A natureza das ondas sonoras
Você é uma daquelas pessoas que gosta de gritar 'Echo!' sempre que você está dentro de um edifício cavernoso? Acho divertido experimentar ecos. Muitas pessoas gostam de gritar quando estão embaixo de uma ponte, dentro de um estacionamento ou no fundo de um desfiladeiro.
Sabemos que os ecos são simplesmente o reflexo do som das paredes rígidas de edifícios e formações naturais. Mas o que os ecos podem nos dizer sobre as ondas sonoras? Podemos aprender como o som viaja de um lugar para outro estudando o fenômeno do eco?
Antes de entrarmos nisso, vamos revisar o que é uma onda sonora. Já aprendemos que as ondas sonoras são ondas longitudinais . Ou seja, as partículas do meio vibram em uma direção paralela ao movimento da onda. As ondas longitudinais são mais difíceis de visualizar do que as ondas transversais. Então, vamos usar o som de uma corda de violão como exemplo.
O médio
Quando você dedilha uma corda de violão, ela começa a vibrar de um lado para o outro. Isso é o que pareceria em câmera lenta. Vamos fingir que essas são as partículas de ar que estão distribuídas uniformemente ao redor da guitarra e em todos os outros lugares. Quando a corda se move para a direita, assim, ela empurra as partículas de ar e as faz se pressionarem. Isso é chamado de compressão.
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Quando a corda se move para a esquerda, assim, ela cria uma lacuna nas partículas de ar e elas se distanciam. Isso é chamado de rarefação. Você provavelmente se lembra de que as compressões e rarefações são equivalentes a cristas e depressões para uma onda longitudinal. Essas áreas de maior e menor pressão de ar viajam para fora, para longe da corda. Em outras palavras, a onda sonora viaja para fora da guitarra. No entanto, as próprias partículas de ar não viajam. Eles simplesmente oscilam para frente e para trás, em uma direção paralela ao movimento da onda sonora.
Neste exemplo, o ar ao redor do violão é chamado de meio , porque é o material que carrega o som. Quando se fala em ondas, um meio é a substância que transporta uma onda de um lugar para outro. O meio para ondas sonoras geralmente é o ar. Mas o som também pode viajar através de líquidos e sólidos.
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Se você está falando sobre ondas sonoras viajando entre duas baleias cantando no oceano, então o meio é a água do mar. Se você está falando sobre a música do seu vizinho viajando pelas paredes de sua casa, então o meio é a madeira e a drywall. Não importa qual seja o meio, as ondas sonoras são capazes de viajar através dele por causa da interação das partículas entre si. As compressões e rarefações ocorrem dentro das partículas da água do mar, madeira ou drywall, assim como aconteciam no ar fora da corda do violão.
Uma vez que as primeiras partículas são empurradas pelas vibrações da fonte sonora, elas passam esse impulso para as próximas partículas, que o passam para as próximas, e assim por diante. Assim, a onda viaja através do meio como resultado das partículas batendo para frente e para trás umas nas outras. As interações entre as partículas no meio fazem com que a onda sonora viaje através do meio.
Portanto, se as ondas sonoras viajam por causa das partículas no meio, o que acontece com o som se não houver meio? Bem, você adivinhou. Sem meio, não há som. As ondas sonoras exigem um meio para viajar de um lugar para outro.
Pense em um lugar onde não há absolutamente ar, como a superfície da lua. Se você estivesse na lua e seu amigo estivesse a três metros de você, você poderia gritar e gritar e bater palmas, e seu amigo não ouviria nada. A lua não tem atmosfera; está no grande vácuo do espaço sideral. Portanto, não importa quanto barulho você faça - seu som não será levado a lugar nenhum, porque não há meio para carregá-lo.
A velocidade do som
Voltemos aos diferentes meios pelos quais o som pode viajar. Dissemos que as ondas sonoras viajam através de sólidos, líquidos e gases. Eles podem viajar por todos os estados da matéria . Mas as ondas viajam da mesma maneira por cada uma dessas diferentes substâncias?
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Sabemos que um sólido tem suas partículas muito compactadas. As partículas líquidas são compactadas de forma mais frouxa e as partículas em um gás estão bem distantes umas das outras. A distância entre as partículas afeta a intensidade das interações entre elas. Isso, por sua vez, afeta a rapidez com que transferem a energia da onda. Quanto mais fortes são as interações das partículas, mais rapidamente a onda é transferida. Portanto, em geral, o som viaja mais rápido em sólidos do que em líquidos e mais rápido em líquidos do que em gases.
