A física das ondas abrange uma ampla gama de fenômenos, desde as ondas cotidianas como a água até a luz, o som e até o nível subatômico, onde as ondas descrevem comportamento de partículas como elétrons. Todas essas ondas exibem propriedades semelhantes e têm as mesmas características principais que descrevem suas formas e comportamento.

Uma das propriedades mais interessantes de uma onda é a capacidade de formar uma "onda estacionária". Aprendendo sobre esse conceito nos termos familiares das ondas sonoras ajuda a entender a operação de muitos instrumentos musicais, além de estabelecer algumas bases importantes para quando você aprender sobre as órbitas dos elétrons na mecânica quântica.
Ondas sonoras

O som é uma onda longitudinal, o que significa que a onda varia na mesma direção em que viaja. Para o som, essa variação ocorre na forma de uma série de compressões (regiões com densidade aumentada) e rarefações (regiões com densidade reduzida) no meio pelo qual viaja, como ar ou um objeto sólido.

O fato de uma onda sonora ser longitudinal significa que as compressões e rarefações atingem seu tímpano um após o outro, em vez de vários "comprimentos de onda" atingindo-o ao mesmo tempo. A luz, por outro lado, é uma onda transversal; portanto, a forma de onda está em ângulo reto com a direção em que viaja.

As ondas sonoras são criadas por oscilações, sejam elas das cordas vocais, a corda vibrante de uma guitarra (ou outras partes oscilantes de instrumentos musicais), um diapasão ou uma pilha de pratos caindo no chão. Todas essas fontes criam compressões e rarefações correspondentes no ar ao seu redor, e isso viaja como som (dependendo da intensidade das ondas de pressão).

Essas oscilações precisam viajar através de algum tipo de meio, porque, caso contrário, existem não seria nada para criar as regiões de compressão e rarefação, e assim o som viaja apenas a uma velocidade finita. A velocidade do som no ar (a 20 graus Celsius) é de cerca de 344 m /s, mas na verdade viaja a uma taxa mais rápida em líquidos e sólidos, com uma velocidade de 1.483 m /s em água (a 20 C) e 4.512 m /s em aço.
O que é ressonância?

Vibrações e oscilações tendem a ter o que pode ser pensado como uma freqüência natural ou frequência ressonante
. Em sistemas mecânicos, ressonância é o nome do reforço de som ou outras vibrações que ocorre quando você aplica uma força periódica na frequência ressonante do objeto.

Essencialmente, aplicando a força no tempo com a frequência natural em que se um objeto vibra ou oscila, você pode amplificar ou prolongar o movimento - pense em empurrar uma criança em um balanço e cronometrar seus movimentos com o movimento existente do balanço.

As frequências ressonantes do som são basicamente as mesmas. Uma demonstração clássica com diapasões mostra claramente o conceito: dois diapasões idênticos são afixados às caixas de som (que amplificam essencialmente o som da mesma forma que a caixa de som de um violão para a oscilação das cordas do violão), e um deles é atingido com um martelo de borracha. Isso faz o ar vibrar e você pode ouvir o tom produzido pela frequência natural do garfo.

Mas se você parar de vibrar o garfo atingido, ainda ouvirá o mesmo som. vindo do outro garfo. Como os dois garfos têm as mesmas frequências ressonantes, o movimento do ar causado pela vibração do ar causado pelo primeiro garfo também fez o segundo vibrar também.

A frequência ressonante específica para qualquer objeto depende em suas propriedades - por exemplo, para uma corda, depende de sua tensão, massa e comprimento.
Ondas sonoras em pé

Um padrão de onda em pé
é quando uma onda oscila, mas não parece mover-se. Na verdade, isso é causado pela superposição de duas ou mais ondas, viajando em direções diferentes, mas cada uma com a mesma frequência.

