Fenômenos ondulatórios: quais são, exemplos e exercícios

A ondulatória é uma das grandes áreas da Física e, dentro dela, os fenômenos ondulatórios estão entre os assuntos mais aparecem nas provas. No Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), por exemplo, ondulatória ocupa o top 3 na incidência de Física e fenômenos ondulatórios lideram as questões.

A seguir, você vai conhecer os principais fenômenos ondulatórios: reflexão, refração, difração, ressonância, polarização e interferência, e aprenderá as características e as diferenças entre eles. Ao final, é possível conferir um resumo geral de tudo o que falaremos aqui. Partiu?

Fundamentos de ondulatória

De antemão, é importante lembrar da equação fundamental da ondulatória: ela nos diz que a velocidade com que uma onda se propaga é igual ao produto entre o comprimento de onda (λ) e a frequência (f): v = λ · f. Essa equação é muito importante, aparecendo em grande parte das questões de ondulatória.

Antes de estudar os fenômenos ondulatórios em si, precisamos saber do seguinte:

• A velocidade de uma onda depende somente do meio onde ela se propaga, ou seja, se ela não mudar de meio, não haverão motivos para mudar sua velocidade (a não ser que seu comprimento de onda e/ou sua frequência se alterem por alguma razão).
• A frequência de uma onda depende somente da fonte que a emite.

Entender essas características é importante para compreender melhor os fenômenos ondulatórios.

Reflexão

Nesse fenômeno, uma onda, se propagando em um certo meio, incide em outro meio de propagação e retorna ao mesmo meio onde já estava se propagando.

Como a onda não muda seu meio de propagação, sua velocidade também não muda em uma reflexão. Além disso, considerando que sua fonte não mudou, sua frequência também não muda. Logo, os principais parâmetros de uma onda (velocidade, comprimento de onda e frequência) não se alteram na reflexão.

É graças à reflexão da luz que conseguimos enxergar coisas que não emitem luz própria (como pessoas, por exemplo!). Na óptica, esse fenômeno é muito importante quando estudamos espelhos. Tratando-se do som, sua reflexão é conhecida como eco.

Reflexão em cordas

Juntamente com luz e som, outro tipo de onda muito comum de aparecer em exercícios de reflexão são as ondas mecânicas em cordas.

Quando uma onda em uma corda incide sobre um obstáculo fixo (como uma parede), seu pulso é forçado pelo obstáculo a se inverter. Assim, se o pulso incidente está voltado para cima, o pulso refletido estará voltado para baixo: dizemos que houve inversão de fase no pulso.

No entanto, se a onda incidir sobre um obstáculo móvel (que possa se mover livremente, sem atritos, se for um caso ideal), seu pulso não encontra resistência, refletindo sem sofrer inversão. Logo, se o pulso incidente está voltado para cima, o pulso refletido também estará voltado para cima: não houve inversão de fase no pulso.

É interessante perceber que as ondas em cordas são transversais, já que se propagam perpendicularmente à oscilação do meio (a corda).

Refração

Quando uma onda muda seu meio de propagação, dizemos que ela sofreu refração.

Como a velocidade de uma onda depende do meio no qual ela se propaga, ao mudar de meio, sua velocidade é alterada. A frequência, por depender da fonte, não se altera. Assim, na refração, velocidade e comprimento de onda são diretamente proporcionais (v = λ · f, em que f é constante).

Refração da luz

Na óptica, esse fenômeno é muito importante, pois a refração da luz tem diversas consequências curiosas, como a mudança na direção de propagação da luz em boa parte dos casos. Isso tem efeitos como o que podemos conferir abaixo:

Até chegar aos olhos do observador, a luz que sai do lápis passa da água para o vidro e do vidro para o ar. Com essas refrações, ela muda sua direção de propagação, causando esse efeito engraçado de "quebra".

O estudo da refração da luz ganha muito destaque na óptica. Saiba mais sobre isso no texto Refração da luz: leis, fórmulas e exercício.

Refração em cordas

Bem como na reflexão, a refração também pode ocorrer com ondas mecânicas em cordas. Há dois casos distintos que podemos analisar: quando a onda refrata de uma corda menos densa para uma mais densa e a situação contrária.

Quando uma onda se propaga em uma corda e incide sobre uma corda mais densa, parte da onda é refletida e parte é refratada. A parte refletida sofre inversão de fase, pois, como a onda incide sobre um meio mais denso, é como se ela estivesse incidindo sobre um obstáculo fixo. A parte refratada não sofre inversão de fase.

