Capítulo 2: Oscilações e ondas mecânicas, Notas de aula de Física

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EXPLICAÇÃO DE 1ª À 12ª CLASSE

FÍSICA 10ª CLASSE: OSCILAÇÕES E ONDAS MECÂNICAS Elaborado por Erron

1.0. Oscilações mecânicas

 No nosso dia-a-dia nos deparamos frequentemente com fenómenos ou movimentos periódicos.

 Um movimento periódico é aquele que se repete identicamente em intervalos de tempo iguais.

Exemplos prácticos:

 (1) O movimento elíptico de translação de um planeta em relação ao Sol é um exemplo de movimento periódico.

1.0. Oscilações mecânicas (Cont.)

 Oscilações mecânicas são movimentos periódicos de um ponto material, que repete sempre a mesma trajectória em sentidos opostos, em torno de uma posição de equilíbrio, em intervalos de tempos iguais.

 Oscilações livres são oscilações simples

que se realizam num sistema sob acção de

forças internas. Exemplo: Figura ao lado.

 Oscilações forçadas são aquelas que

os corpos efectuam sob acção de

forças externas, que variam periodicamente

Exemplo: O movimento de um baloiço.

1.1. Características

 Período (T) é o intervalo de tempo necessário para o corpo realizar uma oscilação completa. A sua unidade no SI é o segundo (s).

Vamos analisar os seguintes osciladores:

ou 𝑇 = 2 ∙ 𝑡𝐴𝐵

1.1. Características (Cont.)

 Frequência ciclica ou angular (𝜔) é a grandeza física que mede a variação do ângulo de fase durante as oscilações.

𝜔 = 2 𝜋𝑓 =

 Elonganção é a grandeza que nos dá a posição do oscilador em qualquer instante, isto é, é o desvio momentâneo do oscilador.

 Amplitude (A) é a grandeza que nos dá a distância máxima do oscilador, em relação a posição de equilíbrio, isto é, a amplitude é o valor da elonganção máxima.

1.2. Transformações de energia

 Numa oscilação mecânica há uma permanente transformação de energia potencial em energia cinética e vice-versa.

1.3. Pêndulo simples (Cont.)

 Para um ângulo pequeno (não superior a 10°), o período 𝑇 de um pêndulo simples pode ser calculado pela expressão (Equação de Thompson):

𝑇 = 2𝜋

ℓ 𝑔

 Onde: ℓ é o comprimento do pêndulo (m) e 𝑔 é a aceleração de gravidade (𝑚/𝑠^2 )  A equação de Thompson para o pêndulo simples permite concluir que:  (1) O período de oscilação não depende da massa do pêndulo e nem da amplitude de oscilação; (2) Quanto maior o comprimento do pêndulo, maior é o período de oscilação; (3) Em lugares onde a aceleração de gravidade é alta, o período é pequeno.

1.3. Pêndulo elástico

 O pêndulo elástico é um sistema constituído por um corpo de massa 𝑚, preso a uma mola de constante elástica 𝑘.  O período do pêndulo elástico pode ser calculado pela expressão (Equação de Thompson):

𝑇 = 2𝜋

𝑚 𝑘

 O período do pêndulo elástico depende da massa m do ponto material em movimento e da constante elástica 𝑘, mas não depende da amplitude da oscilação.

2.0. Ondas mecânicas

 Denomina-se onda uma perturbação que se propaga num meio.  Por exemplo: se deixamos cair uma pedrinha sobre a superfície de uma piscina de água parada, será produzida uma perturbação que se propaga na forma de uma onda circular, com centro no ponto perturbado.

 Uma onda transfere energia de um ponto a outro sem o transporte de matéria entre os pontos.

2.1. Classificação das ondas

1. Quanto à natureza

 Ondas mecânicas são aquelas que necessitam, obrigatoriamente, de um meio material para a sua propagação. Exemplos: ondas em cordas (figura 6.12), em molas, na superfície e no interior de líquidos, dos sólidos (terremotos) e dos gases (som se propagando no ar).

As ondas mecânicas não se propagam no vácuo.

 Ondas electromagnéticas são aquelas que não necessitam de um meio material para se propagarem. Exemplos: As ondas luminosas (luz), as ondas de rádio ou TV, os raios infravermelhos, os raios X, entre outras.

2.1. Classificação das ondas (Cont.)

3. Quanto à direcção da propagação

As ondas podem ser:

a) unidimensionais: propagam-se em uma única direcção. Por exemplo, ondas em cordas;

b) bidimensionais: propagam-se em duas dimensões, isto é, num plano. Por exemplo, ondas em superfície de líquidos;

c) tridimensionais: propagam-se em todas direções, isto é, no espaço. Por exemplo, ondas luminosas e ondas sonoras no ar.

2.2. Características das ondas

1. Amplitude (A) é o desvio máximo do oscilador em relação a posição de equilíbrio. 2. Período (T) é o intervalo de tempo que a onda leva para dar uma volta completa.

2.2. Características das ondas (Cont.)

5. Velocidade de propagação da onda ( 𝒗 ) – a velocidade depende das características físicas do meio e expressa a rapidez com que a onda se propaga nesse meio. Essa velocidade pode ser calculada pela expressão (Equação fundamental da ondulatória):

𝑣 = 𝜆𝑓 𝑜𝑢 𝑣 =

𝜆 𝑇

𝑣 – velocidade de propagação da onda (m/s); 𝜆 (lê-se “lambda”) – comprimento de onda (m); 𝑓 – frequência (Hz) T – período (s).

T.P.C (1)

1. O pêndulo da figura oscila entre os pontos A e B, cuja distância em 4 cm. Sabe-se que o corpo gasta 2 segundos para sair de A até O. Determine: (a) A amplitude do movimento. (b) O período das oscilações. (c) A frequência das oscilações. (d) O tempo que o corpo gasta para fazer 10 oscilações.