5.2: Ondas e comprimentos de onda

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Rose M. Spielman, William J. Jenkins, Marilyn D. Lovett, et al.
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objetivos de aprendizagem

Descreva características físicas importantes das formas de onda
Mostre como as propriedades físicas das ondas de luz estão associadas à experiência perceptiva
Mostre como as propriedades físicas das ondas sonoras estão associadas à experiência perceptiva

Estímulos visuais e auditivos ocorrem na forma de ondas. Embora os dois estímulos sejam muito diferentes em termos de composição, as formas de onda compartilham características semelhantes que são especialmente importantes para nossas percepções visuais e auditivas. Nesta seção, descrevemos as propriedades físicas das ondas, bem como as experiências perceptivas associadas a elas.

Amplitude e comprimento de onda

Duas características físicas de uma onda são amplitude e comprimento de onda (Figura 5.5). A amplitude de uma onda é a distância da linha central até o ponto superior da crista ou o ponto inferior da calha. O comprimento de onda se refere ao comprimento de uma onda de um pico para o próximo.

Um diagrama ilustra as partes básicas de uma onda. Movendo-se da esquerda para a direita, a linha de comprimento de onda começa acima de uma linha reta horizontal e cai e sobe igualmente acima e abaixo dessa linha. Uma das áreas em que a linha de comprimento de onda atinge seu ponto mais alto é chamada de “Pico”. Um colchete horizontal, denominado “Comprimento de onda”, se estende dessa área até o próximo pico. Uma das áreas em que o comprimento de onda atinge seu ponto mais baixo é chamada de “Calha”. Um colchete vertical, denominado “Amplitude”, se estende de um “pico” até uma “calha”. — Figura **5.5** A amplitude ou altura de uma onda é medida do pico até a calha. O comprimento de onda é medido de pico a pico.

O comprimento de onda está diretamente relacionado à frequência de uma determinada forma de onda. A frequência se refere ao número de ondas que passam por um determinado ponto em um determinado período de tempo e geralmente é expressa em termos de hertz (Hz) ou ciclos por segundo. Comprimentos de onda mais longos terão frequências mais baixas e comprimentos de onda mais curtos terão frequências mais altas (Figura 5.6).

Empilhadas verticalmente estão 5 ondas de diferentes cores e comprimentos de onda. A onda superior é vermelha com comprimentos de onda longos, o que indica uma frequência baixa. Movendo-se para baixo, a cor de cada onda é diferente: laranja, amarelo, verde e azul. Também descendo, os comprimentos de onda ficam mais curtos à medida que as frequências aumentam. — Figura **5.6** Esta figura ilustra ondas de diferentes comprimentos de onda/frequências. No topo da figura, a onda vermelha tem um comprimento de onda longo/frequência curta. Movendo-se de cima para baixo, os comprimentos de onda diminuem e as frequências aumentam.

Ondas de luz

O espectro visível é a parte do espectro eletromagnético maior que podemos ver. Como mostra a Figura 5.7, o espectro eletromagnético abrange toda a radiação eletromagnética que ocorre em nosso ambiente e inclui raios gama, raios X, luz ultravioleta, luz visível, luz infravermelha, microondas e ondas de rádio. O espectro visível em humanos está associado a comprimentos de onda que variam de 380 a 740 nm — uma distância muito pequena, já que um nanômetro (nm) é um bilionésimo de um metro. Outras espécies podem detectar outras porções do espectro eletromagnético. Por exemplo, as abelhas podem ver a luz na faixa ultravioleta (Wakakuwa, Stavenga e Arikawa, 2007), e algumas cobras podem detectar radiação infravermelha, além dos sinais de luz visual mais tradicionais (Chen, Deng, Brauth, Ding, & Tang, 2012; Hartline, Kass, & Loop, 1978).

Esta ilustração mostra o comprimento de onda, a frequência e o tamanho dos objetos em todo o espectro eletromagnético.. No topo, vários comprimentos de onda são dados em sequência, de pequenos a grandes, com uma ilustração paralela de uma onda com frequência crescente. Estes são os comprimentos de onda fornecidos, medidos em metros: “Raio gama 10 elevado à décima segunda potência negativa”, “raio-x 10 elevado à décima potência negativa”, ultravioleta 10 elevado à oitava potência negativa, “visível 0,5 vezes 10 elevado à sexta potência negativa”, “infravermelho 10 elevado a menos quinta potência”, micro-ondas 10 elevado a menos 10 potência negativa segunda potência” e “rádio 10 ao cubo”. Outra seção é chamada “Sobre o tamanho de” e lista da esquerda para a direita: “Núcleos atômicos”, “Átomos”, “Moléculas”, “Protozoários”, “Pinpoints”, “Abelhas”, “Humanos” e “Edifícios” com uma ilustração de cada um. Na parte inferior está uma linha chamada “Frequência” com as seguintes medidas em hertz: 10 elevado às potências de 20, 18, 16, 15, 12, 8 e 4. Da esquerda para a direita, a linha muda de cor de roxo para vermelho com as cores restantes do espectro visível no meio. — Figura **5.7** A luz que é visível para os humanos compõe apenas uma pequena parte do espectro eletromagnético.

Em humanos, o comprimento de onda da luz está associado à percepção da cor (Figura 5.8). Dentro do espectro visível, nossa experiência com o vermelho está associada a comprimentos de onda mais longos, os verdes são intermediários e os azuis e violetas têm comprimentos de onda mais curtos. (Uma maneira fácil de lembrar isso é o mnemônico ROYGBIV: r vermelho, o laranja, y amarelo, g verde, b azul, i índigo, v violeta.) A amplitude das ondas de luz está associada à nossa experiência de brilho ou intensidade de cor, com amplitudes maiores parecendo mais brilhantes.

