Fundamentos de Física, Volume 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker · Capítulo 75 de 165

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Fundamentos de Física, Volume 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica

16-4 A Equação de Onda

 

Objetivo do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

16.17 No caso da função que descreve o deslocamento de um elemento de uma corda em função da posição

x e do tempo t, conhecer a relação entre a derivada segunda da função em relação a x e a derivada

segunda em relação a t.

 

Ideia-Chave

• A equação diferencial que governa a propagação de todos os tipos de ondas é

 

em que y é a direção de oscilação dos elementos que propagam a onda, x é a direção de propagação da onda e v é a velocidade da onda.

 

A Equação de Onda

Quando uma onda passa por um elemento de uma corda esticada, o elemento se move perpendicularmente à direção de propagação da onda (estamos falando de uma onda transversal). Aplicando a segunda lei de Newton ao movimento do elemento, podemos obter uma equação diferencial geral, chamada equação de onda, que governa a propagação de ondas de qualquer tipo.

A Fig. 16-11a mostra um instantâneo de um elemento de corda de massa dm e

comprimento ℓ quando uma onda se propaga em uma corda de massa específica μ que está esticada ao longo de um eixo x horizontal. Vamos supor que a amplitude da onda é tão pequena que o elemento sofre apenas uma leve inclinação em relação ao eixo x quando a onda passa. A força que age sobre a 2

extremidade direita do elemento possui um módulo igual à tração τ da corda e aponta ligeiramente para cima. A força que age sobre a extremidade esquerda 1

do elemento também possui um módulo igual à tração τ, mas aponta ligeiramente para baixo. Devido à curvatura do elemento, a resultante das forças é diferente de zero e produz no elemento uma aceleração a para cima. A aplicação da segunda y lei de Newton às componentes y (F = ma ) nos dá res,y y Vamos analisar por partes a Eq. (16-34), primeiro a massa dm, depois a componente a da aceleração, depois as componentes da força, F e F e, y 2y 1y finalmente, a força resultante que aparece do lado esquerdo da Eq. 16-34.

Massa. A massa dm do elemento pode ser escrita em termos da massa

específica μ da corda e do comprimento ℓ do elemento: dm = μ ℓ . Como a

inclinação do elemento é pequena, ℓ ≈ dx (Fig. 16-11a) e temos, aproximadamente,

 

Figura 16-11  (a) Um elemento da corda quando uma onda senoidal transversal se propaga em uma corda esticada. As forças e agem nas extremidades do elemento, produzindo uma aceleração com uma 1 2

componente vertical a . (b) A força na extremidade direita do elemento aponta na direção da reta tangente y

ao elemento nesse ponto.

 

Aceleração. A aceleração a da Eq. 16-34 é a derivada segunda do y

deslocamento y em relação ao tempo:

 

Forças. A Fig. 16-11b mostra que é tangente à corda na extremidade direita 2

do elemento; assim, podemos relacionar as componentes da força à inclinação S2 da extremidade direita da corda:

 

Podemos também relacionar as componentes ao módulo F (= τ): 2

 

ou Entretanto, como estamos supondo que a inclinação do elemento é pequena, F2y ≪ F e a Eq. 16-38 se torna 2x

 

Substituindo na Eq. 16-37 e explicitando F , obtemos 2y

 

Uma análise semelhante para a extremidade esquerda do elemento da corda nos dá

 

Força Resultante. Podemos agora substituir as Eqs. 16-35, 16-36, 16-40 e 16-

41 na Eq. 16-34 para obter

 

ou

 

Como o elemento de corda é curto, as inclinações S e S diferem apenas de um 2 1 valor infinitesimal dS, em que S é a inclinação em qualquer ponto:

 

Substituindo S – S na Eq. 16-42 por dS e usando a Eq. 16-43 para substituir S 2 1

por dy/dx, obtemos

 

e Na última passagem, mudamos a notação para derivadas parciais porque, no lado esquerdo da equação, derivamos apenas em relação a x, enquanto, no lado direito, derivamos apenas em relação a t. Finalmente, usando a Eq. 16-26