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Trabalhos de Físico-Química - 11º Ano

Som - Onda Mecânica Longitudinal

Autores: Flora Silva

Escola: Escola Secundária do Castêlo da Maia

Data de Publicação: 12/01/2007

Resumo do Trabalho: Trabalho sobre o som enquanto onda mecânica longitudinal, efectuado no âmbito da disciplina de Físico-Química (11º ano). Ver o Trabalho Completo

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Som - Onda Mecânica Longitudinal

Som enquanto onda mecânica

Produção e propagação de um sinal sonoro

Em todas as fontes sonoras ocorrem vibrações de meios materiais elásticos que se transmitem por ondas. Os sinais sonoros também podem originar ondas periódicas que se propagam no tempo e no espaço. Em particular, as ondas harmónicas desempenham papéis importantes na propagação de sinais áudio nos programas sonoros. Se os sinais forem produzidos por osciladores harmónicos, as suas frequências não variam. Isto é, propagam-se desde as fontes sonoras até aos receptores (por exemplo, um microfone) com a mesma frequência.

Como qualquer onda, o som transporta energia

A vibração da membrana do altifalante faz saltar os grãos de areia.

O microfone detecta as vibrações do diapasão e envia sinais ao osciloscópio. O inverso do período lido no osciloscópio é a frequência do diapasão.

No ecrã do osciloscópio observa-se a representação gráfica de uma função sinusoidal. Daí que se possa concluir que:

O sinal sonoro resulta da vibração de um meio mecânico ou de uma perturbação mecânica que se propaga através de ondas que são um caso particular de ondas longitudinais.

Mecanismo de propagação do sinal sonoro

Tal como uma mola, o sinal sonoro propaga-se por sucessivas compressões e rarefacções das partículas do meio, sendo o comprimento de onda (l) a distância entre duas compressões ou entre duas rarefacções sucessivas.

Embora as partículas do meio oscilem, transmitindo a vibração sonora elas não se deslocam acompanhando a propagação do som. Como em qualquer propagação onsulatória, não há transporte de matéria na propagação do som.

O ar que vibra junto da boca de quem fala não chega aos ouvidos de quem escuta. Quando alguém fala, a perturbação causada pelo ar é comunicada em todas as direcções, mas o ar não é transportado para os ouvintes.

Para caracterizar uma onda sonora, podemos representar a perturbação pelo valor da elongação das partículas do meio de propagação em relação às suas posições de equilíbrio. Nos gases é habitual caracterizar a onda sonora pelas variações de pressão uma vez que é ela que determina a resposta de importantes receptores de som, tais como o ouvido ou o microfone.

Pressão sonora

Define-se pressão sonora (Dp) como a diferença entre o valor da pressão do ar e a pressão de equilíbrio, correspondente à ausência de onda sonora, num mesmo instante.

A comparação entre os dois gráficos permite afirmar:

. A variação de pressão é máxima quando o deslocamento da molécula a vibrar é nulo;

. A variação da pressão é nula quando o deslocamento devido ao vaivém da molécula a vibrar tem o valor máximo.

Velocidade de propagação do som

Como qualquer outra onda mecânica, a velocidade de propagação do som varia consoante o meio de propagação.

Velocidade do som em diferentes meios materiais elásticos

Estado Físico

Nome dos Meios

Temperatura
(ºC)

Veloc. do som
(m s -1)

Sólidos

Granito

Aço

Vidro (pirex)

Alumínio

20

20

20

20

aprox. 6000

aprox. 5790

aprox. 5640

aprox. 5000

Líquidos

Água do mar (3,5% de salinidade)

Água

Mercúrio

Água

 

20

20

20

0

 

1522

1482

1450

1402

Gases

Hidrogénio

Hélio

Ar

Ar

0

0

0

20

965

331

331

343

Tal como acontece com as outras ondas periódicas, também a velocidade das ondas sonoras (v), o seu comprimento de onda (l) e a sua frequência estão relacionados através da expressão matemática:

Os sons que ouvimos / Características ou atributos do som / Espectro sonoro

Sobreposição de ondas

Uma mesma região do espaço pode ser atravessada simultaneamente por várias ondas. A sobreposição de ondas é a combinação de duas ou mais ondas num mesmo meio, produzindo uma onda composta.

