Fundamentos de Física, Volume 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica
Ondas Sonoras
A física dos sons está presente em artigos científicos de muitas especialidades. Vamos dar apenas alguns exemplos. Os fisiologistas estão interessados em saber como a fala é produzida, em corrigir defeitos de dicção, em reduzir a perda da audição, e até mesmo em evitar que uma pessoa ronque. Os engenheiros acústicos procuram melhorar a acústica das catedrais e das salas de concertos, reduzir o nível de ruído perto de rodovias e obras públicas e reproduzir sons musicais em sistemas de alto-falantes com o máximo de fidelidade. Os engenheiros aeronáuticos estudam as ondas de choque produzidas pelos caças supersônicos e o ruído dos jatos comerciais nas proximidades dos aeroportos. Os engenheiros biomédicos procuram descobrir o que os ruídos produzidos pelo coração e pelos pulmões significam em termos da saúde do paciente. Os paleontólogos tentam associar os ossos dos dinossauros ao modo como os animais emitiam sons. Os engenheiros militares verificam se é possível localizar um atirador de tocaia pelo som dos disparos, e, do lado mais ameno, os biólogos estudam o ronronar dos gatos.
Antes de começar a discutir a física dos sons, devemos responder à
seguinte pergunta: “O que são ondas sonoras?”
Ondas Sonoras
Como vimos no Capítulo 16, as ondas mecânicas necessitam de um meio material para se propagar. Existem dois tipos de ondas mecânicas: ondas transversais, nas quais as oscilações acontecem em uma direção perpendicular à direção de propagação da onda, e ondas longitudinais, nas quais as oscilações acontecem na direção de propagação da onda.
Neste livro, onda sonora é definida genericamente como qualquer onda
longitudinal. As equipes de prospecção usam essas ondas para sondar a crosta terrestre em busca de petróleo. Os navios possuem equipamentos de localização por meio do som (sonar) para detectar obstáculos submersos. Os submarinos usam ondas sonoras para emboscar outros submarinos ouvindo
os ruídos produzidos pelo sistema de propulsão. A Fig. 17-1 ilustra o uso de ondas sonoras para visualizar os tecidos moles dos seres vivos. Neste capítulo, vamos nos concentrar nas ondas sonoras que se propagam no ar e podem ser ouvidas pelas pessoas.
A Fig. 17-2 ilustra várias ideias que serão usadas em nossas discussões.
O ponto S representa uma pequena fonte sonora, chamada fonte pontual, que emite ondas sonoras em todas as direções. As frentes de onda e os raios indicam o espalhamento e as direções de propagação das ondas sonoras. Frentes de onda são superfícies nas quais as oscilações produzidas pelas ondas sonoras têm o mesmo valor; essas superfícies são representadas por circunferências completas ou parciais em um desenho bidimensional de uma fonte pontual. Raios são retas perpendiculares às frentes de onda que indicam as direções de propagação das frentes de onda. As setas duplas
sobrepostas aos raios da Fig. 17-2 indicam que as oscilações longitudinais do ar são paralelas aos raios.
Nas proximidades de uma fonte pontual como a da Fig. 17-2, as frentes
de onda são esféricas e se espalham em três dimensões; ondas desse tipo são chamadas de ondas esféricas. À medida que as frentes de onda se expandem e seu raio aumenta, a curvatura diminui. Muito longe da fonte, as frentes de onda são aproximadamente planas (ou retas, em desenhos bidimensionais); ondas desse tipo são chamadas de ondas planas.
Mauro Fermariello/SPL/Photo Researchers, Inc.
Figura 17-1 Esta tartaruga-cabeçuda está sendo examinada com ultrassom (uma frequência acima de nossa faixa de audição); uma imagem do interior do animal está sendo mostrada em um monitor que não aparece na foto.