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Estudo sobre as ondas eletromagnéticas
Tipologia: Trabalhos
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Trabalho apresentado à disciplina de Física Experimental II, cursos de Engenharias Civil e Elétrica, da Fa- culdade de Ciências Sociais e Agrá- rias de Itapeva.
ABSTRACT: A wave is a movement resulting from a disturbance that regar- dless of the medium in which it is going to propagate and carry energy. Due to its varied behaviors in different media and the forms of propagation it can be divided into two parts, one being mechanical and the other electromagnetic. Mechanics are the result of mechanical impulses that cause particles to vibrate and move in the middle, whereas electromagnetic impulses are oscillating electric charges consisting of two perpendicular fields. Based on this knowledge, experiments were performed to visua- lize the occurrence of waves and to relate them to the broad information on the sub- ject. In the first experiment mechanical waves were generated in water by a single source, where, using a frequency meter, a strobe lamp would be set above the vat. In the second, the reflection and the wave propagation were verified according to the intensity of the vibration imposed on it. In the third, a spring was used, with the pur- pose of verifying its movements when giving a wrist, being it with a fixed or free end. With the experiments performed it can be verified that, as stated in the theory, it is extremely important to know the engineering processes and know how to relate them to the environment.
Keywords: Length, Frequency, Propagation, Time.
Tabela 01. Velocidades de Propagação de Ondas em relação à diferentes Frequên- cias ............................................................................................................................ 14
Podemos não perceber, mas as ondas estão presentes em nossas vidas a to- do momento, sejam elas se propagando de forma eletromagnética ou mecânica, o que importa é que com isso podemos afirmar que o vida como conhecemos é feita de ondas. Não é à toa que no estudo das ondas em nossa sociedade constam os maiores nomes da Física clássica, sendo alguns deles Isaac Newton, Robert Hooke, Christian Doppler entre outros, os quais as pesquisas datam da metade do século XVII.
Quando aplicamos os conhecimentos de engenharia a um determinado pro- cesso, é de extrema importância entender e saber correlacionar como ocorrem as interações físicas em nosso mundo, e como isso pode nos afetar de maneira direta ou indireta, seja projetando maneiras de reduzir ruídos (ondas de propagação me- cânica) em um determinado equipamento, correlacionando a porosidade de determi- nados matérias com o isolamento acústico, ou até mesmo na utilização de equipa- mentos de medição a laser, como por exemplo a trena digital, que calcula a distância baseado no tempo de resposta de uma onda infravermelha emitida pelo equipamen- to.
Sendo assim, o objetivo deste trabalho é observar a formação e reflexão das ondas mecânicas e suas propagações em corda e em meio líquido e determinar o comprimento de onda para determinada frequência e sua determinada velocidade utilizando os equipamentos do laboratório, com o intuito de visualizar como elas rea- gem e interagem em nossa realidade.
2.1.1. Geração de ondas mecânicas por uma fonte única
Inicialmente deve-se ajustar o calibrador com a frequência desejada para que a lâmpada, fixada acima da cuba, se acenda e reflita a luz do meio gasoso para o meio líquido. A partir desse momento é possível ver as ondas refletidas no retropro- jetor, possibilitando a medição das mesmas. Devido aos imprevistos laboratoriais utilizou-se a lanterna do celular para exemplificação do processo, mas devido os raios não terem as mesmas intensida- des não foi possível à observação das ondas, portanto utilizaram-se valores teóricos para os cálculos.
2.1.2. Reflexão de ondas circulares
Primeiramente deve-se ajustar o calibrador com a frequência desejada, pois quando ligado mandará comandos ao gerador de ondas, que por sua vez os trans- formará em vibrações. Consequentemente o vibrador em movimento, em contato com a água da cuba, formará ondas circulares que serão refletidas no retroprojetor. Porém, devido a falhas dos equipamentos tornou-se necessário fazer parte do processo manualmente. Portanto, aplicaram-se forças em curtos intervalos de tempo em determinado ponto do vibrador para que gerasse as ondas na água (Figura 02), porém as mesmas não tiveram intensidades suficientes pra serem refletidas.
Figura 02. Formação das ondas circulares no meio líquido devido à vibração Fonte : Autores, 2019
Para observar o comportamento das ondas refletidas utilizou-se o mesmo mé- todo, acrescentando somente a barra metálica a uma distancia x do vibrador, como mostra a Figura 03:
Figura 03. Barra metálica formando uma barreira para as ondas Fonte: Autores, 2019
A visualização e medição das ondas se torna possível devido um espelho, lo- calizado ao fundo da cuba, que reflete as mesmas em outro plano quadriculado (re- troprojetor).
2.2. Reflexão de ondas em cordas
O experimento em cordas dividiu-se em duas partes: a mola com extremidade fixa e a com extremidade livre. Em ambos os casos deu-se um pulso na mesma di- reção e pode-se notar diferentes reflexões, como mostram as Figuras 04 e 05:
Figura 04. Comportamento da onda estando com a extremidade fixa Fonte: Marques, 2019
Figura 05. Comportamento da onda estando com a extremidade livre Fonte: Marques, 2019
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Diante da realização dos três tipos de experimentos estabeleceram-se algu- mas questões para explicação e fixação dos conhecimentos aprendidos durante as aulas.