Uma linha fornece comprimento de onda em nanômetros para nanômetros “400”, “500”, “600” e “700”. Dentro dessa linha estão todas as cores do espectro visível. Abaixo dessa linha, rotulada da esquerda para a direita, estão “Radiação cósmica”, “Raios gama”, “Raios X”, “Ultravioleta” e, em seguida, uma pequena área de chamada para a linha acima contendo as cores do espectro visual, seguida por “Infravermelho”, “Radiação Terahertz”, “Radar”, “Transmissão de televisão e rádio” e “Circuitos de corrente alternada”. — Figura **5.8** Diferentes comprimentos de onda de luz estão associados à nossa percepção de cores diferentes. (crédito: modificação da obra de Johannes Ahlmann)

Ondas sonoras

Como as ondas de luz, as propriedades físicas das ondas sonoras estão associadas a vários aspectos de nossa percepção do som. A frequência de uma onda sonora está associada à nossa percepção do tom desse som. As ondas sonoras de alta frequência são percebidas como sons agudos, enquanto as ondas sonoras de baixa frequência são percebidas como sons graves. A faixa audível das frequências sonoras está entre 20 e 20000 Hz, com maior sensibilidade às frequências que estão no meio dessa faixa.

Como foi o caso do espectro visível, outras espécies mostram diferenças em suas faixas audíveis. Por exemplo, as galinhas têm uma faixa audível muito limitada, de 125 a 2000 Hz. Os ratos têm uma faixa audível de 1000 a 91000 Hz, e a faixa audível da baleia beluga é de 1000 a 123000 Hz. Nossos cães e gatos de estimação têm faixas audíveis de cerca de 70—45.000 Hz e 45-64000 Hz, respectivamente (Strain, 2003).

O volume de um determinado som está intimamente associado à amplitude da onda sonora. Amplitudes mais altas estão associadas a sons mais altos. O volume é medido em termos de decibéis (dB), uma unidade logarítmica da intensidade do som. Uma conversa típica se correlacionaria com 60 dB; um show de rock pode ser feito a 120 dB (Figura 5.9). Um sussurro a 5 pés de distância ou folhas farfalhando estão na extremidade inferior do nosso alcance auditivo; sons como um ar condicionado de janela, uma conversa normal e até mesmo tráfego intenso ou um aspirador de pó estão dentro de um alcance tolerável. No entanto, existe o potencial de danos auditivos de cerca de 80 dB a 130 dB: são sons de um processador de alimentos, cortador de grama elétrico, caminhão pesado (25 pés de distância), trem do metrô (20 pés de distância), música rock ao vivo e uma britadeira. Cerca de um terço de toda a perda auditiva ocorre devido à exposição ao ruído, e quanto mais alto o som, menor a exposição necessária para causar danos auditivos (Le, Straatman, Lea, & Westerberg, 2017). Ouvir música por meio de fones de ouvido no volume máximo (cerca de 100 a 105 decibéis) pode causar perda auditiva induzida por ruído após 15 minutos de exposição. Embora ouvir música no volume máximo possa não parecer causar danos, isso aumenta o risco de perda auditiva relacionada à idade (Kujawa & Liberman, 2006). O limite para dor é de cerca de 130 dB, um avião a jato decolando ou um revólver disparando de perto (Dunkle, 1982).

Esta ilustração tem uma barra vertical no meio chamada Decibéis (dB) numerada de 0 a 150 em intervalos de baixo para cima. À esquerda da barra, a “intensidade do som” de diferentes sons é rotulada: “Limite de audição” é 0; “Sussurro” é 30, “música suave” é 40, “Geladeira” é 45, “Segura” e “conversa normal” é 60, “Tráfego urbano intenso” com “danos permanentes após 8 horas de exposição” é 85, “Motocicleta” com “permanente dano após 6 horas de exposição” é 95, “Volume máximo dos fones de ouvido” com “dano permanente após 15 minutos de exposição” é 105, “Risco de perda auditiva” é 110, “limite de dor” é 130, “prejudicial” é 140 e “armas de fogo” com “dano permanente imediato” é 150. À direita do bar estão fotografias representando um “som comum”: a 20 decibéis está uma imagem de folhas farfalhando; Aos 60 estão duas pessoas falando, aos 85 está o trânsito, a 105 estão os fones de ouvido, aos 120 há um concerto de música e aos 130 estão os jatos. — Figura **5.9** Esta figura ilustra a intensidade dos sons comuns. (crédito “aviões”: modificação do trabalho de Max Pfandl; crédito “multidão”: modificação do trabalho de Christian Holmér; crédito: “fones de ouvido”: modificação do trabalho por “Skinny Guy Lover_Flickr” /Flickr; crédito “tráfego”: modificação do trabalho de “QuinntheIslander_Pixabay” /Pixabay; crédito “talking”: modificação da obra de Joi Ito; crédito “deixa”: modificação da obra de Aurelijus Valeiša)

Embora a amplitude da onda esteja geralmente associada ao volume, há alguma interação entre frequência e amplitude em nossa percepção do volume dentro da faixa audível. Por exemplo, uma onda sonora de 10 Hz é inaudível, independentemente da amplitude da onda. Uma onda sonora de 1000 Hz, por outro lado, variaria dramaticamente em termos de volume percebido à medida que a amplitude da onda aumentasse.

Link para o aprendizado

Assista a este breve vídeo sobre nossa percepção de frequência e amplitude para saber mais.

Obviamente, instrumentos musicais diferentes podem tocar a mesma nota musical no mesmo nível de volume, mas ainda assim soam bem diferentes. Isso é conhecido como timbre de um som. O timbre se refere à pureza de um som e é afetado pela complexa interação de frequência, amplitude e tempo das ondas sonoras.