Problemas

Figura 16-27  Pergunta 9.

 

10 Se o sétimo harmônico é excitado em uma corda, (a) quantos nós estão presentes? (b) No ponto médio existe um nó, um antinó, ou um estado intermediário? Se, em seguida, é excitado o sexto harmônico, (c) o comprimento de onda da ressonância é maior ou menor que o do sétimo harmônico? (d) A frequência de ressonância é maior ou menor?

11 A Fig. 16-28 mostra os diagramas fasoriais de três situações nas quais duas ondas se propagam na mesma corda. As seis ondas têm a mesma amplitude. Ordene as situações de acordo com a amplitude da onda resultante, em ordem decrescente.

 

Figura 16-28  Pergunta 11.

 

Problemas

 

. - ... O número de pontos indica o grau de dificuldade do problema.

Informações adicionais disponíveis em O Circo Voador da

Física, de Jearl Walker, LTC, Rio de Janeiro, 2008.

 

Módulo 16-1 Ondas Transversais

·1 Se a função y(x, t) = (6,0 mm) sen(kx + (600 rad/s)t + ϕ) descreve uma onda que se propaga em uma corda, quanto tempo um ponto da corda leva para se mover entre os deslocamentos y = +2,0 mm e y = –2,0 mm?

·2 Uma onda humana. A ola é uma onda, criada pela torcida, que se

propaga nos estádios em eventos esportivos (Fig. 16-29). Quando a onda chega a um grupo de espectadores, eles ficam em pé com os braços levantados e depois tornam a se sentar. Em qualquer instante, a largura L da onda é a distância entre a borda dianteira (as pessoas que estão começando a se levantar) e a borda traseira (as pessoas que estão começando a se sentar). Suponha que uma ola percorre uma distância de 853 assentos de um estádio em 39 s e que os espectadores levam, em média, 1,8 s para responder à passagem da onda levantando-se e voltando a se sentar. Determine (a) a velocidade v da onda (em assentos por segundo) e (b) a largura L da onda (em número de assentos).

 

Figura 16-29  Problema 2.

 

·3 Uma onda tem uma frequência angular de 110 rad/s e um comprimento de onda de 1,80 m. Calcule (a) o número de onda e (b) a velocidade da onda.

·4 Um escorpião da areia pode detectar a presença de um besouro (sua

presa) pelas ondas que o movimento do besouro produz na superfície da

areia (Fig. 16-30). As ondas são de dois tipos: transversais, que se propagam com uma velocidade v = 50 m/s, e longitudinais, que se t propagam com uma velocidade v = 150 m/s. Se um movimento brusco l produz essas ondas, o escorpião é capaz de determinar a que distância se encontra o besouro a partir da diferença Δt entre os instantes em que as duas ondas chegam à perna que está mais próxima do besouro. Se Δt = 4,0 ms, a que distância está o besouro?

Figura 16-30  Problema 4.

 

·5 Uma onda senoidal se propaga em uma corda. O tempo necessário para que um ponto da corda se desloque do deslocamento máximo até zero é 0,170 s. (a) Qual é o período e (b) qual a frequência da onda? (c) O comprimento de onda é 1,40 m; qual é a velocidade da onda?

··6 Uma onda senoidal se propaga em uma corda sob tração. A Fig. 16-31 mostra a inclinação da corda em função da posição no instante t = 0. A escala do eixo x é definida por x = 0,80 m. Qual é a amplitude da onda? s

 

Figura 16-31  Problema 6.

 

··7 Uma onda senoidal transversal se propaga em uma corda no sentido positivo de um eixo x com uma velocidade de 80 m/s. No instante t = 0, uma partícula da corda situada em x = 0 possui um deslocamento transversal de 4,0 cm em relação à posição de equilíbrio e não está se movendo. A velocidade transversal máxima da partícula situada em x = 0 é 16 m/s. (a) Qual é a frequência da onda? (b) Qual é o comprimento de onda? Se a equação de onda é da forma y(x, t) = y sen(kx ± ωt + ϕ), m determine (c) y , (d) k, (e) ω, (f) ϕ e (g) o sinal que precede ω. m

··8 A Fig. 16-32 mostra a velocidade transversal u em função do tempo t para o ponto da uma corda situado em x = 0, quando uma onda passa pelo ponto. A escala do eixo vertical é definida por u = 4,0 m/s. A onda tem a s forma y(x, t) = y sen (kx – ωt + ϕ). Qual é o valor de ϕ? (Atenção: As m

calculadoras nem sempre mostram o valor correto de uma função trigonométrica inversa; por isso, verifique se o valor obtido para ϕ é o valor correto, substituindo-o na função y(x, t), usando um valor numérico qualquer para ω e plotando a função assim obtida.)

 

Figura 16-32  Problema 8.

 

··9 Uma onda senoidal que se propaga em uma corda é mostrada duas vezes

na Fig. 16-33, antes e depois que o pico A se desloque de uma distância d = 6,0 cm no sentido positivo de um eixo x em 4,0 ms. A distância entre as marcas do eixo horizontal é 10 cm; H = 6,0 mm. Se a equação da onda é da forma y(x, t) = y sen(kx ± ωt), determine (a) y , (b) k, (c) ω e (d) o sinal m m que precede ω.

 

Figura 16-33  Problema 9.

··10 A equação de uma onda transversal que se propaga em uma corda muito longa é y = 6,0 sen(0,020px + 4,0πt), em que x e y estão em centímetros e t em segundos. Determine (a) a amplitude, (b) o comprimento de onda, (c) a frequência, (d) a velocidade, (e) o sentido de propagação da onda e (f) a máxima velocidade transversal de uma partícula da corda. (g) Qual é o deslocamento transversal em x = 3,5 cm para t = 0,26 s?

··11 Uma onda transversal senoidal com um comprimento de onda de 20 cm se propaga em uma corda no sentido positivo de um eixo x. O

deslocamento y da partícula da corda situada em x = 0 é mostrado na Fig.