Na situação contrária, em que uma onda se propaga em uma corda e incide sobre outra menos densa, a parte refletida não sofre inversão de fase, já que é como se ela estivesse incidindo sobre um obstáculo móvel. A parte refratada também não sofre inversão.

Não deixe de conferir nossa videoaula sobre reflexão e refração:

Difração

Chamamos de difração o fenômeno que ocorre quando uma onda contorna um obstáculo. Quando você ouve alguém falando com você de outro cômodo da casa, isso acontece porque o som é capaz de contornar obstáculos, chegando até seus ouvidos.

A difração de ondas é explicada pelo princípio de Huygens, que diz o seguinte:

"Cada ponto de uma frente de onda pode ser considerado fonte de uma pequena onda que se propaga em todas as direções com velocidade igual à velocidade de propagação da onda."

Quanto maior for o comprimento de onda em relação ao obstáculo, mais acentuada será a difração. É por isso que o som difrata muito melhor do que a luz: seu comprimento de onda é muito maior.

Ressonância

As coisas, em geral, podem vibrar caso sejam estimuladas em frequências específicas, as quais chamamos de frequências naturais. Quando a frequência de uma onda coincide com uma das frequências naturais de um corpo, essa onda faz com que o corpo vibre em amplitudes cada vez maiores. Damos e esse fenômeno o nome de ressonância.

Em alguns casos, a ressonância faz com que um corpo vibre em amplitudes tão altas que sua estrutura não é capaz de suportar, ou seja, ele pode se romper. É dessa forma que é possível quebrar uma taça utilizando ondas sonoras de frequências específicas.

A telecomunicação é uma aplicação muito útil da ressonância: quando sintonizamos uma estação de rádio (caso você ainda ouça!), o que estamos fazendo é determinar uma certa frequência natural do circuito para que ele entre em ressonância com a frequência da estação desejada.

Polarização

Imagine uma onda que se propaga vibrando em várias direções. É possível "selecionar" apenas uma ou mais dessas direções, fazendo com que a onda passe a se propagar somente nelas. Esse fenômeno é chamado polarização.

É preciso ter em mente o fato de que somente ondas transversais podem ser polarizadas. Afinal, ondas longitudinais já vibram em apenas uma direção. Isso nos leva à seguinte conclusão: o som não pode ser polarizado, já que é uma onda longitudinal. A luz, entretanto, é uma onda transversal, podendo ser polarizada.

A forma mais comum de polarizar uma onda é através de um filtro polarizador, conforme mostra o diagrama abaixo:

Perceba que, inicialmente, a luz não polarizada se propagava em duas direções perpendiculares entre si. Ao passar pelo filtro polarizador, a parte da luz que vibrava na horizontal foi "filtrada", restando somente a parte que vibrava na vertical, ou seja, a luz sofreu polarização.

Óculos de sol com lentes polarizadoras fazem exatamente isso: ao filtrar parte da luz incidente, eles limitam a intensidade da luz que passa, mas sem comprometer a qualidade da imagem. Da mesma forma, podemos ter óculos 3D (como esses que usamos no cinema), em que cada lente polariza a luz de uma forma.

Interferência

Ao contrário da matéria, duas ondas diferentes podem ocupar o mesmo lugar no espaço! Essa é a ideia da interferência: ela consiste na superposição de duas ou mais ondas de mesma natureza que se encontram, superpondo suas perturbações individuais.

A interferência pode resultar em uma soma ou em uma subtração algébrica das amplitudes das ondas, que veremos a seguir.

Interferência construtiva: ocorre entre partes em fase das ondas, produzindo, como resultado, uma onda resultante cuja amplitude corresponde à soma algébrica das amplitudes das ondas.

Interferência destrutiva: nesse caso, ocorre entre partes em oposição de fase das ondas, produzindo, portanto, uma onda resultante cuja amplitude corresponde à diferença algébrica das amplitudes das ondas.

A existência de uma onda não "anula" a outra. Em outras palavras, após a interferência, cada uma das ondas continua se propagando individualmente, como se nada tivesse acontecido.

Você sabia que é possível produzir silêncio a partir de som? É dessa forma que operam os fones com "cancelador de ruído ativo", que já apareceram três vezes na prova do Enem! Na presença de um ruído externo de frequência fixa, esses fones produzem sinais sonoros de mesmas características que as do ruído, mas em oposição de fase. Como resultado, ambos os sinais sofrerão interferência destrutiva, reduzindo o ruído que chega aos ouvidos da pessoa.

Interferência entre fontes pontuais

Podemos analisar a interferência entre ondas emitidas por duas fontes pontuais, ou seja, das quais podemos desprezar as dimensões. Nesses casos, será importante considerar as distâncias de cada uma das fontes até o ponto onde analisaremos a interferência.

