Qual é o fenômeno ondulatório responsável pela amplificação dos sons causando a sensação de barulho do mar?

Introdução

Quando uma onda se propaga e encontra certo meio, como um obstáculo ou uma superfície que separa duas regiões, esta interage com ele, o que gera alguns comportamentos específicos. Estes são chamados fenômenos ondulatórios, tema de física importante para o Enem. Falaremos sobre eles a seguir, mas, para isso, teremos que definir duas representações geométricas das ondas: a FRENTE DE ONDA e o RAIO DE ONDA.

Chamamos de frente de onda o conjunto de pontos que separa a região já atingida pela onda da região ainda não atingida. Raio de onda é uma linha que representa a direção de propagação da onda em certo ponto.

Reflexão

A reflexão acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e retorna, se propagando no mesmo meio anterior. Desta forma, não há alteração na velocidade de propagação (que só depende do meio), nem na frequência (que só depende da fonte). Assim, o comprimento de onda da onda incidente é igual ao comprimento de onda da onda refletida (Figura 3).

Na reflexão, o ângulo θi formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de direção NORMAL, é idêntico ao ângulo θr formado pela direção normal e pelo raio refletido. Assim:

θi= θr

No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a reflexão pode gerar dois efeitos diferentes. Se a extremidade da corda estiver fixa, o ponto da corda que está presa ao obstáculo tentará mover o obstáculo para cima. Pela Terceira Lei de Newton, sofrerá a ação de uma força para baixo, o que fará inverter a orientação da perturbação. Dizemos que, nesse caso, houve INVERSÃO DA FASE da onda (Figura 5).

Se as extremidades estiverem livres, esta força não atua e o pulso retorna normalmente.

Refração

A refração acontece quando uma onda atinge uma região que separa dois meios e a atravessa, passando a se propagar no outro meio. Desta forma, há alteração na velocidade de propagação (já que esta só depende do meio), o que gera uma alteração no comprimento de onda, mas sem que haja alteração na frequência. Isso vem acompanhado, na maioria dos casos, de uma alteração na direção de propagação da onda.

É essa alteração que explica o porquê as ondas do mar chegam sempre “de frente” à costa, mesmo sendo esta toda “recortada”. Se observarmos o oceano de cima, de um ponto mais elevado numa costa, veremos o padrão horizontal de cristas de onda que se aproximam dela. Mas, independente da direção das quais as ondas venham, elas acabam chegando à costa numa direção quase perpendicular a ela. Isso acontece porque a profundidade do mar diminui a medida em que a onda se aproxima da costa, alterando a velocidade de propagação das ondas.

Na refração, o ângulo θ$$$_1$$$ formado entre o raio de onda incidente e a direção perpendicular à superfície, chamada de direção NORMAL, possui uma relação com o ângulo θ$$$_2$$$ formado pela direção normal e pelo raio refratado. Essa relação é chamada de Lei de Snell-Descartes:

$$${sen \theta_1 \over sen \theta_2} = {v_1\over v_2} = {\lambda_1 \over \lambda_2}$$$

No caso de um pulso unidimensional em uma corda, a refração pode acontecer quando unimos duas cordas de diferentes densidades, por exemplo. É bom lembrar que a velocidade de propagação é maior na corda menos densa.

Se o pulso se propaga da corda menos densa para a mais densa, a segunda corda se comporta como um ponto fixo para a primeira, e o pulso refletido sofre inversão de fase (Figura 8).

Se o pulso se propaga da corda mais densa para a menos densa, a segunda corda se comporta como um ponto livre para a primeira, e o pulso refletido não sofre inversão de fase (Figura 9).

Difração

Quando uma frente de onda encontra um obstáculo, este reflete parte da energia da onda e transmite outra parte. Mas, se tivermos uma porção da frente de onda desobstruída, os pontos dessa frente de onda se comportam como pequenas fontes pontuais de onda, gerando ondas do outro lado do obstáculo e que tendem a se espalhar do outro lado. Esse fenômeno chama-se difração, e esse princípio recebe o nome de PRINCÍPIO DE HUYGENS.

É por isso que conseguimos escutar um som emitido de um lado de um muro, mesmo estando do outro lado. É claro que podemos ter uma pequena parcela de energia atravessando o muro, mas a maioria dessa energia chega até nós graças à difração.

É importante ressaltar uma coisa: a difração, assim como os outros fenômenos ondulatórios, é mais intensa quando o comprimento de onda tem valor próximo ou maior do que as dimensões dos objetos utilizados para a observação. É por isso que, ao longo do dia-a-dia, não notamos a luz como uma onda: o comprimento médio de onda da luz é da ordem de 0,0005 mm! Não temos objetos ao nosso redor com essas dimensões.

Polarização e ressonância

Polarizar uma onda significa orientá-la em uma única direção ou plano através da passagem em um dado meio, chamado de polarizador. Somente ondas transversais podem ser polarizadas!).

A luz solar não tem uma direção específica de polarização. Cada onda eletromagnética que sai do sol pode vibrar em uma direção diferente. Neste caso, dizemos que a luz é não polarizada. Quando a luz solar é refletida, pode ser polarizada em uma direção específica. As lentes polarizadas de óculos escuros podem barrar a passagem dessa luz, diminuindo a sensação de ofuscamento causada pelas superfícies que refletem a luz (Figura 12).

Ressonância

Sistemas físicos, como sólidos, por exemplo, devido à sua estrutura atômica ou molecular, possuem uma vibração própria graças a efeitos térmicos ou externos. Quando uma vibração externa, com frequência próxima ou igual à frequência natural de vibração de um sistema, é emitida na direção deste, o sistema absorve fortemente a energia dessa onda, aumentando a amplitude de suas vibrações. Neste caso, dizemos que o sistema está em ressonância.

É graças a isso que é possível estourar uma taça de cristal apenas com a voz. Ao emitirmos um som com frequência próxima ao valor natural do cristal, ele entra em ressonância e não suporta o aumento da vibração, quebrando. É também por isso que escutamos o som de um violão: a madeira da caixa do violão entra em ressonância graças à vibração das cordas, fazendo o ar retido dentro da caixa também vibrar, aumentando a intensidade do som.

Efeito Doppler

Quando nos aproximamos de uma fonte de ondas, alcançamos as frentes de onda em um tempo mais curto do que aconteceria se estivéssemos em repouso em relação ao emissor. Isso gera a impressão de que o período da onda diminuiu, ou seja, que a frequência da onda aumentou.

Ao contrário, quando nos afastamos de uma fonte de ondas, alcançamos as frentes de onda em um tempo maior do que aconteceria se estivéssemos em repouso em relação ao emissor. Isso gera a impressão de que o período da onda aumentou, ou seja, que a frequência da onda diminui.

Essa alteração aparente na frequência percebida de uma onda quando existe movimento entre a fonte de ondas e o receptor é chamado de EFEITO DOPPLER. É por isso que temos a impressão que a sirene de uma buzina se modifica ao longo do movimento da ambulância.