16-34 em função do tempo t. A escala do eixo vertical é definida por y = s 4,0 cm. A equação da onda é da forma y(x, t) = y sen(kx ± ωt + ϕ). (a) Em t m = 0, o gráfico de y em função de x tem a forma de uma função seno positiva ou de uma função seno negativa? Determine (b) y , (c) k, (d) ω, (e) ϕ, (f) o m sinal que precede ω e (g) a velocidade da onda. (h) Qual é a velocidade transversal da partícula em x = 0 para t = 5,0 s?

 

Figura 16-34  Problema 11.

 

··12 A função y(x, t) = (15,0 cm) cos(px – 15πt), com x em metros e t em segundos, descreve uma onda em uma corda esticada. Qual é a velocidade transversal de um ponto da corda no instante em que o ponto possui um deslocamento y = +12,0 cm?

··13 Uma onda senoidal de 500 Hz se propaga em uma corda a 350 m/s. (a) Qual é a distância entre dois pontos da corda cuja diferença de fase é π/3 rad? (b) Qual é a diferença de fase entre dois deslocamentos de um ponto da corda que acontecem com um intervalo de 1,00 ms?

 

Módulo 16-2 Velocidade da Onda em uma Corda Esticada

·14 A equação de uma onda transversal em uma corda é

 

y = (2,0 mm) sen[(20 m–1)x – (600 s–1)t].

A tração da corda é 15 N. (a) Qual é a velocidade da onda? (b) Determine a massa específica linear da corda em gramas por metro.

·15 Uma corda esticada tem uma massa específica linear de 5,00 g/cm e está sujeita a uma tração de 10,0 N. Uma onda senoidal na corda tem uma amplitude de 0,12 mm, uma frequência de 100 Hz e está se propagando no sentido negativo de um eixo x. Se a equação da onda é da forma y(x, t) = y m sen(kx ± ωt), determine (a) y , (b) k, (c) ω e (d) o sinal que precede ω. m

·16 A velocidade de uma onda transversal em uma corda é 170 m/s quando a tração da corda é 120 N. Qual deve ser o valor da tração para que a velocidade da onda aumente para 180 m/s?

 

·17 A massa específica linear de uma corda é 1,6 × 10–4 kg/m. Uma onda transversal na corda é descrita pela equação

 

y = (0,021 m) sen[(2,0 m–1)x + (30 s–1)t].

 

(a) Qual é a velocidade da onda e (b) qual é a tração da corda?

·18 A corda mais pesada e a corda mais leve de certo violino têm massas específicas lineares de 3,0 e 0,29 g/m, respectivamente. Qual é a razão entre o diâmetro da corda mais leve e o da corda mais pesada, supondo que as cordas são feitas do mesmo material?

·19 Qual é a velocidade de uma onda transversal em uma corda de 2,00 m de comprimento e 60,0 g de massa sujeita a uma tração de 500 N?

·20 A tração em um fio preso nas duas extremidades é duplicada sem que o comprimento do fio sofra uma variação apreciável. Qual é a razão entre a nova e a antiga velocidade das ondas transversais que se propagam no fio?

··21 Um fio de 100 g é mantido sob uma tração de 250 N com uma extremidade em x = 0 e a outra em x = 10,0 m. No instante t = 0, o pulso 1 começa a se propagar no fio a partir do ponto x = 10,0 m. No instante t = 30,0 ms, o pulso 2 começa a se propagar no fio a partir do ponto x = 0. Em que ponto x os pulsos começam a se superpor?

··22 Uma onda senoidal se propaga em uma corda com uma velocidade de 40 cm/s. O deslocamento da corda em x = 10 cm varia com o tempo de acordo com a equação y = (5,0 cm) sen[1,0 – (4,0 s–1)t]. A massa específica linear da corda é 4,0 g/cm. (a) Qual é a frequência e (b) qual o comprimento de onda da onda? Se a equação da onda é da forma y(x, t) = y sen(kx ± ωt), m determine (c) y , (d) k, (e) ω e (f) o sinal que precede ω. (g) Qual é a tração m

da corda?

··23 Uma onda transversal senoidal se propaga em uma corda no sentido

negativo de um eixo x. A Fig. 16-35 mostra um gráfico do deslocamento em função da posição no instante t = 0; a escala do eixo y é definida por y = s 4,0 cm. A tração da corda é 3,6 N e a massa específica linear é 25 g/m. Determine (a) a amplitude, (b) o comprimento de onda, (c) a velocidade da onda e (d) o período da onda. (e) Determine a velocidade transversal máxima de uma partícula da corda. Se a onda é da forma y(x, t) = y sen(kx m ± ωt + ϕ), determine (f) k, (g) ω, (h) ϕ e (i) o sinal que precede ω.

 

Figura 16-35  Problema 23.

 

···24 Na Fig. 16-36a, a corda 1 tem uma massa específica linear de 3,00 g/m e a corda 2 tem uma massa específica linear de 5,00 g/m. As cordas estão submetidas à tração produzida por um bloco suspenso, de massa M = 500 g. Calcule a velocidade da onda (a) na corda 1 e (b) na corda 2. (Sugestão: Quando uma corda envolve metade de uma polia, ela exerce sobre a polia uma força duas vezes maior que a tração da corda.) Em seguida, o bloco é dividido em dois blocos (com M + M = M) e o sistema 1 2

é montado como na Fig. 16-36b. Determine (c) M e (d) M para que as 1 2 velocidades das ondas nas duas cordas sejam iguais.

Figura 16-36  Problema 24.

 

 

···25 Uma corda homogênea de massa m e comprimento L está pendurada em um teto. (a) Mostre que a velocidade de uma onda transversal na corda é função de y, a distância da extremidade inferior, e é dada por . (b)

Mostre que o tempo que uma onda transversal leva para atravessar a corda é dado por .

