Ondas
Uma onda transporta energia sem transportar matéria. Cinco bancadas para ver isso acontecer.
Onda transversal: cada ponto da corda sobe e desce, enquanto a forma da onda viaja para a direita. A velocidade depende só da corda (tensão e densidade); a frequência, só de quem a balança. Daí sai λ = v/f.
Onda longitudinal: as partículas do meio vão e voltam na mesma direção em que a onda viaja, formando compressões e rarefações. O som precisa de um meio material; no vácuo não se propaga.
Princípio da superposição: quando duas ondas passam pelo mesmo lugar, o deslocamento resultante é a soma dos deslocamentos. Depois do encontro, cada uma segue como era.
Interferência e difração numa cuba de água vista de cima. Faixas escuras e claras são cristas e vales. Onde uma crista encontra um vale, a água fica parada: são as linhas nodais.
Refração: ao mudar de meio, a onda muda de velocidade e de comprimento de onda, mas não de frequência. Se chega inclinada, muda também de direção, segundo a lei de Snell.
Roteiro de experimentos
Medindo λ na corda
Com a ponta sem fim, use a régua para conferir que λ = v/f. Dobre a frequência: o que acontece com λ? E com v?
Ondas estacionárias
Ponta presa, 1 Hz e tensão 16 N. A onda que volta se soma com a que vai. Encontre os pontos que nunca se mexem (nós).
Pulso refletido
Envie um pulso com a ponta presa e depois com a ponta solta. Em qual caso ele volta de cabeça para baixo?
Som no ar e na água
Mantenha 440 Hz e troque o meio. A frequência é a mesma; o que muda é o comprimento de onda. E no vácuo?
Destrutiva e batimentos
Duas ondas iguais com fase de 180° se anulam. Depois, deixe os comprimentos de onda um pouco diferentes e veja surgirem grupos (batimentos).
Difração depende de λ
Uma fenda de 3 cm. Varie o comprimento de onda: quando λ é parecido com a abertura, a onda se espalha mais.
Desafio
Teoria: fundamentos de ondas
Uma onda é uma perturbação que se propaga transportando energia, sem transportar matéria. Grandezas principais:
- Amplitude (A): o maior afastamento em relação à posição de equilíbrio;
- Comprimento de onda (λ): a distância entre duas cristas seguidas;
- Frequência (f): quantas oscilações por segundo (Hz). O período é T = 1/f.
Quem define o quê. A velocidade depende do meio. A frequência depende da fonte. O comprimento de onda é consequência: λ = v/f.
Mecânicas e eletromagnéticas. Ondas mecânicas (som, ondas na corda e na água) precisam de um meio. Ondas eletromagnéticas (luz, rádio) se propagam também no vácuo.
Transversais e longitudinais. Na transversal, o meio vibra perpendicularmente à propagação (corda). Na longitudinal, vibra na mesma direção (som).
Reflexão. Numa ponta presa, o pulso volta invertido; numa ponta solta, volta do mesmo lado. A onda que volta, somada à que vai, forma ondas estacionárias, com nós (pontos parados) a cada meio comprimento de onda.
Interferência. Onde as ondas chegam em fase (diferença de caminho igual a 0, λ, 2λ…), há reforço; onde chegam em oposição (λ/2, 3λ/2…), anulação.
Difração. A onda contorna obstáculos e se abre ao passar por fendas. O efeito é forte quando a abertura é comparável a λ.
Refração (lei de Snell).
Sobre as simulações: a corda é calculada pela equação de onda (diferenças finitas, 320 pontos). A cuba usa o princípio de Huygens: cada ponto da fenda vira uma nova fonte. Amplitudes do som estão muito exageradas para serem visíveis, e a animação do som está em câmera lenta.