Como a frequência é a mesma, as cristas das ondas se alinham perfeitamente, e há interferência construtiva - em outras palavras, as duas ondas são somadas e produzem uma perturbação maior do que qualquer uma por si só. Essa interferência construtiva alterna com interferência destrutiva - onde as duas ondas se cancelam - para produzir o padrão de ondas estacionárias.

Se um som de certa frequência for criado perto de um tubo cheio de ar, uma onda sonora permanente pode ser criado no tubo. Isso produz ressonância, que amplifica o som produzido pela onda original. Esse fenômeno sustenta o funcionamento de muitos instrumentos musicais.
Ondas sonoras em um tubo aberto

Para um tubo aberto (ou seja, um tubo com extremidades abertas em cada lado), uma onda estacionária pode se formar se o O comprimento de onda do som permite que haja um antinodo em cada extremidade. Um nó
é um ponto em uma onda estacionária em que nenhum movimento ocorre, portanto permanece na posição de repouso, enquanto um antinó é um ponto em que há mais movimentos (o oposto de um nó).

O padrão de onda estacionária de menor frequência terá um antinodo em cada extremidade aberta do tubo, com um nó no meio. A frequência em que isso acontece é chamada de frequência fundamental ou o primeiro harmônico.

O comprimento de onda associado a essa frequência fundamental é 2_L_, onde comprimento L
refere-se ao comprimento do tubo. As ondas estacionárias podem ser criadas em frequências mais altas que a frequência fundamental, e cada uma adiciona um nó extra ao movimento. Por exemplo, o segundo harmônico é uma onda estacionária com dois nós, o terceiro harmônico tem três nós e assim por diante.

Onde a frequência fundamental é f
_{1, a frequência de o n_ésimo harmônico é dado por _f
n \u003d nf
1, e seu comprimento de onda é 2_L_ / n
, onde L
refere-se novamente ao comprimento do cano.
Ondas sonoras em um cano fechado}

Um cano fechado é aquele em que uma extremidade está aberta e a outra está fechada e, como canos abertos, eles podem se formar uma onda parada com som de uma frequência apropriada. Nesse caso, pode haver uma onda estacionária sempre que o comprimento de onda permitir um antinodo na extremidade aberta do tubo e um nó na extremidade fechada.

Para um tubo fechado, o padrão de onda estacionária de menor frequência ( a frequência fundamental ou primeiro harmônico) terá apenas um nó e um antinodo. Para um tubo fechado com comprimento L
, a onda estacionária fundamental é produzida quando o comprimento de onda é 4_L_.

Novamente, pode haver ondas estacionárias produzidas em frequências mais altas que a frequência fundamental, e estas são chamados harmônicos. No entanto, apenas harmônicos ímpares são possíveis com um tubo fechado, mas cada um deles ainda produz um número igual de nós e antinodos. A frequência do n_ésimo harmônico é _f
_{n \u003d nf
1, onde f
1 é a frequência fundamental e n
só pode ser estranho. O comprimento de onda do n_ésimo harmônico é 4_L
/ n
, lembrando novamente que n
deve ser um número inteiro ímpar.
Aplicações de ressonância de tubo aberto e fechado}

As aplicações mais conhecidas dos conceitos que você aprendeu são instrumentos musicais, particularmente instrumentos de sopro, como clarinete, flauta e saxofone. A flauta é um exemplo de um instrumento de tubo aberto e, portanto, produz ondas estacionárias e ressonância quando há um antinodo em ambas as extremidades.
Clarinetes e saxofones são exemplos de instrumentos de tubo fechado, que produzem ressonância quando há um nó na extremidade fechada (embora não esteja completamente fechado por causa do bocal, as ondas sonoras ainda refletem como se fosse) e um antinodo na extremidade aberta.

Obviamente, os buracos no real instrumentos do mundo complicam um pouco as coisas. No entanto, para simplificar um pouco a situação, o "comprimento efetivo" do tubo pode ser calculado com base na posição do primeiro orifício ou chave aberta. Finalmente, a vibração inicial que leva à ressonância é produzida por uma palheta vibratória ou pelos lábios do músico contra o bocal.