 

Módulo 16-3 Energia e Potência de uma Onda Progressiva em uma Corda

·26 Uma corda na qual ondas podem se propagar tem 2,70 m de comprimento e 260 g de massa. A tração da corda é 36,0 N. Qual deve ser a frequência de ondas progressivas com uma amplitude de 7,70 mm para que a potência média seja 85,0 W?

··27 Uma onda senoidal é produzida em uma corda com uma massa específica linear de 2,0 g/m. Enquanto a onda se propaga, a energia cinética

dos elementos de massa ao longo da corda varia. A Fig. 16-37a mostra a taxa dK/dt com a qual a energia cinética passa pelos elementos de massa da

corda em certo instante em função da distância x ao longo da corda. A Fig.

16-37b é semelhante, exceto pelo fato de que mostra a taxa com a qual a energia cinética passa por um determinado elemento de massa (situado em certo ponto da corda) em função do tempo t. Nos dois casos, a escala do eixo vertical é definida por R = 10 W. Qual é a amplitude da onda? s

 

Figura 16-37  Problema 27.

 

Módulo 16-4 A Equação de Onda

·28 Use a equação de onda para determinar a velocidade de uma onda dada por

 

y(x, t) = (3,00 mm) sen[(4,00 m–1)x – (7,00 s–1)t].

 

··29 Use a equação de onda para determinar a velocidade de uma onda dada por

 

y(x, t) = (2,00 mm) [(20 m–1)x – (4,00 s–1)t]0,5.

 

···30 Use a equação de onda para determinar a velocidade de uma onda dada em termos de uma função genérica h(x, t):

 

y(x, t) = (4,00 mm) h[(30 m–1)x + (6,0 s–1)t].

 

Módulo 16-5 Interferência de Ondas

·31 Duas ondas progressivas iguais, que se propagam no mesmo sentido, estão defasadas de π/2 rad. Qual é a amplitude da onda resultante em termos da amplitude comum y das duas ondas? m

·32 Que diferença de fase entre duas ondas iguais, a não ser pela constante de fase, que se propagam no mesmo sentido em corda esticada, produz uma onda resultante de amplitude 1,5 vez a amplitude comum das duas ondas? Expresse a resposta (a) em graus, (b) em radianos e (c) em comprimentos de onda.

··33 Duas ondas senoidais com a mesma amplitude de 9,00 mm e o mesmo comprimento de onda se propagam em uma corda esticada ao longo de um

eixo x. A onda resultante é mostrada duas vezes na Fig. 16-38, antes e depois que o vale A se desloque de uma distância d = 56,0 cm em 8,0 ms. A distância entre as marcas do eixo horizontal é 10 cm; H = 8,0 mm. A equação de uma das ondas é da forma y(x, t) = y sen(kx ± ωt + ϕ ), em que m 1 ϕ = 0; cabe ao leitor determinar o sinal que precede ω. Na equação da outra 1

onda, determine (a) y , (b) k, (c) ω, (d) ϕ e (e) o sinal que precede ω. m 2

 

Figura 16-38  Problema 33.

 

···34 Uma onda senoidal de frequência angular de 1200 rad/s e amplitude 3,00 mm é produzida em uma corda de massa específica linear 2,00 g/m e 1200 N de tração. (a) Qual é a taxa média com a qual a energia é transportada pela onda para a extremidade oposta da corda? (b) Se, ao mesmo tempo, uma onda igual se propaga em uma corda vizinha, de mesmas características, qual é a taxa média total com a qual a energia é transportada pelas ondas para as extremidades opostas das duas cordas? Se, em vez disso, as duas ondas são produzidas ao mesmo tempo na mesma corda, qual é a taxa média total com a qual elas transportam energia quando a diferença de fase entre as duas ondas é (c) 0, (d) 0,4π rad e (e) π rad?

 

Módulo 16-6 Fasores

·35 Duas ondas senoidais de mesma frequência se propagam no mesmo sentido em uma corda. Se y = 3,0 cm, y = 4,0 cm, ϕ = 0 e ϕ = π/2 rad, m1 m2 1 2 qual é a amplitude da onda resultante?

··36 Quatro ondas são produzidas na mesma corda e no mesmo sentido:

y (x, t) = (4,00 mm) 1 sen(2πx – 400πt) y (x, t) = (4,00 mm) 2 sen(2πx – 400pt + 0,7π) y (x, t) = (4,00 mm) 3 sen(2πx – 400πt + π) y (x, t) = (4,00 mm) 4 sen(2πx – 400πt + 1,7π).

 

Qual é a amplitude da onda resultante?

··37 Duas ondas se propagam na mesma corda:

 

y (x, t) = (4,60 mm) 1 sen(2πx – 400πt) y (x, t) = (5,60 mm) 2 sen(2πx – 400πt + 0,80π rad).

 

(a) Qual é a amplitude e (b) qual o ângulo de fase (em relação à onda 1) da onda resultante? (c) Se uma terceira onda de amplitude 5,00 mm também se propaga na corda no mesmo sentido que as duas primeiras, qual deve ser o ângulo de fase para que a amplitude da nova onda resultante seja máxima?

··38 Duas ondas senoidais de mesma frequência e mesmo sentido são produzidas em uma corda esticada. Uma das ondas tem uma amplitude de 5,0 mm e a outra uma amplitude de 8,0 mm. (a) Qual deve ser a diferença de fase ϕ entre as duas ondas para que a amplitude da onda resultante seja a 1

menor possível? (b) Qual é essa amplitude mínima? (c) Qual deve ser a diferença de fase ϕ entre as duas ondas para que a amplitude da onda 2

resultante seja a maior possível? (d) Qual é essa amplitude máxima? (e) Qual é a amplitude resultante se o ângulo de fase é (ϕ – ϕ )/2? 1 2

··39 Duas ondas senoidais de mesmo período, com 5,0 e 7,0 mm de amplitude, se propagam no mesmo sentido em uma corda esticada, na qual produzem uma onda resultante com uma amplitude de 9,0 mm. A constante de fase da onda de 5,0 mm é 0. Qual é a constante de fase da onda de 7,0 mm?