Para haver interferência construtiva, é preciso que duas cristas ou dois vales se encontrem no mesmo ponto. Analogamente, para haver interferência destrutiva, é preciso que uma crista e um vale se encontrem no mesmo ponto. Além das distâncias das fontes, também é preciso saber se elas estão emitindo ondas em fase ou em oposição de fase.

Existe uma equação que podemos utilizar para esse tipo de situação:

Em que:

• Δx é a diferença de percurso das ondas. Em outras palavras, é a distância que cada onda percorre da fonte até o ponto de interferência. Trabalhamos com os módulos dessas distâncias.
• n é um número natural, que pode ser par ou ímpar, dependendo da situação (como veremos a seguir),
• λ/2 é a metade do comprimento de onda.

Ou seja, o módulo da diferença de percurso é um múltiplo do comprimento de onda. O valor de n vai depender das fontes estarem ou não em fase:

Fontes em fase

• Se n for par, a interferência será construtiva.
• Se n for ímpar, a interferência será destrutiva.

Fontes em oposição de fase

• Se n for par, a interferência será destrutiva.
• Se n for ímpar, a interferência será construtiva.

Resumo dos fenômenos ondulatórios

Agora que você aprendeu em detalhes os fenômenos ondulatórios, vamos relembrar as principais características deles 👇

• Reflexão: a onda incide sobre um meio diferente e retorna ao mesmo meio onde já estava se propagando.
• Refração: ocorre quando a onda muda seu meio de propagação.
• Difração: fenômeno em que a onda contorna algum obstáculo.
• Ressonância: quando a frequência de uma onda coincide com uma das frequências naturais de um corpo, isso faz com que esse corpo vibre em amplitudes cada vez maiores.
• Polarização: consiste em selecionar direções de vibração de uma onda transversal que inicialmente vibrava em diversas direções.
• Interferência: superposição entre ondas que se encontram no espaço, podendo somar seus efeitos (interferência construtiva) ou subtraí-los (interferência destrutiva).

Como os fenômenos ondulatórios caem no Enem e nos vestibulares?

Boa parte das questões envolve reconhecer e diferenciar o(s) fenômeno(s) presentes em uma situação, além de identificar suas características. Nesse sentido, o Enem adora trazer questões de fenômenos ondulatórios, principalmente aplicadas a contextos do cotidiano. Confira alguns exemplos:

Exemplo 1 - Enem 2020

Os fones de ouvido tradicionais transmitem a música diretamente para os nossos ouvidos. Já os modelos dotados de tecnologia redutora de ruído – Cancelamento de Ruído (CR) – além de transmitirem música, também reduzem todo ruído inconsistente à nossa volta, como o barulho de turbinas de avião e aspiradores de pó. Os fones de ouvido CR não reduzem realmente barulhos irregulares como discursos e choros de bebês. Mesmo assim, a supressão do ronco das turbinas do avião contribui para reduzir a “fadiga de ruído”, um cansaço persistente provocado pela exposição a um barulho alto por horas a fio. Esses aparelhos também permitem que nós ouçamos músicas ou assistamos a vídeos no trem ou no avião a um volume muito menor (e mais seguro).

_{Disponível em: http://tecnologia.uol.com.br. Acesso em: 21 abr. 2015 (adaptado).}

A tecnologia redutora de ruído CR utilizada na produção de fones de ouvido baseia-se em qual fenômeno ondulatório?

a) Absorção.

b) Interferência.

c) Polarização.

d) Reflexão.

e) Difração.

Resposta: [B]
Para que os fones sejam capazes de cancelar ruídos, eles precisam emitir ondas de mesma frequência e mesma amplitude que as do ruído, mas em oposição de fase. O nome do fenômeno responsável por isso é interferência (mais especificamente, interferência destrutiva).

Exemplo 2- Enem PPL 2020

Alguns cinemas apresentam uma tecnologia em que as imagens dos filmes parecem tridimensionais, baseada na utilização de óculos 3D. Após atravessar cada lente dos óculos, as ondas luminosas, que compõem as imagens do filme, emergem vibrando apenas na direção vertical ou apenas na direção horizontal.

Com base nessas informações, o funcionamento dos óculos 3D ocorre por meio do fenômeno ondulatório de

a) difração.

b) dispersão.

c) reflexão.

d) refração.

e) polarização.

Resposta: [E]
O fenômeno em que uma onda transversal (como a luz) atravessa um filtro e passa com menos direções de vibração é chamado de polarização.

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