A temperatura, na verdade, aumenta a velocidade do som, porque as partículas mais quentes geralmente se movem em um ritmo mais rápido. Os cientistas desenvolveram uma fórmula especial para encontrar a velocidade do som no ar seco. Funciona para a maioria das temperaturas encontradas na Terra. A fórmula é v = 331 + (0,61) T , onde v é a velocidade do som e T é a temperatura.
Para esta fórmula, a velocidade deve ser medida em metros por segundo e a temperatura em graus Celsius. Você pode ver por esta fórmula que um aumento na temperatura, ou T , causaria um aumento na velocidade, ou v . Se a temperatura fosse de 20 ° C, a velocidade do som no ar seco seria de cerca de 343 metros por segundo. Se a temperatura subir para 30 ° C, a velocidade aumentará para 349 metros por segundo.
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Velocidade e a Equação de Onda
Não se esqueça de que a velocidade do som tem tudo a ver com o que está acontecendo com a onda sonora. Uma onda é um distúrbio viajando através de um meio. Quando medimos a velocidade do som, o que realmente descobrimos é a rapidez com que uma perturbação passa entre as partículas ou a distância que uma perturbação viaja por unidade de tempo.
Acabamos de ver uma fórmula para encontrar a velocidade do som, mas a maioria das fórmulas para a velocidade do som é muito mais complicada. Existem tantos fatores por aí que podem alterar a velocidade do som, não há uma fórmula que os considere todos. Mas quando se trata da velocidade da onda, tudo o que você realmente está procurando é a distância por unidade de tempo, certo? Então, eu me pergunto se podemos encontrar a velocidade de uma onda sonora com base nos outros parâmetros de onda.
Você se lembra desta fórmula: v = lambda * f ? Na verdade, é chamada de equação de onda . Ele afirma que você pode encontrar a velocidade de uma onda multiplicando o comprimento de onda pela frequência. Você também pode reorganizar isso para encontrar a velocidade, dividindo o comprimento de onda pelo período, porque período é o recíproco da frequência.
Digamos que o comprimento de onda de uma onda sonora seja de 34 metros e leve exatamente um décimo de segundo para passar. O comprimento de onda seria 34 e o período seria 0,1. Portanto, a velocidade dessa onda seria de 340 metros por segundo.
Vamos tentar usar a frequência. Digamos que a frequência de uma onda sonora seja 500 Hertz ; ou seja, 500 ciclos de onda por segundo e o comprimento de onda é de 0,7 metros. Para encontrar a velocidade, você multiplicaria esses dois e obteria 350 metros por segundo.
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Então, você acha que essa equação de onda pode nos ajudar a aprender alguma coisa sobre ecos? Se você já esteve dentro de um desfiladeiro com paredes muito íngremes, sabe que o som pode saltar entre as paredes de pedra. Se você gritar, ouvirá sua própria chamada retornar em questão de segundos. Se você pudesse cronometrar exatamente quantos segundos seu eco demorou, você poderia encontrar a velocidade do som dentro do cânion? Vamos tentar.
Você está em um cânion, de frente para uma parede vertical a 519 metros de distância. Você solta um grito e ele volta para você em exatamente 3 segundos. Qual é a velocidade do som neste caso? Bem, você sabe quanto tempo levou, então o período é de 3 segundos. A distância que a onda percorreu foi de 519 - não, foi de 1038 metros! Você tem que dobrar a distância porque a onda viajou até a parede do cânion e voltou para você. Portanto, se a velocidade for metros por segundo, então 1038 metros divididos por 3 segundos são 346 metros por segundo, e isso soa como uma velocidade razoável para uma onda sonora.
Resumo da lição
As ondas sonoras são ondas longitudinais que viajam por compressões e rarefações no ar, na água ou em outros meios. O som requer um meio para viajar; portanto, não pode viajar no vácuo. As ondas sonoras viajam mais rápido através de sólidos do que líquidos - e mais rápido através de líquidos do que gás. A velocidade das ondas sonoras aumenta com temperaturas mais altas, mas diminui com densidades mais altas.
Uma maneira simples de encontrar a velocidade de uma onda sonora é usar a equação de onda, onde a velocidade é derivada do comprimento de onda e da frequência ou período. A velocidade do som também pode ser encontrada cronometrando um eco de uma distância conhecida. Embora muitos fatores afetem a velocidade com que uma onda sonora viaja, a velocidade do som realmente depende de como as partículas interagem dentro do meio.
Resultados de Aprendizagem
Depois de assistir a esta lição, você será capaz de:
- Descreva compressões e rarefações
- Defina o meio e explique como o estado da matéria, densidade e temperatura dos meios afetam as ondas sonoras
- Lembre-se da equação da onda e use-a para encontrar a velocidade do som