 

Módulo 16-7 Ondas Estacionárias e Ressonância

·40 Duas ondas senoidais com comprimentos de onda e amplitudes iguais se propagam em sentidos opostos em uma corda com uma velocidade de 10 cm/s. Se o intervalo de tempo entre os instantes nos quais a corda fica reta é 0,50 s, qual é o comprimento de onda das ondas?

·41 Uma corda fixa nas duas extremidades tem 8,40 m de comprimento, uma massa de 0,120 kg e uma tração de 96,0 N. (a) Qual é a velocidade das ondas na corda? (b) Qual é o maior comprimento de onda possível para uma onda estacionária na corda? (c) Determine a frequência dessa onda.

 

·42 Uma corda submetida a uma tração τ oscila no terceiro harmônico com i uma frequência f , e as ondas na corda têm um comprimento de onda λ . Se 3 3 a tração é aumentada para τ = 4τ e a corda é novamente posta para oscilar f τ no terceiro harmônico, (a) qual é a frequência de oscilação em termos de f3 e (b) qual o comprimento de onda das ondas em termos de λ ? 3

·43 Determine (a) a menor frequência, (b) a segunda menor frequência e (c) a terceira menor frequência das ondas estacionárias em um fio com 10,0 m de comprimento, 100 g de massa e 250 N de tração.

·44 Uma corda com 125 cm de comprimento tem uma massa de 2,00 g e uma tração de 7,00 N. (a) Qual é a velocidade de uma onda na corda? (b) Qual é a menor frequência de ressonância da corda?

·45 Uma corda que está esticada entre suportes fixos separados por uma distância de 75,0 cm apresenta frequências de ressonância de 420 e 315 Hz, com nenhuma outra frequência de ressonância entre os dois valores. Determine (a) a menor frequência de ressonância e (b) a velocidade da onda.

·46 A corda A está esticada entre duas presilhas separadas por uma distância L. A corda B, com a mesma massa específica linear e a mesma tração que a corda A, está esticada entre duas presilhas separadas por uma distância igual a 4L. Considere os primeiros oito harmônicos da corda B. Para quais dos oito harmônicos de B a frequência coincide com a frequência (a) do primeiro harmônico de A, (b) do segundo harmônico de A e (c) do terceiro harmônico de A?

·47 Uma das frequências harmônicas de uma certa corda sob tração é 325 Hz. A frequência harmônica seguinte é 390 Hz. Qual é a frequência harmônica que se segue à frequência harmônica de 195 Hz?

·48 Se uma linha de transmissão em um clima frio fica coberta de

gelo, o aumento do diâmetro leva à formação de vórtices no vento que passa. As variações de pressão associadas aos vórtices podem fazer a linha oscilar (galopar), principalmente se a frequência das variações de pressão coincidir com uma das frequências de ressonância da linha. Em linhas compridas, as frequências de ressonância estão tão próximas que praticamente qualquer velocidade do vento pode excitar um modo de ressonância com amplitude suficiente para derrubar as torres de sustentação ou curto-circuitar as linhas. Se uma linha de transmissão tem um comprimento de 347 m, uma massa específica linear de 3,35 kg/m e uma tração de 65,2 MN, (a) qual é a frequência do modo fundamental e (b) qual é a diferença de frequência entre modos sucessivos?

·49 Uma corda de violão, feita de náilon, tem uma massa específica linear de 7,20 g/m e está sujeita a uma tração de 150 N. Os suportes fixos estão separados por uma distância D = 90,0 cm. A corda está oscilando da forma

mostrada na Fig. 16-39. Calcule (a) a velocidade, (b) o comprimento de onda e (c) a frequência das ondas progressivas cuja superposição produz a onda estacionária.

 

Figura 16-39  Problema 49.

 

··50 Uma onda estacionária transversal em uma corda longa possui um antinó em x = 0 e um nó vizinho em x = 0,10 m. O deslocamento y(t) da

partícula da corda situada em x = 0 é mostrado na Fig. 16-40, em que a escala do eixo y é definida por y = 4,0 cm. Para t = 0,50 s, qual é o s deslocamento da partícula da corda situada (a) em x = 0,20 m e (b) em x = 0,30 m? Qual é a velocidade transversal da partícula situada em x = 0,20 m (c) no instante t = 0,50 s e (d) no instante t = 1,0 s? (e) Plote a onda estacionária, no intervalo de x = 0 a x = 0,40 m, para o instante t = 0,50 s.

 

Figura 16-40  Problema 50.

 

··51 Duas ondas são geradas em uma corda com 3,0 m de comprimento para produzir uma onda estacionária de três meios comprimentos de onda com uma amplitude de 1,0 cm. A velocidade da onda é 100 m/s. A equação de uma das ondas é da forma y(x, t) = y sen(kx 1 ωt). Na equação da outra m onda, determine (a) y , (b) k, (c) ω e (d) o sinal que precede ω. m

··52 Uma corda sujeita a uma tração de 200 N, fixa nas duas extremidades, oscila no segundo harmônico de uma onda estacionária. O deslocamento da corda é dado por

 

y = (0,10 m)(sen πx/2) sen 12πt,

 

em que x = 0 em uma das extremidades da corda, x está em metros e t está em segundos. Determine (a) o comprimento da corda, (b) a velocidade das ondas na corda e (c) a massa da corda. (d) Se a corda oscilar no terceiro harmônico de uma onda estacionária, qual será o período de oscilação?

