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Ondas em meios elásticos

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Ondas em meios elásticos
Versão preliminar
28 de janeiro de 2004
Notas de Aula de Física
17. ONDAS I - ONDAS EM MEIOS ELÁSTICOS............................................................... 2
ONDAS E PARTÍCULAS ......................................................................................................... 2
ONDAS .............................................................................................................................. 2
ONDAS TRANSVERSAIS E LONGITUDINAIS .............................................................................. 2
ONDAS PROGRESSIVAS ....................................................................................................... 3
COMPRIMENTO DE ONDA E FREQUÊNCIA ............................................................................... 4
VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE UMA ONDA ........................................................................ 5
VELOCIDADE DE UMA ONDA NUMA CORDA ESTICADA............................................................... 6
ENERGIA E POTÊNCIA NUMA ONDA PROGRESSIVA .................................................................. 7
O PRINCÍPIO DA SUPERPOSIÇÃO .......................................................................................... 8
INTERFERÊNCIA - ONDAS NO MESMO SENTIDO ....................................................................... 8
INTERFERÊNCIA - ONDAS EM SENTIDO CONTRÁRIO ................................................................. 9
Reflexão de ondas na extremidade de uma corda...................................................... 11
ONDAS ESTACIONÁRIAS E RESSONÂNCIA............................................................................. 11
SOLUÇÃO DE ALGUNS PROBLEMAS ..................................................................................... 13
05 ................................................................................................................................ 13
“09”.............................................................................................................................. 13
“11”.............................................................................................................................. 15
12 ................................................................................................................................ 15
13 ................................................................................................................................ 16
“15”.............................................................................................................................. 16
20 ................................................................................................................................ 16
23 ................................................................................................................................ 17
27 ................................................................................................................................ 19
32 ................................................................................................................................ 20
34 ................................................................................................................................ 20
35 ................................................................................................................................ 21
“38”.............................................................................................................................. 21
40 ................................................................................................................................ 22
Prof. Romero Tavares da Silva
17. Ondas I - Ondas em meios elásticos
Quando você joga uma pedra no meio de um lago, ao se chocar com a água ela
criará uma onda que se propagará em forma de um círculo de raio crescente, que se
afasta do ponto de choque da pedra. As ondas também podem se propagar em um corda
esticada, presa por suas extremidades; se introduzirmos uma perturbação num ponto
qualquer dessa ela se propagará ao longo da corda. Esses são dois exemplos de ondas
que necessitam de um meio para se propagar.
O som necessita de um meio para se propagar. A luz também é uma onda, e em
particular uma onda eletromagnética. Ondas eletromagnéticas podem se propagar em um
meio ou no vácuo.
Ondas e partículas
Escrever uma carta ou usar o telefone são duas maneiras de se entrar em contato
com uma amiga numa cidade distante.
A primeira opção (a carta) envolve o conceito de partícula. Um objeto material se
desloca de um ponto para outro, carregando consigo a informação e energia.
A segunda opção (o telefone) envolve o conceito de onda. Numa onda, informação
e energia se deslocam de um ponto para outro, mas nenhum objeto material está realizando esta viagem. Em uma onda não existe o transporte de matéria
Ondas
As ondas no mar movem-se com
velocidade perceptível. Mas cada partícula
de água meramente oscila em torno de
seu ponto de equilíbrio.
As partículas descrevem um movimento circular e temos uma combinação
de um movimento na direção de movimento da onda com um movimento perpendicular à direção de movimento da
onda.
Ondas transversais e longitudinais
Inicialmente a corda está esticada horizontalmente e em repouso. Introduz-se um
perturbação de modo a se criar uma corcova na corda, e a onda dessa forma se propaga.
Depois da passagem da perturbação por um dado pedaço da corda ela retornará a sua
situação original de repouso.
Cap 17
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Numa corda esticada temos a propagação de ondas
