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terça-feira, 22 de novembro de 2016

Ondas sonora -b Velocidade do som, eco e limites de audibilidade

O som é responsável pela forma de comunicação mais eficiente que conhecemos e ele se comporta como uma onda.

As ondas possuem uma propriedade muito conhecida: elas são capazes de transportar energia sem transportar matéria. Em outras palavras, em sua propagação, as ondas transportam energia sem carregar os objetos por onde passam.

Observe que, ao recebermos uma informação de origem sonora (e isso ocorre de maneira constante no nosso dia-a-dia), nós não somos empurrados na direção de propagação da onda. Simplesmente sentimos a energia sonora ressoar nos nossos tímpanos.

As ondas sonoras são originadas por vibrações no meio material em que elas vão se propagar. Na maioria dos casos, esse meio é o ar.

Tomemos como exemplo uma corda de violão que é posta para vibrar. Essa vibração é transmitida para as moléculas de ar que estão ao redor da corda, que por sua vez passam a vibrar. A vibração dessas moléculas é transmitida para as moléculas vizinhas, que por sua vez também passam a se propagar para outras moléculas vizinhas, e assim sucessivamente. Essa propagação ocorre em todas as direções. Por esse motivo a onda sonora é classificada como onda esférica.

Ondas longitudinais
Ao estudarmos ondulatória, ficamos sabendo que as ondas podem se propagar de maneira longitudinal, transversal ou mista. Nos meios fluidos, ou seja, em gases e líquidos, as ondas se propagam de forma longitudinal. Isso quer dizer que o som, ao se propagar, vibra as moléculas de ar na mesma direção da propagação.

Para a visualização desse fenômeno, podemos imaginar uma mola em cuja extremidade se faz uma compressão. Essa compressão irá se propagar por toda a mola, fazendo com que ela vibre na mesma direção de propagação do pulso. Observe a figura:


Meios de propagação e velocidade do som
O som é uma onda mecânica, e por isso não pode se propagar no vácuo. Ou seja, a propagação do som ocorre somente nos meios materiais.

No nosso cotidiano é mais comum presenciar o som se propagando no ar, mas nada impede que existam ondas sonoras nos líquidos e nos sólidos. Aliás, o ar não é um bom meio de propagação do som. Apesar de fazer com que o som se desloque a uma velocidade relativamente alta de aproximadamente 340 m/s, os líquidos permitem que as ondas se propaguem ainda mais rápido. Podemos perceber isso quando colocamos a cabeça dentro da água e ouvimos o ruído do motor de um barco com extrema nitidez. Na água, o som se propaga com uma velocidade de aproximadamente 1450 m/s.

Os sólidos também são meios de propagação eficientes. Cabe salientar que nesses meios, além da propagação longitudinal, responsável pela sensação auditiva, existe também um componente transversal de propagação sonora. Nos sólidos, o som se propaga de maneira mais veloz do que nos líquidos. Para se ter uma idéia, a velocidade do som no ferro é de aproximadamente 5130 m/s.

Limites de audibilidade
O som é produzido por corpos que vibram, mas nem toda vibração é capaz gerar um som que vá excitar o nosso tímpano. Para que tenhamos a sensação auditiva é necessário que a onda sonora esteja numa uma faixa de freqüência bem definida. Para o ouvido humano, essa faixa de freqüência vai de 20 Hz a 20000 Hz. Fora desses limites, o ouvido humano não é capaz de perceber a onda como som. Abaixo de 20 Hz, as ondas são conhecidas como infra-sons e acima de 20000 Hz elas são conhecidas como ultra-sons.

Existem diversos animais que são capazes de perceber sons acima de 20000 Hz. Os cães, por exemplo, conseguem captar freqüências de 50000 Hz. Temos também como exemplo os morcegos e os golfinhos.

O eco
Como é uma onda, o som está sujeito aos fenômenos ondulatórios como interferência, refração e reflexão. A reflexão sonora é percebida através de um fenômeno muito curioso conhecido como eco. Para entendê-lo, imagine uma pessoa em um salão amplo que bate palmas uma única vez. Dependendo do tamanho do salão, depois de um curto intervalo de tempo, essa pessoa será capaz de ouvir esse som de palmas novamente.
Isso ocorre porque o som, ao se propagar, acaba encontrando um obstáculo. Ao incidir nesse obstáculo, o som sofre uma reflexão e volta para a fonte, que nesse caso é a pessoa que bateu palmas.

É verdade que na maioria das vezes o eco não é percebido. Isso acontece por um motivo curioso. Para que o ouvido perceba os dois sons (o incidente e o refletido) de maneira distinta, é necessário que eles estejam separados por um intervalo de tempo de pelo menos um décimo de segundo. Por isso que foi mencionado que a sala deveria ser ampla.

Com esse intervalo de tempo e considerando que o som se propaga com velocidade de 340 m/s, a distância mínima existente na sala para se perceber o eco deverá ser de 17 m. Observe o quadro abaixo:


No cálculo acima utilizamos a famosa equação de velocidade média. Consideramos que, nesse caso, o som se propagou com velocidade constante. Definimos o deslocamento como 2.d, pois estamos considerando a distância de ida mais a distância de volta percorrida pela onda sonora.

O eco é de fundamental importância para os morcegos. Como são criaturas com grau de visibilidade extremamente limitada, eles conseguem perceber os obstáculos à sua frente através da emissão de ultra-sons. Essas ondas, ao baterem nos obstáculos, voltam. Pelo intervalo de tempo entre o som emitido e o refletido, os morcegos conseguem perceber a que distância se encontram dos obstáculos.

Paulo Augusto Bisquolo é professor de física do colégio COC-Santos (SP).

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