16: Ondas
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Neste capítulo, estudaremos a física do movimento das ondas. Nós nos concentramos nas ondas mecânicas, que são distúrbios que se movem por um meio, como ar ou água. Como o movimento harmônico simples estudado no capítulo anterior, a energia transferida pelo meio é proporcional à amplitude quadrada. Os conceitos apresentados neste capítulo serão a base para muitos tópicos interessantes, desde a transmissão de informações até os conceitos da mecânica quântica.
- 16.1: Prelúdio à onda
- As ondas de água de superfície no oceano são ondas transversais nas quais a energia da onda viaja horizontalmente enquanto a água oscila para cima e para baixo devido a alguma força restauradora. Uma bóia pode ser usada para converter o incrível poder das ondas do mar em eletricidade. O movimento para cima e para baixo da bóia gerado à medida que as ondas passam é convertido em movimento rotacional que gira um rotor em um gerador elétrico.
- 16.2: Ondas itinerantes
- Uma onda é uma perturbação que se move do ponto de origem com uma velocidade de onda v. Ondas mecânicas são distúrbios que se movem através de um meio e são regidos pelas leis de Newton. As ondas eletromagnéticas são distúrbios nos campos elétrico e magnético e não requerem um meio. Uma onda transversal tem uma perturbação perpendicular à direção de propagação da onda, enquanto uma onda longitudinal tem uma perturbação paralela à sua direção de propagação.
- 16.3: Matemática das Ondas
- Uma onda é uma oscilação que viaja por um meio, acompanhada por uma transferência de energia. A energia é transferida de um ponto para outro na direção do movimento da onda. As partículas do meio oscilam para cima e para baixo, para frente e para trás, ou ambas, em torno de uma posição de equilíbrio. Dada uma função de uma onda que é um instantâneo da onda e é apenas uma função da posição x, o movimento do pulso ou onda se movendo a uma velocidade constante pode ser modelado substituindo x por x vt.
- 16.4: Velocidade de onda em uma corda esticada
- A velocidade de uma onda em uma corda depende da densidade linear da corda e da tensão na corda. A densidade linear é a massa por unidade de comprimento da corda. Em geral, a velocidade de uma onda depende da raiz quadrada da razão entre a propriedade elástica e a propriedade inercial do meio. A velocidade do som no ar a T = 20 °C é aproximadamente v_s = 343,00 m/s.
- 16.5: Energia e potência de uma onda
- A energia e a potência de uma onda são proporcionais ao quadrado da amplitude da onda e ao quadrado da frequência angular da onda. A intensidade é definida como a potência dividida pela área. Conforme a onda sai de uma fonte, a energia é conservada, mas a intensidade diminui à medida que a área aumenta.
- 16.6: Interferência de ondas
- A superposição é a combinação de duas ondas no mesmo local. A interferência construtiva ocorre a partir da superposição de duas ondas idênticas que estão em fase. A interferência destrutiva ocorre a partir da superposição de duas ondas idênticas que estão 180° fora de fase. A onda que resulta da superposição de duas ondas senoidais que diferem apenas por uma mudança de fase é uma onda com uma amplitude que depende do valor da diferença de fase.
- 16.7: Ondas estacionárias e ressonância
- Uma onda estacionária é a superposição de duas ondas que produz uma onda que varia em amplitude, mas não se propaga. Os nós são pontos sem movimento em ondas estacionárias. Um antinodo é a localização da amplitude máxima de uma onda estacionária. Os modos normais de uma onda em uma corda são os possíveis padrões de ondas estacionárias. A frequência mais baixa que produzirá uma onda estacionária é conhecida como frequência fundamental. As frequências mais altas que produzem ondas estacionárias são chamadas de sobretons.
Miniatura: Surfista no Mavericks, um dos principais locais de surfe de ondas grandes do mundo. (Surfista: Andrew Davis). (CC SA-BY 2.0; Shalom Jacobovitz).