O Estudo Experimental Sobre Ondas Longitudinais

Estudo Experimental Sobre Ondas Longitudinais

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Resumo

A classificação das ondas permite dividi-las de acordo com sua natureza, direção de propagação e direção de vibração. De acordo com sua natureza, a onda pode ser classificada em mecânica, eletromagnética e gravitacional; de acordo com as direções de propagação, classifica-se como unidimensional, bidimensional ou tridimensional; e de acordo com a direção de vibração, como longitudinal ou transversal [1]. Neste trabalho foi realizado um experimento para encontrar o valor da velocidade de propagação de uma determinada onda realizada por um fio, com massas diferentes exercendo tensão no fio, e assim, com estes valores observar o que acontece com a velocidade quando variamos a tensão no fio. Foram realizadas um total de duas medidas da quantidade de ventres de duas ondas com massas diferentes exercendo tensão no fio e para cada medida foram realizadas cinco medições do número de ventres observados, variando a frequência de ressonância para cada medição diferente. Para realizar estas medições foram utilizados um fio para realizar o movimento ondular, um dinamômetro utilizado para medir a tensão no fio, uma trena utilizada para medir o comprimento do fio e um gerador de ondas utilizado para criar as ondas observadas no experimento. Com estas medidas foi construído um gráfico e através deste gráfico chegamos no coeficiente angular das curvas, e assim, conseguimos calcular o valor da velocidade de propagação de cada onda e observar a relação entre a tensão exercida no fio por diferentes massas e a velocidade de propagação da onda. No final chegamos a conclusão que quanto maior a tensão exercida no fio maior será o coeficiente angular da curva e consequentemente maior será a velocidade de propagação da onda. Isso demonstra a eficiência da metodologia que foi aplicada no experimento.

Palavras-chave: Ondas, Ondas Transversais, Ventres.

1. Introdução

Uma onda é um tipo de movimento específico caracterizado por um pulso ou sucessivos pulsos que perturbam um determinado meio material. As ondas podem também ser definidas a partir do conceito de energia, uma vez que, ondas são formas de transmissão de energia que se propagam no vácuo ou em um determinado meio material. Dessa forma, ondas não transportam matéria e sim energia [2].

Quanto a natureza as ondas podem ser classificadas como mecânicas ou eletromagnéticas. Em relação a direção de propagação as ondas podem ser classificadas de forma tridimensional sendo esta a mais comum, e em casos específicos de forma unidimensional e tridimensional. As ondas também podem ser classificadas conforme sua direção de vibração de forma transversal ou longitudinal.

Ondas transversais têm como característica vibrações perpendiculares à direção de propagação. Já as ondas longitudinais têm como característica vibrações paralelas à direção de propagação. Podemos observar a direção de vibração e propagação de uma onda transversal na figura 1.

[pic 1]

Figura 1: Ondas transversais.

Fonte: Toda Matéria.

Em uma corda uniforme é possível encontrar a velocidade de propagação (v) por meio da densidade () da corda e a tensão (T) sofrida por ela. No sistema internacional de unidade (SI) temos a velocidade em metros por segundo (m/s), a tensão em Newtons (N) e a densidade da corda em quilogramas por metro cúbico (kg/m³). Podemos observar esta relação na equação 1.[pic 2]

   (1)[pic 3]

A onda estacionária é um fenômeno que ocorre quando duas ondas, propagando-se em sentidos contrários, interferem-se. Esse processo é causado pela ressonância (quando se aplica uma frequência igual ou próxima à do sistema), e, com isso, produz-se notas musicais em instrumentos de corda e sopro, o que é chamado de harmônico [3].

Na formação de uma onda estacionária, é possível observar um padrão em que há pontos de diminuição de amplitude, nos quais não há movimentação, esses pontos podem ser chamados de nós. Além disso, pode-se observar pontos em que há a formação de cristas e vales, ou seja, pontos mais altos e mais baixos das ondas, nos quais há aumento de amplitude, estes pontos são conhecidos como ventres.

        A onda estacionária, em seu harmônico fundamental, apresenta uma formação diferente de uma onda, isso porque estamos vendo apenas a metade da onda. Desta forma o comprimento de uma onda estacionária é dado após três nós consecutivos ou dois ventres. Portanto, o comprimento (L) da corda para que ocorra uma onda estacionária deve ser múltiplo inteiro (n = 1, 2, 3, 4…) da metade do comprimento da onda (). No sistema internacional de unidade (SI) temos o comprimento da corda (L) e o comprimento da onda () em metros (m). Além do “n” que corresponde a ordem do harmônico. Podemos observar esta relação na equação 2.[pic 4][pic 5]

   (2)[pic 6]

Portanto, podemos calcular a frequência (F) de oscilação em hertz (Hz) de uma corda que tem duas extremidades fixas pela equação 3.

   (3)[pic 7]

2. Metodologia

O experimento consistiu na observação da quantidade de nós e ventres de determinadas ondas com variadas intensidades, com o objetivo de determinar a velocidade de propagação das ondas observadas no experimento.  Para tanto, foram utilizados alguns instrumentos, entre estes instrumentos estão: um fio utilizado para realizar o movimento ondular, um dinamômetro utilizado para medir a tensão exercida no fio, um suporte de pesos com quatro pesos com massas diferentes utilizados para tencionar o fio utilizado no experimento, uma trena utilizada para medir o comprimento do fio e um gerador de ondas utilizado para criar as ondas observadas no experimento. Estes instrumentos podem ser observados nas figuras 2, 3 e 4.

        O principal instrumento utilizado no experimento é o gerador de ondas, ele tinha como função criar as ondas observadas no experimento, para isso era preciso preparar o gerador para realizar o experimento. Primeiro prendemos uma das extremidades do fio em um oscilador mecânico que se encontra no gerador de ondas e a outra extremidade do fio é conectada a um suporte de pesos e passa por uma polia. O oscilador mecânico é conectado a um gerador de sinais de áudio e produz no fio oscilações cujas a frequência e a amplitude podem ser variadas. Assim partimos para a segunda parte, nesta etapa medimos a tensão inicial do fio através de um dinamômetro e seu comprimento através de uma trena, esse comprimento foi de 1,048 metros.