Ondas longitudinais, diferenças, exemplos

As ondas longitudinais Eles se manifestam em meios materiais em que as partículas oscilam em paralelo à direção em que a onda se move. Como será apreciado nas seguintes imagens. Esta é sua característica distinta.

Ondas sonoras, certas ondas que aparecem durante um terremoto e aquelas que ocorrem em um Slinky Ou a primavera quando um pequeno impulso é conferido na mesma direção de seu eixo, são bons exemplos desse tipo de ondas.

figura 1. O som é uma onda longitudinal que produz compressões e expansões sucessivas no ar. Fonte: Wikimedia Commons. Pluke [CC0]

O som ocorre quando um objeto é feito vibrar (como o braço da figura, um instrumento musical ou simplesmente as cordas vocais) em um meio capaz de transmitir a perturbação pela vibração de suas moléculas. O ar é um meio adequado, mas também líquidos e sólidos são.

A perturbação modifica repetidamente a pressão e a densidade do meio. Dessa maneira, a onda produz compressões e expansões (rarefações) nas moléculas do meio, pois a energia é deslocada a uma certa velocidade v.

Essas mudanças na pressão são percebidas pela orelha através das vibrações no tímpano, que a rede nervosa é responsável por transformar pequenas correntes elétricas. Ao chegar ao cérebro, ele os interpreta como sons.

Em uma onda longitudinal, o padrão que é continuamente repetido é chamado ciclo, E sua duração é o período da onda. Há também o amplitude, que é a intensidade máxima e é medida de acordo com a magnitude que é tomada como referência, no caso do som, pode ser a variação da pressão no meio.

Outro parâmetro importante é o comprimento de onda: A distância entre duas compressões ou expansões sucessivas, veja a Figura 1. No sistema internacional, o comprimento de onda é medido em metros. Finalmente existe o dele velocidade (em metros /segundo para o sistema internacional), o que indica a rapidez com que a energia é espalhada.

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Como estão as ondas longitudinais nas ondas do mar?

Em um corpo aquático, as ondas são produzidas por múltiplas causas (mudanças de pressão, ventos, interações gravitacionais com outras estrelas). Dessa forma, as ondas do mar podem ser classificadas como:

- Ondas de vento

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- Marés

- Tsunamis

A descrição dessas ondas é bastante complexa. Em geral, em águas profundas, as ondas se movem longitudinalmente, produzindo compressões e expansões periódicas do meio, conforme descrito no começo.

No entanto, na superfície do mar, as coisas são um pouco diferentes, pois as chamadas predominam lá ondas superficiais, que combinam características de ondas longitudinais e ondas transversais. Portanto, ondas que se movem nas profundezas do ambiente aquático diferem muito daquelas que o fazem superficialmente.

Uma madeira flutuando na superfície marinha tem um tipo de movimento de giro ou rotação suave. De fato, quando as ondas quebram na costa são os componentes longitudinais da onda que predominam, e como a madeira responde ao movimento das moléculas de água que o cercam, também se observa que virá na superfície.

Figura 2. As ondas do mar na superfície são ondas que em parte têm características longitudinais e parciais de ondas. Fonte: Fonte: Vargklo em in.Wikipedia [CC BY-SA 3.0 (http: // criativecommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/]]

Relação entre profundidade e comprimento de onda

Os fatores que determinam o tipo de onda que ocorre são: a profundidade da água e o comprimento de onda da onda marinha.  Se na profundidade da água em um determinado ponto é chamado d, E o comprimento da onda é λ, as ondas vão de longitudinal a superficial quando:

d < λ/2

Na superfície, as moléculas de água adquirem movimentos de rotação que estão perdendo à medida que a profundidade aumenta. O esfregamento de água com o fundo faz com que essas órbitas se tornem elípticas, como mostrado na Figura 2.

Nas praias, as águas próximas à costa estão mais inquietas porque quebram as ondas, as partículas de água estão frenando no fundo e isso faz com que mais água se acumule nas cordilheiras. Em águas mais profundas, é percebido como as ondas é suavizado.

Quando d >> λ/2  Eles têm ondas de águas profundas ou Ondas curtas, As órbitas circulares ou elípticas diminuem o tamanho e as ondas longitudinais predominam. E sim d << λ/2  As ondas são águas superficiais ou ondas longas.

Diferenças com ondas cruzadas

As ondas longitudinais e transversais se enquadram na categoria de Ondas mecânicas, que requerem um meio de material para propagação.

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A maior distinção entre eles foi mencionada no início: nas ondas transversais, as partículas do meio se movem perpendicularmente à direção da propagação da onda, enquanto nos longitudinais que oscilam na mesma direção seguida pela perturbação. Mas existem características mais distintas:

Mais diferenças entre ondas transversais e longitudinais

- Em uma onda transversal, os cumes e vales são distinguidos, o que nos longitudinais é igual às compressões e expansões.

