pode vibrar em uma direção diferente. Neste caso, dizemos que a luz solar é do tipo não polarizada.
Porém, quando ela é refletida por determinada superfície que filtra, ela pode ser polarizada. As lentes dos óculos escuros podem ser polarizadores, então barrar a passagem das várias direções da luz.
Como consequência, passa apenas um feixe suficiente para enxergarmos as coisas, mas também diminui a sensação de ofuscamento, causada pelas várias direções da luz.
Exemplo de Ressonância
Você já viu alguém tentando estourar uma taça de cristal apenas gritando, usando a voz humana? É graças à ressonância que isso é possível!
Os cantores de ópera tem grande domínio sobre a voz e as mudanças de frequência. Quando emitem um som com frequência próxima ao valor natural do cristal, ele entra em ressonância e não suporta o aumento da vibração.
Esse excesso de energia faz com que a taça se rompa e quebre em um estouro!
Mas é possível criar ressonância sem estourar as coisas.
No violão, a madeira da caixa entra em ressonância graças à vibração das cordas, fazendo o ar vibrar também. Assim, aumenta a intensidade do som que está lá dentro e ele “sai” para podermos ouvir.
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