Experimento 1: Ondas Estacionárias em Tubos de PVC

I. INTRODUÇÃO

Foram apresentados aos alunos de telecomunicações experimentos que se fundamentavam na análise dos estudos de física, na área de Oscilações e ondas, no qual o primeiro experimento era constituído de dois tubos de PVC, sendo ambos fechados em apenas um lado.
Os tubos possuíam certa quantidade de água no seu interior, e também contavam com uma mangueira interligando-os, o que garantia que ambos os tubos possuíssem o mesmo nível de água.
Na extremidade de um dos tubos, que é o qual nos interessa, foi acoplado um alto-falante, alimentado por um gerador de funções, que enviava um sinal senoidal de 300 ou 400 Hertz.

II. ONDAS ESTACIONÁRIAS E RESSONÂNCIA

Quando duas ondas senoidais de mesmo comprimento de onda e mesma amplitude se propagam em sentidos opostos, pelo princípio da superposição de ondas, a onda resultante é denominada como onda estacionária.
Deve-se considerar que o som produzido pelos alto-falantes como sendo uma onda mecânica, necessita de um meio para se propagar. Sendo assim, pode-se considerar também que a impedância mecânica da água é maior do que a do ar. Contudo, as ondas sonoras que são emitidas se propagam pelo ar e então são refletidas, ao ‘colidir’ na superfície da água, que por esse fenômeno geram ondas estacionárias, pois são ondas idênticas sendo propagadas em sentidos opostos.
Como uma extremidade do tubo é fixa (nível da água), esta deve ser a posição de um nó, limitando assim as possíveis frequências das ondas estacionárias. Cada frequência possível é uma frequência de ressonância, e a onda estacionária correspondente é um modo de oscilação. Uma onda estacionária pode ser excitada no ar, para um tubo com comprimento L (considerando o nível da água como extremidade fixa – nó) por uma onda cujo comprimento de onda satisfaz a condição:

O modo fundamental, ou primeiro harmônico, para uma frequência de ressonância é obtido quanto n = 1.
Ou seja, quando o comprimento de onda é correspondente a duas vezes o comprimento vazio do tubo (acima do nível de água).
Podemos utilizar valores do experimento para calcular o comprimento ideal do tubo para gerar o primeiro harmônico:

Com esse valor de comprimento de onda, pode-se concluir que o comprimento do tubo ideal para um primeiro harmônico seria de 57 centímetros acima do nível da água, onde seria produzida uma onda estacionária no ar. Um harmônico acima estaria aproximadamente em 28,5 centímetros.

III. INTERFERÊNCIA

Sendo classificadas como ondas mecânicas longitudinais, as ondas sonoras também podem sofrer interferências.
Ao se considerar apenas duas ondas sonoras iguais que se propagam no mesmo sentido, e supondo também que essas estão em fase, isso significa que elas sofreriam uma interferência totalmente construtiva, duplicando a amplitude da onda sonora resultante dessa superposição.
Na prática, esse efeito nos é perceptível resultante de um aumento na intensidade sonora, que é diretamente proporcional à amplitude da onda senoidal gerada, que aumenta pela interferência.

IV. INTENSIDADE SONORA

Como nos é perceptível simplesmente pelo senso comum, existe algo além nas ondas sonoras além da sua frequência, velocidade e comprimento de onda, a intensidade sonora, que é definida como a taxa média por unidade de área com a qual a energia contida na onda atravessa a superfície, ou é absorvida pela superfície.

Referência

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamentos de Física, Volume 2. 8ª edição.