transversais. Nas ondas transversais, o meio no qual a onda
se propaga oscila na direção perpendicular à direção de propagação da onda. Se isolarmos para observação um elemento
de corda, ele oscilará para cima e para baixo enquanto a onda
se propagará horizontalmente.
Por outro lado, se considerarmos uma mola, teremos a
propagação de ondas longitudinais. Nas ondas longitudinais, o
meio no qual a onda se propaga oscila na direção de propagação da onda.
Um
exemplo
típico de onda longitudinal é mostrado
ao lado, onde pulsos periódicos estão
sendo comunicados
à uma mola
Ondas progressivas
Vamos considerar um pulso em forma de corcova se
propagando em uma corda. No
instante t = 0 , o pulso tem o
formato da esquerda e num
instante t posterior o pulso
manteve o mesmo formato,
mas se moveu para a direita.
x(0)
x(t)
x'(t)
A função que descreve o formato da corda em t = 0 é dada por:
y(x,0) = f(x)
Num instante posterior t , a função que descreverá a forma da corda é dada por:
y(x,t) = f(x')
Se o pulso na corda move-se com velocidade com velocidade v , depois de um tempo t , todos os pontos da corcova mover-se-ão de uma distância v t .
Se estivermos observando um dado ponto específico da corcova, por exemplo onde
ela tem metade do valor máximo. Em t = 0 esse ponto está distante de x da coordenada do ponto de máxima altura, mas num tempo t posterior ele estará distante x' do máximo, que se moveu de v t com toda a corcova. A relação entre essas grandezas é tal
que:
x = x' + v t
⇒ x' = x - v t
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Desse modo teremos que para uma onda progressiva que se move no sentido positivo do eixo x ,
y( x , y ) = f( x - v t )
Uma onda progressiva, independente da sua forma, depende de x e t como mostrado na equação anterior.
Por outro lado, se tivéssemos uma onda progressiva viajando para a esquerda (quer
dizer na direção negativa do eixo x ), ela teria uma dependência funcional em x e t da
forma:
y( x , y ) = g( x + v t )
Se tivéssemos ondas progressivas viajando nos dois sentidos, elas seriam representadas funcionalmente por:
y( x , y ) = f( x - v t ) + g( x + v t )
Comprimento de onda e frequência
λ
Se estivermos observando a
propagação de uma onda harmônica em uma corda, denominamos comprimento de onda λ
distância entre dois pontos equivalentes consecutivos. Na figura
ao lado consideramos o comprimento de onda como a distância
entre dois máximos consecutivos.
Se medirmos cada posição
desse pedaço de corda à medida
que o tempo evolui, ao desenhar
o gráfico das posições desse pedaço versus o tempo encontraremos uma curva do tipo mostrado à esquerda.
T
1,0
0,5
0,0
Y
Se estivermos observando
um pequeno pedaço da corda
enquanto uma onda harmônica
se propaga, notaremos que esse
elemento de corda irá se mover
para cima e para baixo.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
-0,5
Denominamos período T o
-1,0
tempo entre dois pontos equivat
lentes consecutivos. Na figura ao
lado consideramos o período como a distância entre dois máximos consecutivos.
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Velocidade de propagação de uma onda
Um caso particular muito importante de onda progressiva tem
a forma de uma senóide:
1,0
0,5
Y
y(x,t) = yM sen(kx - wt)
No instante t = 0 a função
tem a forma da curva de traço
contínuo e para um tempo posterior ∆t a função tem a forma da
curva tracejada.
0,0
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
-0,5
-1,0
X
Chamamos a grandeza k de
número de onda (ou vetor de onda) e o definimos como:
k=
2π
λ
Chamamos w de frequência angular e a definimos como:
w=
2π
T
Chamamos de fase ϕ(x,t) o argumento da senóide, ou seja:
ϕ(x,t) = kx - wt
Um ponto de fase constante ocupa uma certa posição relativa na onda. Se marcarmos um certo ponto de máximo e passarmos a acompanhá-lo, iremos verificar que mesmo com a onda se movimentado á medida que o tempo evolui, a fase daquele máximo se
mantém constante.
Assim, se quisermos calcular a velocidade com que uma onda se propaga devemos
acompanhar um dado ponto dela, ou seja um ponto de fase constante:
ϕ(x,t) = kx - wt = constante
k
Cap 17
dx
−w = 0
dt
⇒
v =
dx w λ
=
=
dt
k T
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∴ λ = vT
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Velocidade de uma onda numa corda esticada
Para calcular a velocidade de uma onda em uma corda vamos considerar um pequeno pulso se propagando da esquerda para a direita em uma corda de densidade linear
de massa µ e que é esticada através de uma tensão T aplicada nas suas extremidades.
No sentido de facilitar a visualização apresentamos à seguir uma ampliação do pequeno
pulso que se propaga.
Vamos analisar um pequeno pedaço de comprimento ∆L na parte superior do pulso.
esse pedaço ∆L pode se considerado aproximadamente com o formato de um arco de
círculo de raio R e definindo um pequeno ângulo θ .
A análise ficará adequada aos nossos propósitos se observarmos o movimento do
pulso em um referencial que o acompanha com mesma velocidade. Neste referencial que
!
se move com velocidade v em relação aos suportes que prendem a corda, observamos
a corda se mover e tomar a forma de pulso. Se observarmos apenas o pedaço de comprimento ∆L veremos que momentaneamente ele tem uma trajetória circular. Teremos a
percepção de um pulso congelado e a corda escorregando através dele, como se existisse um tubo na forma de pulso e a corda escorregasse por dentro desse pulso.
Como as forças que atuam na corda não se alteram devido a essa mudança de referencial, temos que é nula a resultante horizontal das forças que atuam no pedaço de corda
! e é não nula a resultante vertical. E como no referencial que se move com velocidade
v o pedaço de corda descreve movimento circular, esta resultante vertical é a força centrípeta que atua neste pedaço de corda.
!
v
∆L
θ !/2
TE
θ!/2
TD
θ
Logo:


θ 
θ 
 TD cos 2  − TE cos 2  = 0 
 
 






θ 
θ 
 TD sen  + TE sen  = FR 
2
2


Como a tensão da esquerda TE é igual à tensão da direita TD , ou seja: TE = TD = T temos que:
θ 
2T sen  = FR
2
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Considerando que o ângulo é muito pequeno, temos que:
θ 
 ∆L 
 ∆L 
2T sen  ≅ 2T 
 = T

2
 2R 
R 
e por outro lado:
v2
FR = m
R
logo:
v
 ∆L 
T
=m
R
R 
2
⇒
v2 =
T
T
=
m ∆L µ
∴ v=
T
µ
Energia e potência numa onda progressiva
Quando consideramos a propagação de uma onda progressiva em uma corda o
movimento oscilatório de um elemento de corda será no sentido perpendicular à sua propagação. Levando em conta que o deslocamento de um elemento de corda que se encontra na posição x no instante t é dado por y(x,y)
y(x,t) = yM sen(kx - wt)
esse elemento de corda deslocar-se-á transversalmente com uma velocidade dada por
u(x,t) :
∂y ( x, t )
u( x, t ) =
= −w y M cos( kx − wt )
∂t
Num dado instante a porção da corda
à esquerda deste elemento de corda, exerce nele uma força transversal à direção de
propagação dada por
y
!
T
FY = −T sen θ
Considerando que os ângulos envolvidos
serão muito pequenos, podemos aproximar
FY = −T tan θ = −T
θ
∂y
∂x
x
Portanto, a potência transmitida a um elemento de corda específico por seu vizinho
da esquerda é dada pelo produto da força exercida pela velocidade desse elemento:
 ∂y   ∂y 
P (x, t ) = FY (x, t )u (x, t ) = −T     = −T [ky M cos( kx − wt )][− wy M cos( kx − wt ]
 ∂x   ∂t 
P (x, t ) = w k T y M2 [cos( kx − wt )]
2
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Para uma análise global da propagação da onda na corda é interessante que saibamos qual o valor médio da potência comunicada por um elemento ao seu vizinho, e
esse resultado é o fluxo de energia na corda por unidade de tempo.
Considerando que:
[cos(kx − wt ]2
=
τ
1
1
2
dt [cos( kx − wt )] =
∫
τ 0
2
onde usamos que τ é o período da função, e desse modo:
P = P (x, t ) =
1
µ v w 2 y M2
2
onde usamos que T = µ v2 e w = k v .
O Princípio da Superposição
Quando estamos ouvindo uma orquestra chegam simultaneamente aos nossos ouvidos os sons de todos os
instrumentos que estão sendo tocados num dado instante.
Isto significa que uma o mais ondas sonoras podem se
propagar ao mesmo tempo numa dada região do espaço.
O efeito global que percebemos será a soma dos efeitos
que cada uma das ondas produziria se estivesse se propagando isoladamente.
Chamamos de princípio da superposição ao efeito
global ser a soma dos efeitos isolados, como se depreende da figura ao lado que represente a interação entre duas
ondas progressivas em uma corda.
Num dado instante as ondas viajam uma na direção
da outra, produzem um efeito cumulativo ao se encontrar,
e depois disso se afastam com o formato original.
Interferência - ondas no mesmo sentido
Vamos considerar o efeito da interação entre duas ondas que viajam no mesmo
sentido. Para simplificar a análise, sem perder muito em generalidade, vamos considerar
que essas ondas tenham mesma frequência, mesmo comprimento de onda, mesma amplitude, mas tenham uma defasagem. A primeira onda tem constante de fase nula e a segunda onda tem constante de fase ϕ . Elas têm a forma:
y1(x,t) = yM sen(kx - wt)
y2(x,t) = yM sen(kx - wt + ϕ)
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Vamos usar a identidade trigonométrica:
α + β 
α − β 
sen α + sen β = 2 sen
 cos