··53 Uma corda oscila de acordo com a equação

 

(a) Qual é a amplitude e (b) qual a velocidade das duas ondas (iguais, exceto pelo sentido de propagação) cuja superposição produz essa oscilação? (c) Qual é a distância entre os nós? (d) Qual é a velocidade transversal de uma partícula da corda no ponto x = 1,5 cm para t = 9/8 s?

··54 Duas ondas senoidais com a mesma amplitude e o mesmo comprimento de onda se propagam simultaneamente em uma corda esticada

ao longo de um eixo x. A onda resultante é mostrada duas vezes na Fig. 16-

41, uma vez com o antinó A na posição de máximo deslocamento para cima, e outra vez, 6,0 ms depois, com o antinó A na posição de máximo deslocamento para baixo. A distância entre as marcas do eixo x é 10 cm; H = 1,80 cm. A equação de uma das duas ondas é da forma y(x, t) = y sen(kx m + ωt). Na equação da outra onda, determine (a) y , (b) k, (c) ω e (d) o sinal m que precede ω.

 

Figura 16-41  Problema 54.

 

··55 As duas ondas a seguir se propagam em sentidos opostos em uma corda horizontal, criando uma onda estacionária em um plano vertical:

 

y (x, t) = (6,00 mm) sen(4,00πx – 400 πt) 1

y (x, t) = (6,00 mm) sen(4,00πx + 400 πt), 2

 

em que x está em metros e t em segundos. Existe um antinó no ponto A. No intervalo de tempo que esse ponto leva para passar da posição de deslocamento máximo para cima para a posição de deslocamento máximo para baixo, qual é o deslocamento das ondas ao longo da corda?

··56 Uma onda estacionária em uma corda é descrita pela equação

 

y(x, t) = 0,040 (sen 5πx)(cos 40 πt),

 

em que x e y estão em metros e t em segundos. Para x ≥ 0, qual é a localização do nó com (a) o menor, (b) com o segundo menor e (c) com o terceiro menor valor de x? (d) Qual é o período do movimento oscilatório em qualquer ponto que não seja um nó? (e) Qual é a velocidade e (f) qual a amplitude das duas ondas progressivas que interferem para produzir a onda? Para t ≥ 0, determine (g) o primeiro, (h) o segundo e (i) o terceiro instante em que todos os pontos da corda possuem velocidade transversal nula.

··57 Um gerador em uma das extremidades de uma corda muito longa produz uma onda dada por

 

e um gerador na outra extremidade produz a onda

 

Calcule (a) a frequência, (b) o comprimento de onda e (c) a velocidade de cada onda. Para x ≥ 0, qual é a posição do nó (d) com o menor, (e) com o segundo menor, e (f) com o terceiro menor valor de x? Para x ≥ 0, qual é a posição do antinó (g) com o menor, (h) com o segundo menor e (i) com o terceiro menor valor de x?

··58 Na Fig. 16-42, uma corda, presa a um oscilador senoidal no ponto P e apoiada em um suporte no ponto Q, é tensionada por um bloco de massa m. A distância entre P e Q é L = 1,20 m, a massa específica linear da corda é μ = 1,6 g/m e a frequência do oscilador é f = 120 Hz. A amplitude do deslocamento do ponto P é suficientemente pequena para que esse ponto seja considerado um nó. Também existe um nó no ponto Q. (a) Qual deve ser o valor da massa m para que o oscilador produza na corda o quarto harmônico? (b) Qual é o modo produzido na corda pelo oscilador para m = 1,00 kg (se isso for possível)?

 

Figura 16-42  Problemas 58 e 60.

 

···59 Na Fig. 16-43, um fio de alumínio, de comprimento L = 60,0 cm, 1 seção reta 1,00 × 10–2 cm2 e massa específica 2,60 g/cm3, está soldado a um fio de aço, de massa específica 7,80 g/cm3 e mesma seção reta. O fio composto, tensionado por um bloco de massa m = 10,0 kg, está disposto de tal forma que a distância L entre o ponto de solda e a polia é 86,6 cm. 2

Ondas transversais são excitadas no fio por uma fonte externa de frequência variável; um nó está situado na polia. (a) Determine a menor frequência que produz uma onda estacionária tendo o ponto de solda como um dos nós. (b) Quantos nós são observados para essa frequência?

 

Figura 16-43  Problema 59.

 

···60 Na Fig. 16-42, uma corda, presa a um oscilador senoidal no ponto P e apoiada em um suporte no ponto Q, é tensionada por um bloco de massa m. A distância entre P e Q é L = 1,20 m, e a frequência do oscilador é f = 120 Hz. A amplitude do deslocamento do ponto P é suficientemente pequena para que esse ponto seja considerado um nó. Também existe um nó no ponto Q. Uma onda estacionária aparece quando a massa do bloco é 286,1 g ou 447,0 g, mas não aparece para nenhuma massa entre os dois valores. Qual é a massa específica linear da corda?

 

Problemas Adicionais

61 Em um experimento com ondas estacionárias, uma corda de 90 cm de comprimento está presa a um dos braços de um diapasão excitado eletricamente, que oscila perpendicularmente à corda com uma frequência de 60 Hz. A massa da corda é 0,044 kg. A que tração a corda deve ser submetida (há pesos amarrados na outra extremidade) para que oscile com dois comprimentos de onda?

62 Uma onda senoidal transversal que se propaga no sentido positivo de um eixo x tem uma amplitude de 2,0 cm, um comprimento de onda de 10 cm e uma frequência de 400 Hz. Se a equação da onda é da forma y(x, t) = ym sen(kx ± ωt), determine (a) y , (b) k, (c) ω e (d) o sinal que precede ω. (e) m Qual é a velocidade transversal máxima de um ponto da corda e (f) qual a velocidade da onda?

63 Uma onda tem uma velocidade de 240 m/s e um comprimento de onda de 3,2 m. (a) Qual é a frequência e (b) qual é o período da onda?

