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Experimentos realizados para observar a formação, reflexão e propagação de ondas mecânicas em meio líquido e cordas. O texto explica os métodos utilizados, os materiais empregados e os resultados obtidos, incluindo o cálculo do comprimento de onda para determinada frequência. Além disso, o documento discute a relação entre frequência e comprimento de onda, e a aplicação da terceira lei de newton na reflexão de ondas em cordas.
Tipologia: Trabalhos
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Trabalho apresentado à disciplina de Física Experimental II, cursos de Engenharias Civil e Elétrica, da Faculdade de Ciências Sociais e Agrárias de Itapeva.
ABSTRACT: A wave is a movement resulting from a disturbance that regardless 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 visualize the occurrence of waves and to relate them to the broad information on the subject. 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 purpose 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.
Podemos não perceber, mas as ondas estão presentes em nossas vidas a todo 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 processo, 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 mecânica) em um determinado equipamento, correlacionando a porosidade de determinados matérias com o isolamento acústico, ou até mesmo na utilização de equipamentos 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 equipamento. 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 reagem e interagem em nossa realidade.
Figura 0 1. Materiais utilizados para o experimento em meio líquido Fonte: MLAB, 2017 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 retroprojetor, 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 intensidades 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 transformará 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 0 2. Formação das ondas circulares no meio líquido devido à vibração Fonte : Autores, 2019 Para observar o comportamento das ondas refletidas utilizou-se o mesmo método, acrescentando somente a barra metálica a uma distancia x do vibrador, como mostra a Figura 03: Figura 0 3. Barra metálica formando uma barreira para as ondas Fonte: Autores, 2019 A visualização e medição das ondas se torna possível devido um espelho, localizado ao fundo da cuba, que reflete as mesmas em outro plano quadriculado (retroprojetor). 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 direção e pode-se notar diferentes reflexões, como mostram as Figuras 04 e 05:
(^) V = Velocidade média (m/s); (^) ∆ S = Variação de espaço (m); ∆ t = Variação de tempo (s). Eq. 3: Utilizada para calcular a frequência. Equação de Frequência: ƒ =^
ΔS t Onde: ƒ = Frequência (Hz); ∆ t = Variação de tempo (s).
Diante da realização dos três tipos de experimentos estabeleceram-se algumas 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 gerada na água? Para solucionar essa questão fez-se necessária a utilização da Equação Fundamental da Onda. No entanto, calculou-se primeiro o valor de Velocidade de Propagação 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 =S = 0,15 m), pois como as ondas são formadas circularmente, esse valor representa o raio da circunferência, e de Variação de Tempo correspondente a 1 s (ΔS =t = 1 s), encontrando 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 comprimento 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 (MADEIRA, 2010), quando há o aumento de uma destas a outra diminui. Dessa
3.2. Reflexão de Ondas Circulares Para a frequência escolhida, qual é o valor do comprimento de onda gerada na água? Mais uma vez utilizou-se a Equação Fundamental da Onda. Com os valores de Frequência e Velocidade de Propagação da Onda equivalendo a 5 Hz e 15 m/s, respectivamente, calculou-se então o Comprimento da Onda gerada, que corresponde a 0,03 m. Estime o tempo Δt para a onda chegar ao objeto (barreira)t para a onda chegar ao objeto (barreira) Supondo que o objeto está localizado a 0,10 m do ponto de formação das ondas e adotando a velocidade de 0,15 m/s, com o auxílio da Equação de Velocidade Média calculou-se o tempo gasto para a onda chegar à barreira, resultando em aproximadamente 0,67 s. Aumente a frequência do gerador de áudio. O que ocorrerá com o tempo de propagação? Prass define a frequência como “o número de vezes que um fenômeno periódico acontece no mesmo ponto apresentando as mesmas características cinemáticas, em determinada unidade de tempo”. Assim criou-se a Fórmula da Frequência, onde pode-se analisar, como em alguns casos anteriores, o fator de grandezas inversamente proporcionais, que nesse caso são representadas por Tempo e Frequência, fazendo com que se a frequência aumente, o tempo de propagação da onda diminua, e se a frequência aumentar, o tempo irá diminuir. 3.3. Reflexão de Ondas em Cordas Para corda com extremidade fixa, como ela é refletida? Ela é refletida com uma inversão de fase, ou seja, se sofrer um pulso para direita, retornará pelo lado esquerdo. Essa reação é explicada pela Terceira Lei de Newton que determina que “quando um objeto A exerce uma força sobre um outro
objeto B, este outro objeto B vai exercer uma força de mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário sobre o objeto A.” (GOUVEIA, 2018) 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 movimento 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 direção do espaço. (SILVA)
20 5.0. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GOUVEIA, R. Terceira lei de Newton. 2018. Disponível em: . Acesso em: 31.ago. MADEIRA, D. A relação de frequência com o comprimento de onda eletromagnética. 2010. Disponível em: . Acesso em: 31.ago. MANUAL DO MUNDO. Experiência: a água que para no ar. 2012 (5m05s). Disponível em: . Acesso em: 01.set. MARQUES, D. Reflexão de onda em uma corda. Brasil Escola. 2019. Disponível em: . Acesso em: 01.set. MLAB. F40 Cuba de ondas. 2018. Disponível em: . Acesso em: 01.set. ME SALVA. Ondulatória. 2017. 28p - 2017. Disponível em: . Acesso em: 31.ago. PRASS, A. R. Oscilações: movimento harmônico simples – M.H.S. 20f. Disponível em: . Acesso em: 31.ago. SILVA, T. Ondas mecânicas: definições. 201?. 26f – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 201?. Disponível em: . Acesso em: 31.ago.