 2 
 2 
A onda resultante será a soma das duas ondas, ou seja:
y(x,t) = y1(x,t) + y2(x,t)
logo:

ϕ
 ϕ 

y ( x, t ) = 2y M cos  sen kx − wt + 
2
 2 


A onda resultante tem uma amplitude modificada de acordo com o valor da diferença de fase entre as ondas formadoras. Alguns casos simples podem ser analisados facilmente:
a. ϕ = 0
y(x,t) = 2 yM sen(kx - wt)
Esse é um exemplo de uma interferência construtiva, as ondas se somam de modo a
alcançar a maior amplitude possível.
b. ϕ = π
y(x,t) = 0
Esse é um exemplo de uma interferência destrutiva, as ondas interagem e o resultado é a anulação de uma pela outra.
Interferência - ondas em sentido contrário
Vamos analisar o resultado da interação entre duas ondas que se propagam em
sentidos contrários
y1(x,t) = yM sen(kx - wt)
y2(x,t) = yM sen(kx + wt)
Para simplificar a análise, sem perder muito em generalidade, vamos considerar
que essas ondas tenham mesma frequência, mesmo comprimento de onda, mesma amplitude, e mesma constante de fase.
Novamente vamos usar a identidade trigonométrica:
α + β 
α − β 
sen α + sen β = 2 sen
 cos

 2 
 2 
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A onda resultante será a soma das duas ondas, ou seja:
y(x,t) = y1(x,t) + y2(x,t)
logo:
y(x,t) = [ 2 yM sen(kx) ] cos(wt)
Esta não é uma onda progressiva, porque não depende de x e t na forma (kx -wt)
mas no entanto a corda oscila para cima e para baixo.
Existem alguns pontos na corda onde a amplitude é máxima, e eles são localizados
quando kx assumem valores múltiplos ímpares de π/2 . Ou seja:
kx =
π 3π 5π
;
;
2 2 2
⇒
kx = (2n + 1)
π 
= n +
2 
1
π
2
;
n = 0;1; 2; 3 ;"
A partir do resultado anterior podemos encontrar os valores de x para os quais a
amplitude é máxima. Esse pontos são chamados antinodos. Temos que k = 2π/λ , logo
1 λ

xN = n + 
2 2

;
n = 0;1; 2; 3;"
Por outro lado existem pontos onde a amplitude de oscilação é sempre nula, ou
seja: a corda não se move. Esses pontos são localizados quando kx assume valores
múltiplos de π .
kx = 0;π ; 2π ; 3π ;" ⇒
kx = nπ
;
n = 0;1; 2; 3;"
A partir do resultado anterior podemos encontrar os valore de x para os quais a
amplitude é nula. Esse pontos são chamados nós. Temos que k = 2π/λ , logo
xN = n
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λ
2
;
n = 0;1; 2; 3;"
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Reflexão de ondas na extremidade de uma corda
Uma corda pode ter a sua
extremidade presa a um ponto
fixo ou a uma presilha móvel.
Uma onda quando incide na
extremidade de uma corda será
refletida de um modo quando
tem-se a extremidade fixa e de
modo diverso quando a extremidade é móvel.
As duas situações podem
ser vistas nas figuras vizinhas, e
uma dedução desses resultados
pode ser encontrada no Vol 2 do
Curso de Física Básica de H
Moysés Nussenzveig .
Ondas estacionárias e ressonância
Quando uma presa por ambas as extremidades é posta para
vibrar em certa frequência as ondas se propagam nos dois sentidos formando um padrão de interferência, como já foi analisado
anteriormente.
Para algumas frequências
específicas a corda entra em ressonância, e acontecem as ondas
estacionárias
Na primeira figura à direita
temos uma onda estacionária
com três nós intermediários. O nó
é um ponto onde a corda não se
movimenta. Obviamente, as extremidades são dois nós. Numa
onda estacionária, essa situação
define o primeiro padrão de oscilação, ou seja:
L = λ /2
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É um padrão de oscilação
onde a onda estacionária tem
meio comprimento de onda.
Num segundo padrão de
oscilação temos um nó intermediário e desse modo:
L=λ
É um padrão de oscilação
onde a onda estacionária tem um
comprimento de onda.
Num terceiro padrão de oscilação temos dois nós intermediário e desse modo:
L=λ
É um padrão de oscilação
onde a onda estacionária tem
três meios comprimentos de
onda.
L = 3 λ /2
Podemos generalizar dizendo que a condição para existir um padrão de oscilação
para uma onda estacionária é que:
L=n
λ
2
⇒
λN =
2L
n
Já mostramos anteriormente que:
λ = vT =
v
f
⇒
f =
v
λ
Mas para uma corda presa pelas extremidades, apenas algumas frequências específicas podem desenvolver uma onda estacionária, portanto:
fN =
n
v
2L
⇒
fN =
n T
2L µ
Essas frequências específicas são chamadas frequências de ressonância, e como
pode-se notar elas são múltiplas de uma certa frequência mais baixa (n=1) . Chama-se a
frequência mais baixa (n=1) de fundamental ou primeiro harmônico. O segundo harmônico corresponde a (n=2) . Chama-se série harmônica o conjunto dos possíveis modos de oscilação, enquanto n é chamado de número harmônico.
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Solução de alguns problemas
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
05 Mostre que y(x,t) = yM sen(k x - w t) pode ser reescrito nas seguintes formas alternativas:
a) y(x,t) = yM sen[k (x - v t)]
w 