- Outra diferença é que as ondas longitudinais não são polarizadas porque a direção da velocidade da onda é a mesma que o movimento de partículas oscilantes.

- Ondas transversais podem se espalhar em qualquer meio e até vazio, como ondas eletromagnéticas. Por outro lado, dentro dos fluidos, sem rigidez, as partículas não têm outra possibilidade senão deslizar umas com as outras e se mover como a perturbação, ou seja, longitudinalmente.

Como conseqüência, as ondas originadas no meio das massas oceânicas e atmosféricas são longitudinais, uma vez que ondas transversais requerem meios suficientes para permitir movimentos perpendiculares característicos.

- Ondas longitudinais causam variações de pressão e densidade no meio através das quais se propagam. Por outro lado, ondas transversais não afetam o ambiente dessa maneira.

Semelhanças entre ondas longitudinais e transversais

Em comum eles têm as mesmas partes: período, amplitude, frequência, ciclos, fase e velocidade. Todas as ondas experimentam reflexão, refração, difração, interferência e efeito Doppler e transporte de energia através do meio.

Mesmo quando os cumes e vales são distintos de uma onda transversal, as compressões na onda longitudinal são análogas às cristas e as expansões para os vales, de modo que ambas as ondas admitem a mesma descrição matemática de seno ou onda sinusoidal.

Exemplos de ondas longitudinais

As ondas sonoras são as ondas longitudinais mais típicas e estão entre as mais estudadas, pois são o fundamento da comunicação e da expressão musical, razões de sua importância na vida das pessoas. Além disso, ondas sonoras têm aplicações importantes na medicina, diagnóstico e tratamento.

A técnica de ultrassom é bem conhecida por obter imagens médicas, bem como para o tratamento de pedras nos rins, entre outras aplicações. O ultrassom é gerado por um cristal piezoelétrico capaz de criar uma onda de pressão longitudinal quando um campo elétrico é aplicado (também produz uma corrente quando a pressão é aplicada).

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Para realmente ver o que é uma onda longitudinal, nada melhor do que as fontes helicoidais ou slinkys. Dando um pequeno impulso à primavera, é imediato observar como as compressões e expansões estão se espalhando alternadamente ao longo das curvas.

- Ondas sísmicas

Ondas longitudinais também fazem parte dos movimentos sísmicos. Os terremotos consistem em diferentes tipos de ondas, entre as quais estão os ondas p ou primário e ondas s ou secundário. O primeiro é longitudinal, enquanto nas segundas partículas do meio vibram na direção transversal para o deslocamento da onda.

Nos terremotos, existem ondas longitudinais (ondas primárias P) e transversais (ondas secundárias) e outros tipos, como ondas de Rayleight e amor, superficial.

De fato, ondas longitudinais são as únicas conhecidas, elas podem viajar pelo centro da terra. Sendo que estes se movem apenas em mídia líquida ou gasosa, os cientistas pensam que o núcleo da Terra é composto principalmente de ferro fundido.

- Exercício de aplicação

Ondas p e S produzidas durante um terremoto viajar para diferentes velocidades na Terra, de modo que seus momentos de chegada às estações de terremoto são diferentes (veja a Figura 3). Graças a isso, é possível determinar a distância do epicentro do terremoto, por triangulação, usando três ou mais dados de estações.

Figura 3. As ondas sísmicas P e S alcançam sismógrafos com diferentes momentos, uma vez que suas velocidades são diferentes. Fonte: Wikimedia Commons.

Suponha v_P = 8 km/s é a velocidade das ondas P, enquanto a velocidade das ondas W é V_S = 5 km/s. As ondas P chegam 2 minutos de antecedência das primeiras ondas S. Como calcular a distância do epicentro?

Responder

Seja a distância entre o epicentro e a estação sismológica. Com os dados fornecidos é o tempo de viagem t_P e T_S de cada onda:

v_P = D/ T_P

v_S = D/ T_S

A diferença é Δt = t_S - t_P:

ΔT = D/ V_S - D/ v_P = D (1/ V_S  - 1/ v_P)

Limpando o valor de D:

 D = Δt / (1 / v_S  - 1/ v_P) = (Δt . v_P. v_C ) /(V_P - v_C)

Sabendo que 2 minutos = 120 segundos e substituindo o restante dos valores:

D = 120 s. (8 km /s . 5 km/s)/(8 - 5 km/s) = 1600 km.

Referências

1. Diferença entre ondas transversais e longitudinais. Recuperado de: física.com.
2. Figueroa, d. 2005.Ondas e física quântica. Série física para ciência e engenharia. Volume 7. Editado por Douglas Figueroa. Universidade de Simon Bolivar. 1-58.
3. Infrasônico e ultrassom. Recuperado de: LPI.Tel.uva.é
4. Rex, a. 2011. Fundamentos da Física. Pearson. 263-286.
5. Russell, d. Movimento longitudinal e transversal da onda. Recuperado de: ACS.Psu.Edu.
6. Ondas de água. Recuperado de: labman.Phys.utk.Edu.