Ondas sobrepostas passam uma pela outra sem se alterarem. As partículas do meio são solicitadas a vibrar de formas diferentes pos cada fonte. Então, executam o deslocamento que cada uma das fontes lhe comunica individualmente. Se duas fontes estão a provocar uma compressão, haverá uma compressão maior (com amplitude igual à soma das amplitudes que cada uma das fontes comunica). Este fenómeno (sobreposição de ondas) dá-se tanto em ondas longitudinais como transversais.

Embora cada ponto do meio oscile na forma descrita, cada onda individual permanece inalterada pela presença simultânea das outras.

Por isso vemos distintamente a propagação de cada uma.

* Sobreposição de duas ondas de amplitudes iguais e frequências diferentes

Numa onda que resulta da sobreposição de várias ondas, cada partícula do meio oscila com uma elongação que é a soma dos deslocamentos correspondentes a cada uma das ondas componentes.

Quando as ondas se sobrepõem têm a mesma frequência, a sobreposição chama-se interferência.

. A - Interferência construtiva

. B - Interferência destrutiva

Este fenómeno tem uma consequência prática muito familiar: Ao ouvir uma orquestra, os nossos ouvidos estão imersos numa onda muito complexa, sobreposição de ondas correspondentes sinais sonoros emitidos por cada um dos instrumentos.

Som Harmónico

Um sinal harmónico pode ser criado por qualquer fonte que vibre com um movimento harmónico simples. Os instrumentos musicais são emissores de sons harmónicos provocados pelas vibrações harmónicas que neles ocorrem.

O diapação utiliza-se na afinação dos istrumentos musicais, porque emite um som com uma única frequência: a fundamental (f0).

Os sons musicais, como sucede com os emitidos pelas cordas de um violino, são sons complexos, isto é, são combinações de sons harmónicos, cujas frequências são multiplas de f0.

A cada som harmónico corresponde uma frequência bem definida: o primeiro harmónico tem a frequência mais baixa (fundamental) e os restantes têm frequências que são multiplas inteiras da frequência fundamental.

O mesmo instrumento musical pode gerar ondas sonoras muito diferentes, conforme o modo com for tocado. Por outro lado, um mesmo tom produzido por diversos instrumentos soa de forma diferente. essa diferença pode ser usada para os identificar, mesmo que sejam todos do mesmo tipo. Estas características devem-se, em parte, à presença de harmónicos de frequências distintas.

De todo o espectro sonoro, o ouvido humano é sensível apenas a uma gama de frequências entre os 20 Hz (som muito grave) e os 20 kHz (som muito agudo).

 

O ouvido humano distingue os sons de acordo com os respectivos atributos: altura, intensidade e timbre:

. Altura: depende, principalmente, da frequência da onda sonora, e permite distinguir sons agudos (altos) de sons graves (baixos). A frequência do som é determinada pela frequência de vibração da fonte que lhe deu origem.

. Intensidade: depende, principalmente, da amplitude e da energia da onda.

. Timbre: permite distinguir dois sons com a mesma altura e intensidade, emitidos por instrumentos musicais diferentes.

Estes atributos são subjectivos e inacessíveis a uma medida física directa.

 

Os sons podem distinguir-se pela sua frequência e intensidade.

A amplitude das vibrações do tímpano humano é de cerca de 10-5 m para o som mais intenso que é tolerável sem dor (corresponde a uma pressão auditiva cerca de 0,03% superior à pressão atmosférica normal) e cerca de 10-11 m para o som de menor intensidade que é detectável.

Todos os sons, graves e agudos (de baixa ou alta frequência), se propagam no ar à mesma velocidade - dis-se que o ar é um meio não dispersivo.

 

Nível sonoro de algumas situações do dia a dia

 

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