kx − wt = k  x − t  = k (x − vt )
k 

b) y(x,t) = yM sen[2π (x / λ - f t)]
kx − wt =
2π
x

x − 2πf t = 2π  − f t 
λ
λ

c) y(x,t) = yM sen[w (x / v - t) ]
kx − wt =
w
x

x − wt = w  − t 
v
v

d) y(x,t) = yM sen[2π [x / λ - t / T)]
kx − wt =
2π
2π
x t 
x−
t = 2π  − 
λ
T
λ T 
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição
“09” Um pulso isolado, cuja forma de onda é dado pela função h(x - 5 t) é mostrado na
figura à seguir para t = 0 , onde x é dado em centímetros e t é dado em segundos.
a) Qual a velocidade de propagação deste pulso?
Um ponto com fase
constante na onda é
definido por:
A velocidade desse
ponto é a velocidade da
onda, logo:
3
h(X)
ϕ(x,t) = x - 5 t = cte
4
2
1
0
0
1
2
dx
v =
= +5cm / s
dt
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3
X
4
5
6
7
t=0
13
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b) Qual o sentido de propagação deste pulso?
O sentido positivo do eixo x .
c) Trace o gráfico h(x - 5 t) como uma função de x para t = 2s .
4
h(x-vt)
Como é uma onda progressiva em um meio
3
não dispersivo e sem
atenuação, a forma da
2
onda
manter-se-á
a
mesma. Assim, basta
1
calcular onde um ponto
do pulso vai estar. Va0
mos escolher o ponto
10
11
12
13 X 14
15
mais à esquerda da
t = 5s
onda que se encontra na
posição inicial LI = 1cm.
No intervalo de tempo ∆t = 2s esse ponto move-se de ∆L, onde
16
17
∆L = v ∆t = 5 . 2 = 10cm
A posição final LF desse ponto será:
LF = LI + ∆L = 1 + 10 = 11cm
d) Trace o gráfico h(x - 5 t) como uma função de t para x = 10cm .
4
3
h(x-vt)
Seja tE o tempo necessário para que a parte da
esquerda do pulso alcance o ponto x = 10cm
. O máximo do pulso já
passou por esse ponto
um tempo ∆tM anterior e
a parte da direita do pulso já passou um tempo
∆tD .
Temos três tempos característicos tE ;
tM = tE + ∆tM e tD = tE +∆tD .
2
1
0
1,4
1,8
2,0
t
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
x = 10cm
tE =
Cap 17
1,6
d E 10 − 1
=
= 1,8s
v
5
∆t M =
∆x M 3 − 1
=
= 0,4s
v
5
⇒
t M = t E + ∆t M = 2,2s
∆t D =
∆x D 4 − 1
=
= 0,6s
v
5
⇒
t D = t D + ∆t M = 2,4s
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Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição
“11” A equação de uma onda transversal se propagando em uma corda é dada por:
y(x,t) = (2,0mm) sen[(20m-1)x - (600s-1)t]
a) Ache a amplitude, frequência, velocidade e comprimento de onda.
yM = 2,0mm
w = 600rad/s
⇒
f = w/2π = 95,5Hz
k = 20rad/m
⇒
λ = 2π/k = 0,31m
v = w/k = 30m/s
b) Ache a velocidade escalar máxima de uma partícula da corda.
u ( x, t ) =
(
[(
)
) (
)]
∂y ( x, t )
= − 600s −1 (2,0mm )cos 20m −1 x − 600s −1 t
∂t
uM = 1200mm/s = 1,2m/s
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
12 A tensão num fio preso em ambos os extremos é duplicada sem que haja qualquer
mudança considerável em seu comprimento. Qual é a razão entre as velocidades das
ondas transversais nesse fio, antes e depois do aumento de tensão?
!
T1
TF = 2 TI
A velocidade de propagação de !
T2
uma onda numa fio é dada por:
v=
T
µ
vI
TI
=
vF
TF
µF
µI
Como o fio não foi alterado, não aconteceu mudança nas densidades de massa,
logo:
vI
TI
TI
1
=
=
=
⇒ v F = v I 2 = 1,414v I
vF
TF
2TI
2
Cap 17
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Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
13 A densidade linear de uma corda vibrante é 1,6x10-4kg/m . Uma onda transversal se
propaga na corda e é descrita pela seguinte equação:
y(x,t) = (0,021m) sen[(2,0m-1)x + (30s-1)t]
a) Qual é a velocidade da onda?
µ = 1,6x10-4kg/m
w = 30rad/s
k = 2rad/m
v = w/k = 15m/s
b) Qual é a tensão na corda?
v=
T
µ
⇒ T = µv2
T = 0,036N
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição
“15” Prove que, se uma onda transversal está se propagando ao longo de uma corda,
então a inclinação de qualquer ponto da corda é numericamente igual à razão entre
a velocidade escalar da partícula e a velocidade da onda naquele ponto
y(x,y) = yM sen(kx - wt)
v = velocidade da onda
v = w/k
y
u(x,t) = velocidade de um elemento
de corda
∂y (x, t )
u (x, t ) =
= −wy M cos( kx − wt )
∂t
θ
x
tan θ = inclinação da corda
tan θ =
∂y ( x, t )
= k y M cos( kx − wt )
∂x
tan θ =
u( x, t )
k
u( x, t ) =
w
v
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
20 Na figura à seguir a corda 1 tem uma densidade linear µ1 = 3,0g/m e a corda 2 tem
uma densidade linear µ2 = 5,0g/m . Elas estão sob tensão devido a um bloco suspenso de massa M = 500g .
16
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a) Calcule a velocidade da onda em cada corda.
µ1 = 3,0g/m
µ2 = 5,0g/m
M = 500g
Corda 1
As tensões T1 e T2 que
distendem as cordas são
iguais porque as cordas
estão conectadas e esticadas pela ação da massa M . Dito de outra forma:
Mg
T1 = T2 =
2
Corda 2
Nó
M
Estamos aptos a calcular as velocidades de propagação de uma onda em cada
uma das cordas:
T1
v1 =
= 28,57m / s
µ1
T2
= 22,13m / s
µ2
b) O bloco agora é dividido em dois (com massas M1 + M2 = M), de acordo com a
configuração á seguir. Determine as massas M1 e M2 para que as velocidades
de uma onda nas duas cordas sejam iguais.
v2 =
v1 =
T1
=
µ1
M 1g
µ1
v2 =
T2
=
µ2
M2g
µ2
Corda 1
Corda 2
M2
Como v1 = v2 , temos:
M1
M1 M 2
=
µ1
µ2
⇒
M1
µ
3
3
= 1 =
∴ M1 = M 2
M2 µ2 5
5
Mas M1 + M2 = M = 500g , logo
M1 = 187,5g
e
M2 = 312,5g
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
23 Uma corda uniforme de massa m e comprimento L está pendurada no teto.
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a) Mostre que a velocidade de uma onda transversal na corda é função de y , a
distância até a extremidade mais baixa, e é dada por v = g y .
Y
Vamos considerar um elemento de corda
de comprimento ∆L .
Existem duas forças atuando nesse elemento: o pedaço acima puxa o elemento
com uma força F1 , que é uma reação à
força peso do elemento de corda mais o
pedaço abaixo. A segunda força F2 é o
peso de pedaço abaixo do elemento de
corda. Seja F a resultante das forças que
atuam no elemento de corda:
θ
!
∆L v
F1 = µ (y + ∆L )g


