Qual é o princípio da superposição?
Um dos primeiros fatos matemáticos que aprendemos quando crianças é que 1 + 1 = 2. Aprendemos a somar. Mas os números puros não são a única coisa que podemos somar. Se você despejar água em um balde que já contém um pouco de água, o nível de água aumenta. E se você pegar um feixe de luz e adicionar um segundo feixe de luz em cima do primeiro, obterá um feixe ainda mais brilhante. Este segundo caso, onde você coloca duas coisas diretamente em cima uma da outra, é chamado de superposição.
Na física, queremos entender como funciona o universo. Portanto, precisamos entender o que acontece quando você sobrepõe duas coisas. E o princípio da superposição faz parte de como explicamos o que acontece. O princípio da superposição diz que se você sobrepor dois ou mais estímulos, o resultado obtido será a soma do que obteria de cada um deles.
Ou seja, se você colocar dois feixes de luz com brilho A e B um em cima do outro, o brilho total será A + B.
O princípio da superposição é válido para quase todas as situações cotidianas que envolvem ondas, como ondas de luz e som. No entanto, em algumas circunstâncias físicas complicadas, por exemplo, feixes de laser, o princípio não se aplica.
Interferência de onda
Você sabia que também pode adicionar ondas? Já falamos sobre luz, e a luz é uma onda. Mas você pode adicionar ondas sonoras. Você pode até adicionar ondas em uma furadeira ou primavera. E, em muitos casos, as ondas se somam de acordo com o princípio de superposição.
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As ondas contêm picos e vales e, quando você sobrepõe duas ondas uma sobre a outra, esses picos e vales se somam. Talvez isso faça mais sentido se dermos um exemplo de como você pode fazer isso.
Digamos que você e um amigo estejam brincando com um slinky. Você segura o slinky em cada extremidade e um de vocês move o braço para cima e para baixo para enviar uma onda ao longo dele. A onda desce até o outro lado, quica na mão do seu amigo e volta para o outro lado, até que finalmente morre.
Mas o que acontece se vocês dois iniciarem uma onda ao mesmo tempo? Você manda um aceno do seu lado e seu amigo manda um aceno do lado dele. O que acontece quando eles colidem no meio?
Acontece que eles se cruzam. Mas, enquanto estão passando, as duas ondas se sobrepõem. Quando dois picos são sobrepostos, eles se somam e você obtém um pico maior. Quando duas calhas são sobrepostas, elas se somam e você obtém uma calha maior. E quando um pico e uma depressão são sobrepostos, eles se cancelam e você não recebe nenhuma onda.
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É como adicionar. Um pico e um pico são como adicionar 1 + 1 = 2. Um vale e um vale são como adicionar -1 + -1 = -2. E uma depressão e um pico são como adicionar -1 + 1 = 0.
Ondas Permanentes
Se você e seu amigo continuarem enviando ondas pelo slinky continuamente e moverem o braço para cima e para baixo com rapidez suficiente, você poderá obter algo chamado onda estacionária.
É aqui que duas ondas indo em direções opostas interferem uma na outra de maneira consistente. Ele cria um padrão semelhante a este:
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Uma onda estacionária é uma vibração de um sistema onde alguns pontos permanecem fixos, enquanto outros vibram com a amplitude máxima. Parece que partes do slinky estão apenas se movendo para cima e para baixo. Mas realmente EXISTEM duas ondas. Eles estão apenas interferindo de maneiras que criam esse padrão interessante.
As ondas estacionárias são importantes, porque sem elas não teríamos música. Sempre que você toca uma nota em uma guitarra, você está criando uma onda estacionária na corda. E sempre que você sopra em uma flauta, você está criando uma onda estacionária no ar dentro da flauta. Portanto, toda vez que você ouve uma música bonita, pode agradecer ao princípio da superposição.
Resumo da lição
O princípio da superposição diz que se você sobrepor dois ou mais estímulos, o resultado obtido será a soma do que obteria de cada um deles. Isso significa que se você colocar duas coisas uma em cima da outra, elas somarão como 1 + 1 = 2. Mas isso só funciona em certas circunstâncias.
Ondas como luz e som podem ser somadas dessa maneira. Se você colocar dois feixes de luz um sobre o outro, obterá um feixe mais brilhante. E se você tocar dois sons um sobre o outro, obterá um som mais alto.
Um slinky pode ser usado para ver o princípio de superposição em ação. Ao enviar ondas das extremidades de um slinky, você pode notar certos padrões. Quando dois picos estão um sobre o outro, você obtém um pico ainda maior. Quando duas calhas estão uma sobre a outra, você obtém uma calha ainda maior. E um pico e uma depressão superpostos se cancelam em nada.
Quando você envia ondas continuamente de ambas as extremidades de um slinky, pode criar uma onda estacionária. Uma onda estacionária é uma vibração de um sistema onde alguns pontos permanecem fixos, enquanto outros vibram com a amplitude máxima. Isso acontece porque as duas ondas interferem uma na outra de uma forma que segue o princípio da superposição. Cada nota musical que ouvimos é criada por uma onda estacionária.