64 A equação de uma onda transversal que se propaga em uma corda é

 

y = 0,15 sen(0,79x – 13t),

 

em que x e y estão em metros e t está em segundos. (a) Qual é o deslocamento y em x = 2,3 m e t = 0,16 s? Uma segunda onda é combinada com a primeira para produzir uma onda estacionária na corda. Se a equação da segunda onda é da forma y(x,t) = y sen(kx ± ωt), determine (b) y , (c) k, m m (d) ω e (e) o sinal que precede ω. (f) Qual é o deslocamento da onda estacionária em x = 2,3 m e t = 0,16 s?

65 A equação de uma onda transversal que se propaga em uma corda é

 

y = (2,0 mm) sen[(20 m–1)x – (600 s–1)t].

 

Determine (a) a amplitude, (b) a frequência, (c) a velocidade (incluindo o sinal) e (d) o comprimento de onda da onda. (e) Determine a velocidade transversal máxima de uma partícula da corda.

66 Fig. 16-44 mostra o deslocamento y do ponto de uma corda situado em x = 0 em função do tempo t quando uma onda passa pelo ponto. A escala do eixo y é definida por y = 6,0 mm. A onda tem a forma y(x, t) = y sen(kx – s m ωt + ϕ). Qual é o valor de ϕ? (Atenção: As calculadoras nem sempre mostram o valor correto de uma função trigonométrica inversa; por isso, verifique se o valor obtido para ϕ é o valor correto, substituindo-o na função y(x, t), usando um valor numérico qualquer para ω e plotando a função assim obtida.)

 

Figura 16-44  Problema 66.

67 Duas ondas senoidais iguais, a não ser pela fase, se propagam no mesmo sentido em uma corda, produzindo uma onda resultante y′(x, t) = (3,0 mm) sen(20x – 4,0t + 0,820 rad), com x em metros e t em segundos. Determine (a) o comprimento de onda λ das duas ondas, (b) a diferença de fase entre as duas ondas e (c) a amplitude y das duas ondas. m

68 Um pulso isolado, cuja forma de onda é dada por h(x – 5t), com x em

centímetros e t em segundos, é mostrado na Fig. 16-45 para t = 0. A escala do eixo vertical é definida por h = 2. (a) Qual é a velocidade e (b) qual o s sentido de propagação do pulso? (c) Plote h(x – 5t) em função de x para t = 2 s. (d) Plote h(x – 5t) em função de t para x = 10 cm.

 

Figura 16-45  Problema 68.

 

69 Três ondas senoidais de mesma frequência se propagam em uma corda no sentido positivo de um eixo x. As amplitudes das ondas são y , y /2 e y /3 1 1 1 e as constantes de fase são 0, π/2 e π, respectivamente. (a) Qual é a amplitude e (b) qual a constante de fase da onda resultante? (c) Plote a onda resultante no instante t = 0 e discuta o comportamento da onda quando t aumenta.

 

70 A Fig. 16-46 mostra a aceleração transversal a do ponto x = 0 de uma y corda em função do tempo t, quando uma onda com a forma geral y(x, t) = y sen(kx – ωt + ϕ) passa pelo ponto. A escala do eixo vertical é definida m

por a = 400 m/s2. Qual é o valor de ϕ? (Atenção: As calculadoras nem s

sempre mostram o valor correto de uma função trigonométrica inversa; por isso, verifique se o valor obtido para ϕ é o valor correto, substituindo-o na função y(x, t), usando um valor numérico qualquer para ω e plotando a função assim obtida.)

Figura 16-46  Problema 70.

 

71 Uma onda transversal senoidal é gerada em uma extremidade de uma longa corda horizontal por uma barra que se move para cima e para baixo ao longo de uma distância de 1,00 cm. O movimento é contínuo e é repetido regularmente 120 vezes por segundo. A corda tem uma massa específica linear de 120 g/m e é mantida sob uma tração de 90,0 N. Determine o valor máximo (a) da velocidade transversal u e (b) da componente transversal da tração τ. (c) Mostre que os dois valores máximos calculados acima ocorrem para os mesmos valores da fase da onda. Qual é o deslocamento transversal y da corda nessas fases? (d) Qual é a taxa máxima de transferência de energia ao longo da corda? (e) Qual é o deslocamento transversal y quando a taxa de transferência de energia é máxima? (f) Qual é a taxa mínima de transferência de energia ao longo da corda? (g) Qual é o deslocamento transversal y quando a taxa de transferência de energia é mínima?

72 Duas ondas senoidais de 120 Hz, de mesma amplitude, se propagam no sentido positivo de um eixo x em uma corda sob tração. As ondas podem

ser geradas em fase ou defasadas. A Fig. 16-47 mostra a amplitude y’ da onda resultante em função da distância de defasagem (distância entre as ondas no mesmo instante). A escala do eixo vertical é definida por y′ = 6,0 s mm. Se as equações das duas ondas são da forma y(x, t) = y sen(kx ± ωt), m determine (a) y , (b) k, (c) ω e (d) o sinal que precede ω. m

 

Figura 16-47  Problema 72.

73 No instante t = 0 e na posição x = 0 de uma corda, uma onda senoidal progressiva com uma frequência angular de 440 rad/s tem um deslocamento y = 14,5 mm e uma velocidade transversal u = –0,75 m/s. Caso a onda tenha a forma geral y(x, t) = y sen(kx – ωt + ϕ), qual é a constante de fase ϕ? m

 

74 A energia é transmitida a uma taxa P por uma onda de frequência f em 1 1 uma corda sob uma tração τ . Qual é a nova taxa de transmissão de energia 1

P , em termos de P , (a) se a tração é aumentada para τ = 4τ e (b) se, em 2 1 2 1 vez disso, a frequência é reduzida para f = f /2? 2 1

75 (a) Qual é a onda transversal mais rápida que pode ser produzida em um fio de aço? Por motivos de segurança, a tração máxima à qual um fio de aço deve ser submetido é 7,00 × 108 N/m2. A massa específica do aço é 7800 kg/m3. (b) A resposta depende do diâmetro do fio?