 F =µyg
2

!
F2
y
θ /2

θ 
θ 
FX = F1 sen 2  + F2 sen 2 
 
 



θ 
θ 
 FY = F1 cos  − F2 cos 
2
2

onde
θ /2 !
F1
X
e
µ=
m
L
Por outro lado, vamos considerar que a onda tenha uma amplitude pequena
comparada com o seu comprimento, de modo que o ângulo possa ser considerado pequeno:

∆L
θ  θ
sen 2  ≅ 2 = 2R
 

∆L
θ =
; se θ << 1 ⇒ 
R

θ 
cos  ≅ 1

2


µg
∆L µgy
θ 
2
FX = (F1 + F2 )sen 2  = (2µ g y + µ g ∆L ) 2R = R ∆L + 2R (∆L )
 



θ 
FY = (F1 − F2 )cos  = F1 − F2

2

Considerando que se ∆L << 1 teremos que ∆L >> (∆L)2 , então teremos que:
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µgy

FX ≅ R ∆L


 F ≅0
Y


⇒
 µ g ∆L 
FR = FX = 
y
 R 
No entanto, em um referencial que esteja se movimentando com a mesma velocidade do pulso, o elemento de corda tem movimento circular com aceleração
centrípeta dada por:
v2
FR = (µ ∆L )
R
e desse modo encontramos que:
v 2  µ g ∆L 
FR = (µ ∆L )
=
y
R  R 
∴ v = gy
b) Mostre que o tempo que uma onda transversal leva para percorrer o comprimento da corda é dado por t = 2 L .
g
v=
dy
= gy
dt
t =g
−
1 L
2
∫y
⇒
−
1
2
dy
dt =
−
gy
1
−
dy = 2g 2 L
1
2
t
L
0
0
∴ ∫ dt ' = ∫
⇒
t =2
0
dy
gy
L
g
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
27 Duas ondas idênticas que se propagam, deslocando-se no mesmo sentido, têm uma
diferença de fase de π/2rad . Qual é a amplitude da onda resultante em termos da
amplitude comum yM das duas ondas?
y1(x,t) = yM sen(kx - wt)
y2(x,t) = yM sen(kx - wt + π/2)
y(x,t) = y1(x,t) + y2(x,t)
y(x,t) = y1(x,t) = yM [ sen(kx - wt) + sen(kx - wt + π/2) ]
Mas:
α + β 
α − β 
sen α + sen β = 2 sen
 cos

 2 
 2 
logo:
π
 2α + π 2 
π 

sen α + senα +  = 2 sen
 cos 
2
2
4



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e portanto

π
 π 

y ( x, t ) = 2y M cos  sen kx − wt + 
4
 4 


A amplitude A desta onda resultante é dada por:
π 
A = 2y M cos  = y M 2
4
⇒
A
= 2
yM
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
32 Uma corda sob tensão TI , oscila no terceiro harmônico com uma frequência f3 , e as
ondas na corda têm comprimento de onda λ3 . Se a tensão for aumentada para
TF = 4TI e a corda for novamente levada a oscilar no terceiro harmônico,
a) qual será a frequência de oscilação em termos de f3 ?

TI
vI =

µ



TF
4TI
=
∴ v F = 2v I
v F =
µ
µ

L=n
fN =
3
 I
 f 3 = 2L v I


 F
3
f 3 = 2L v F

λN
2
⇒
v
n
v
=
λ N 2L
⇒
I
3
f
f 3F
⇒
λN =
fN =
2L
n
n T
2L µ
3v I
v
1
= 2L = I =
∴ f 3F = 2 f 3I
3v F
vF
2
2L
b) qual será o comprimento de onda em termos de λ3 ?
v
λ3 =
f3
⇒
λI3  v i  f 3F
=  
λF3  f 3I  v F
 v i f 3F
1
 =
= ⋅ 2 = 1 ∴ λ F3 = λI3
I
2
 v F f3
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
34 Duas ondas senoidais com amplitudes e comprimentos de onda idênticos se propagam em sentidos contrários ao longo de uma corda, com velocidade escalar de
10cm/s . Se o intervalo de tempo entre os instantes em que a corda fica retilínea é
0,50s , quais os seus comprimentos de onda?
20
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y1(x,t) = yM sen(kx - wt)
y2(x,t) = yM sen(kx + wt)
y(x,t) = y1(x,t) + y2(x,t) = yM [ sen(kx - wt) + sen(kx + wt) ]
α + β 
α − β 
sen α + sen β = 2 sen
 cos