3.1. Geração de Ondas Mecânicas em Água por uma Fonte Única
Para a frequência escolhida, qual é o valor do comprimento de onda ge- rada na água? Para solucionar essa questão fez-se necessária a utilização da Equação Fun- damental da Onda. No entanto, calculou-se primeiro o valor de Velocidade de Pro- pagação da Onda através da Equação de Velocidade Média, pois o mesmo não fora cedido. Adotaram-se os valores de Variação de Espaço igual a 0,15 m (ΔS = 0, m), pois como as ondas são formadas circularmente, esse valor representa o raio da circunferência, e de Variação de Tempo correspondente a 1 s (Δt = 1 s), encontran- do como Velocidade de Propagação o equivalente a 0,15 m/s. Com o número de frequência já conhecido, 5 Hz (ƒ = 5 Hz), calculou-se então o Comprimento da Onda, resultando em 0,03 m (λ = 0,03 m).
Aumente a frequência do gerador de áudio. O que ocorrerá com o com- primento de onda das ondas geradas? Levando em consideração o fato de que Comprimento de Onda e Frequência são grandezas inversamente proporcionais, ou seja, tem uma relação inversa (MA- DEIRA, 2010), quando há o aumento de uma destas a outra diminui. Dessa forma, se a frequência for aumentada, o comprimento da onda diminuirá, e vice-versa.
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Estime a velocidade de propagação das ondas mecânicas geradas para três frequências diferentes. Os resultados obtidos conferem com a teo- ria ondulatória? Como a Velocidade de Propagação da onda já foi encontrada (0,15m/s), com as distintas Frequências, os valores que sofreram alteração foram os de Comprimen- to de Onda, conforme mostra a Tabela 01:
Tabela 01. Velocidades de Propagação de Ondas em relação à diferentes Frequências Frequências (Hz) Vel. Propagação (m/s) Comp. Ondas (m) Caso 01 1 0,15 0, Caso 02 3 0,15 0, Caso 03 5 0,15 0, Fonte: Autores, 2019
Neste caso é possível perceber novamente a proporcionalidade inversa entre Frequência e Comprimento de Ondas. “A ondulatória é a parte da física que trata das ondas” (ME SALVA 2017). Sendo assim, a Teoria Ondulatória envolve todos os conhecimentos referentes a essa área, bem como os conceitos citados acima sobre a relação entre as grande- zas da Equação Fundamental da Onda, provando que os resultados obtidos confe- rem com as informações teóricas sobre o assunto.
Você pode, utilizando a lâmpada estroboscópica, “parar” a onda mecâ- nica gerada na água. Qual deverá ser a relação entre as frequências de áudio e da luz para que tal objetivo possa ser atingido? As frequências deverão ser iguais. A frequência da faixa visível ao olho hu- mano é maior do que a audível. Portanto, se houver um aumento da frequência au- dível de forma que as duas faixas fiquem sincronizadas, as ondas geradas na água serão vistas paradas. É importante que ressaltar que as frequências devem estar exatamente iguais, pois qualquer diferença não culminará no cumprimento do objeti- vo.
3.2. Reflexão de Ondas Circulares
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Quais são os nomes dos pulsos presentes nesta onda? Pulso incidente (o que vai) e pulso refletido (o que volta).
Para a corda com extremidade livre, como ela é refletida? Ela reflete sem inversão de fase, pois o pulso refletido executa o mesmo mo- vimento do pulso incidente, apenas com sentido contrário.
Com relação ao sentido de vibração destas ondas, estas se classificam como que tipo de ondas? São ondas unidimensionais, porque propagam-se ao longo de uma única di- reção do espaço. (SILVA)
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Sendo assim, de acordo com os experimentos realizados e dados coletados pode-se concluir: Na Geração de Ondas Mecânicas em Água por uma Fonte Única, que o Comprimento da Onda e a Frequência são grandezas inversamente proporcionais, pois se uma é aumentada, a outra certamente diminuirá. Também, que a Frequência e a Velocidade de Propagação de Ondas são grandezas diretamente proporcionais, item visto na Tabela 01, visto que se houver o aumento de uma, a outra também se- rá maior. Na Reflexão de Ondas Circulares o fator de grandezas inversamente propor- cionais volta a atuar, dado que quando se aumenta a Frequência, o tempo da pro- pagação da onda diminui. Quanto à Reflexão de Ondas em Cordas, conclui-se que existem dois pulsos presentes na onda: Pulso Incidente (ação) e o Pulso Refletido (reação), e que sua classificação dimensional é unidimensional, por se propagar em uma única direção do espaço. Em relação à reflexão, percebe-se a atuação da Terceira Lei de Newton no experimento, devido aos diferentes sentidos de retorno em cada exemplo.