76 Uma onda estacionária resulta da soma de duas ondas transversais progressivas dadas por

 

y = 0,050 cos(πx – 4πt) 1

y = 0,050 cos(πx + 4πt), 2

 

em que x, y e y estão em metros e t está em segundos. (a) Qual é o menor 1 2

valor positivo de x que corresponde a um nó? Começando em t = 0, determine (b) o primeiro, (c) o segundo e (d) o terceiro instante em que a partícula situada em x = 0 tem velocidade nula.

77 A borracha usada em algumas bolas de beisebol e de golfe obedece à lei de Hooke para uma larga faixa de alongamentos. Uma tira desse material tem um comprimento ℓ no estado relaxado e uma massa m. Quando uma força F é aplicada, a tira sofre um alongamento Δℓ. (a) Qual é a velocidade (em termos de m, Δℓ e da constante elástica k) das ondas transversais nessa tira de borracha sob tração? (b) Use a resposta do item (a) para mostrar que o tempo necessário para que um pulso transversal atravesse a tira de borracha é proporcional a se Δℓ ≪ ℓ e é constante se Δℓ ≫ ℓ.

78 A velocidade no vácuo das ondas eletromagnéticas (como as ondas de luz visível, as ondas de rádio e os raios X) é 3,0 × 108 m/s. (a) Os comprimentos de onda da luz visível vão de aproximadamente 400 nm no violeta a 700 nm no vermelho. Qual é o intervalo de frequências dessas ondas? (b) O intervalo de frequências das ondas curtas de rádio (como as ondas de rádio FM e de VHF da televisão) é de 1,5 a 300 MHz. Qual é o intervalo de comprimentos de onda correspondente? (c) Os comprimentos de onda dos raios X vão de aproximadamente 5,0 nm a 1,0 × 10–2 nm. Qual é o intervalo de frequências dos raios X?

79 Um fio de 1,50 m de comprimento tem uma massa de 8,70 g e está sob uma tração de 120 N. O fio é fixado rigidamente nas duas extremidades e posto para oscilar. (a) Qual é a velocidade das ondas no fio? Qual é o comprimento de onda das ondas que produzem ondas estacionárias (b) com meio comprimento de onda e (c) com um comprimento de onda? Qual é a frequência das ondas que produzem ondas estacionárias (d) com meio comprimento de onda e (e) com um comprimento de onda?

80 A menor frequência de ressonância de uma corda de um violino é a da nota lá de concerto (440 Hz). Qual é a frequência (a) do segundo e (b) do terceiro harmônico da corda?

81 Uma onda senoidal transversal que se propaga no sentido negativo de um eixo x tem uma amplitude de 1,00 cm, uma frequência de 550 Hz e uma velocidade de 330 m/s. Se a equação da onda é da forma y(x, t) = y sen(kx m ± ωt), determine (a) y , (b) ω, (c) k e (d) o sinal que precede ω. m

82 Duas ondas senoidais de mesmo comprimento de onda se propagam no mesmo sentido em uma corda esticada. Para a onda 1, y = 3,0 mm e ϕ = 0; m para a onda 2, y = 5,0 mm e ϕ = 70º. (a) Qual é a amplitude e (b) qual a m

constante de fase da onda resultante?

 

83 Uma onda transversal senoidal de amplitude y e comprimento de onda λ m se propaga em uma corda esticada. (a) Determine a razão entre a velocidade máxima de uma partícula (a velocidade com a qual uma partícula da corda se move na direção transversal à corda) e a velocidade da onda. (b) Essa razão depende do material do qual é feita a corda?

84 As oscilações de um diapasão de 600 Hz produzem ondas estacionárias em uma corda presa nas duas extremidades. A velocidade das ondas na corda é 400 m/s. A onda estacionária tem dois comprimentos de onda e uma amplitude de 2,0 mm. (a) Qual é o comprimento da corda? (b) Escreva uma expressão para o deslocamento da corda em função da posição e do tempo. 85 Uma corda de 120 cm de comprimento está esticada entre dois suportes fixos. Determine (a) o maior, (b) o segundo maior e (c) o terceiro maior comprimento de onda das ondas que se propagam na corda para produzir ondas estacionárias. (d) Esboce essas ondas estacionárias.

86 (a) Escreva uma equação que descreva uma onda transversal senoidal se propagando em uma corda no sentido positivo de um eixo y com um número de onda de 60 cm–1, um período de 0,20 s e uma amplitude de 3,0 mm. Tome a direção transversal como a direção z. (b) Qual é a velocidade transversal máxima de um ponto da corda?

87 Uma onda em uma corda é descrita pela equação

 

y(x, t) = 15,0 sen(πx/8 – 4πt),

 

em que x e y estão em centímetros e t está em segundos. (a) Qual é a velocidade transversal de um ponto da corda situado em x = 6,00 cm para t = 0,250 s? (b) Qual é a máxima velocidade transversal em qualquer ponto da corda? (c) Qual é o módulo da aceleração transversal em um ponto da corda situado em x = 6,00 cm para t = 0,250s? (d) Qual é o módulo da aceleração transversal máxima em qualquer ponto da corda?