 2 
 2 
y(x,t) = 2 yM sen(kx) cos(wt)
O intervalo de tempo entre os instantes em que a corda fica retilínea é igual à meio
período, logo:
∆t = T/2 = 0,50s
⇒
T = 1s
v = 10cm/s = 0,1m/s
λ = v T = (0,1) (1)
⇒
λ = 0,1m
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35 Uma corda fixada em ambas as pontas tem 8,40m de comprimento, com uma massa de 0,120kg . Ela está submetida a uma tensão de 96N e é colocada em oscilação.
a) Qual a velocidade escalar das ondas na corda?
µ=
L = 8,4m
M = 0,120kg
T = 96N
M
L
T
LT
=
µ
M
v = 81,97m/s
b) Qual o mais longo comprimento de onda possível para uma onda estacionária?
v=
L = λMax/2
⇒
λMax = 2 L
∴
λMax = 16,8m
c) Dê a frequência dessa onda.
f = v /λMax
⇒
f = 4,87Hz
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“38” Uma fonte S e um detetor de ondas de rádio D estão localizados ao nível do solo
a uma distância d , confirme a figura à seguir. Ondas de rádio de comprimento λ
chegam a D , pelo caminho direto ou por reflexão numa certa camada da atmosfera. Quando a camada está numa altura H , as duas ondas chegam em D exatamente em fase. À medida que a camada sobe, a diferença de fase entre as duas
ondas muda, gradualmente, até estarem exatamente fora de fase para uma altura
de camada H + h . Expresse o comprimento de onda λ em termos de d , h e H .
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Vamos definir as grandezas:
h
d1 = distância entre a fonte e o receptor.
d2 = distância percorrida pelo som ao
ser refletido numa altura H .
H
d3 = distância percorrida pelo som ao
ser refletido numa altura H + h .
S
D
d /2
d /2
Desse modo temos que:

d d

d1 = + = d
2 2

2

d 
2
d 2 = 2 H +   = 4H 2 + d 2

2

2

d
d 3 = 2 (H + h )2 +   = 4(H + h )2 + d 2

2
∆d1 = d2 - d1 = n λ
⇒
∆d2 = d3 - d1 = ( n + 1/2 ) λ
∆d2 - ∆d1 = λ/2
Interferência construtiva
⇒
⇒
Interferência destrutiva
λ = 2 ( ∆d2 - ∆d1 )
λ = 2 4(H + h ) + d 2 − 2 4H 2 + d 2
2
Capítulo 17 - Halliday, Resnick e Walker - 6a. edição
40 Dois pulsos se propagam ao longo de uma corda em sentidos opostos, como na figura à seguir.
a) Se a velocidade da onda v = 2,0m/s e os pulsos estão a uma distância de
6,0cm em t = 0 , esboce os padrões resultantes para t = 5 ; 10 ; 15 e 20ms.
Vamos chamar de x1(t) a
localização do máximo do
pulso 1 , x2(t) a localização do máximo do pulso
2 , e D(t) a separação
entre os máximos.
y
d
1
!
+v
!
−v
x
2
Inicialmente os pulsos estão localizados nas posições x01 e x02 respectivamente, e eles se movem com velocidade v , logo
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x1(t) = x01 +vt
e
x2(t) = x02 - vt
portanto
D(t) = |x2(t) - x1(t)|
e
D(0) = |x01 - x02| = d = 6,0cm
Podemos dizer que:
D(t) = |(x01 - x02)| - 2vt = d - 2vt
Os pulsos terão seus máximos no mesmo ponto quando D(tE) = 0 , ou seja:
d - 2vtE = 0
Para t < tE os dois pulsos
estão se aproximando um
do outro.
⇒
tE = d /2v = 0,015s = 15ms
y
D(t)
!
+v
1
Quando t = tE os máximos
dos pulsos estão na mesma posição e tem lugar
uma interferência destrutiva
Neste instante a corda tem
a forma de uma linha reta.
Quanto t > tE os dois pulsos estão se afastando um
do outro
x
!
−v
y
2
D(t)
1
!
−v
!
+v
x
2
b) O que aconteceu com a energia em t = 15ms ?
Neste instante a corda tem a forma de uma linha reta e aparentemente não existem pulsos na corda. Mas é como se a energia dos pulsos estivesse armazenada
em forma de energia potencial.
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