88 Colete à prova de balas. Quando um projétil veloz, como uma bala ou um fragmento de bomba, atinge um colete à prova de balas moderno, o tecido do colete detém o projétil e impede a perfuração dispersando rapidamente a energia por uma grande área. Essa dispersão é realizada por pulsos longitudinais e transversais que se afastam radialmente do ponto de impacto, no qual o projétil produz no tecido uma depressão em forma de cone. O pulso longitudinal, que se propaga ao longo das fibras do tecido com velocidade v , faz com que as fibras se afinem e se distendam, com l

uma transferência radial de massa na direção do ponto de impacto. Uma

dessas fibras radiais é mostrada na Fig. 16-48a. Parte da energia do projétil é dissipada na deformação dessas fibras. O pulso transversal, que se propaga com uma velocidade menor v , está associado à depressão. À t medida que o projétil penetra no tecido, o raio da depressão aumenta, fazendo com que o material do colete se mova na mesma direção que o projétil (perpendicularmente à direção de propagação do pulso transversal). O resto da energia do projétil é dissipado nesse movimento. Toda a energia que não está envolvida na deformação permanente das fibras é convertida em energia térmica.

 

Figura 16-48  Problema 88.

 

A Fig. 16-48b mostra um gráfico da velocidade v em função do tempo t

para uma bala com uma massa de 10,2 g disparada por um revólver .38 Special em um colete à prova de balas. As escalas dos eixos vertical e horizontal são definidas por v = 300 m/s e τ = 40,0 ms. Suponha que v = s s l 2000 m/s e que o meio ângulo θ da depressão causada pela bala é 60o. No final da colisão, qual é o raio (a) da região deformada e (b) da depressão (supondo que a pessoa que usava o colete tenha permanecido imóvel)?

89 Duas ondas são descritas por

 

y = 0,30 sen[π(5x – 1 200t)]

 

e

 

y = 0,30 sen[π(5x – 2 200t) + π/3], em que y , y e x estão em metros e t está em segundos. Quando as duas 1 2

ondas são combinadas, é produzida uma onda progressiva. Determine (a) a amplitude, (b) a velocidade e (c) o comprimento de onda da onda progressiva.

90 Uma onda transversal senoidal com um comprimento de onda de 20 cm

está se propagando no sentido positivo de um eixo x. A Fig. 16-49 mostra a velocidade transversal da partícula situada em x = 0 em função do tempo; a escala do eixo vertical é definida por u = 5,0 cm/s. Determine (a) a s velocidade, (b) a amplitude e (c) a frequência da onda. (d) Plote a onda entre x = 0 e x = 20 cm para o instante t = 2,0 s.

 

Figura 16-49  Problema 90.

 

91 Em uma experiência de laboratório, uma corda horizontal de 1,2 kg é fixada nas duas extremidades (x = 0 e x = 2,0 m) e colocada para oscilar para cima e para baixo no modo fundamental, com uma frequência de 5,0 Hz. No instante t = 0, o ponto situado em x = 1,0 m tem deslocamento nulo e está se movendo para cima, no sentido positivo de um eixo y, com uma velocidade transversal de 5,0 m/s. (a) Qual é a amplitude do movimento nesse ponto e (b) qual a tração da corda? (c) Escreva a equação da onda estacionária para o modo fundamental.

92 Duas ondas,

 

y = (2,50 mm) sen[(25,1 rad/m)x – (440 rad/s)t] 1

y = (1,50 mm) sen[(25,1 rad/m)x + (440 rad/s)t], 2

 

se propagam em uma corda esticada. (a) Plote a onda resultante em função de t para x = 0, λ/8, λ/4, 3λ/8 e λ/2, em que λ é o comprimento de onda. Os gráficos devem se estender de t = 0 até pouco mais de um período. (b) A onda resultante é a superposição de uma onda estacionária e uma onda progressiva. Em que sentido se propaga a onda progressiva? (c) Como devem ser mudadas as ondas originais para que a onda resultante seja uma superposição de uma onda estacionária e uma onda progressiva com as mesmas amplitudes que antes, mas com a onda progressiva se propagando no sentido oposto? Use os gráficos do item (a) para determinar o local em que a amplitude das oscilações é (d) máxima e (e) mínima. (f) Qual é a relação entre a amplitude máxima das oscilações e as amplitudes das duas ondas originais? (g) Qual é a relação entre a amplitude mínima das oscilações e as amplitudes das duas ondas originais?

93 Uma onda progressiva em uma corda é descrita pela equação

 

em que x e y estão em centímetros e t em segundos. (a) Para t = 0, plote y em função de x para 0 ≤ x ≤ 160 cm. (b) Repita o item (a) para t = 0,05 s e para t = 0,10 s. A partir desses gráficos, determine (c) a velocidade da onda e (d) o sentido de propagação da onda.

94 A Fig. 16-50 mostra um anel circular, feito de corda, que gira em torno do ponto central em um local em que a gravidade é desprezível. O raio do anel é 4,00 cm e a velocidade tangencial de um elemento da corda é 5,00 cm/s. A corda é posta para vibrar na direção radial. Com que velocidade as ondas transversais se propagam ao longo do anel? (Sugestão: Aplique a segunda lei de Newton a um segmento pequeno, mas finito, da corda.)

 

Figura 16-50  Problema 94.

 

95 Uma onda progressiva de amplitude A incide em uma interface. A onda refletida, de amplitude menor B, se combina com a onda incidente. A figura

de interferência resultante é mostrada na Fig. 16-51. A relação de onda estacionária é definida pela equação

Figura 16-51  Problema 95.

 

 

O coeficiente de reflexão R é a razão entre a potência da onda refletida e a potência da onda incidente, o que significa que é proporcional a (B/A)2. Qual é o valor da ROE (a) para reflexão total e (b) para reflexão nula? (c) Qual é o coeficiente de reflexão, em termos percentuais, para ROE = 1,50?

96 Considere um segmento entre dois nós de uma onda estacionária criada por duas ondas, com uma amplitude de 5,00 mm e uma frequência de 120 Hz, que se propagam em sentidos opostos em uma corda com 2,25 m de comprimento e 125 g de massa, submetida a uma tração de 40 N. A que taxa a energia entra no segmento (a) vindo de um lado da corda e (b) vindo dos dois lados da corda? (c) Qual é a energia cinética máxima da corda no segmento durante as oscilações?

 

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