Acústica: percutindo o copo enquanto é preenchido com água
26 de dezembro, 2017 às 14:18 | Postado em Acústica, Ondas mecânicas, Oscilações
Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/Esta pergunta se encontra no livro Física Conceitual de Paul Hewitt: “Enquanto está derramando água dentro de um copo, você repetidamente bate de leve no vidro com uma colher. À medida que o copo vai se enchendo, a altura do som irá aumentando ou diminuindo?” Como explico esse fenômeno?
A primeira pergunta do Hewitt poderias ter facilmente respondido através da experimentação. Boa Física se faz com a mão na massa! 😉 A experimentação nos dá sons de altura menor, mais graves, conforme o copo contenha mais água (vide abaixo a contribuição do Prof. Carlos Aguiar – IFUFRJ).
Os sons originados no copo decorrem das oscilações, vibrações das paredes do copo. Ao preenchê-lo com água tudo se passa como se aumentássemos a massa da parede vibrante. Daí, aumentando a massa, aumentando a inércia das paredes vibrantes, diminui a frequência de vibração assim como em um oscilador massa-mola, isto é, oscila mais lentamente conforme a massa do oscilador aumenta.
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Prof. Carlos Aguiar (IF-UFRJ) comentou no FB em 01/01/2018:
Física do Ano Novo: O espectrograma abaixo, obtido com um celular, mostra a frequência de quatro taças de champanhe parcialmente preenchidas com água (o champanhe já tinha acabado), percutidas em sucessão. Dá para ver que a frequência é tanto menor quanto mais cheia está a taça, como o Lang discutiu. É interessante notar que a redução só se torna significativa a partir da metade da capacidade da taça.
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Prof. Fernando Lang, muitíssimo obrigado pela atenção, rapidez em responder e por nos brindar com o seu vasto conhecimento. Sobre a pergunta que enviei, já havia feito o experimento e suspeitado que a redução na frequência de vibração das paredes do copo estava relacionada com resistência imposta pela água, porém, precisava de uma afirmação mais segura e mais precisa que justificasse o fenômeno. A sua explicação elimina todas as dúvidas. Mais uma vez, muitíssimo obrigado pelo esclarecimento.
não entendi muito bem
Sugiro que estudes sobre a frequência de oscilação do oscilador massa-mola (se é que não conheces!). Daí poderás explicitar melhor onde reside a tua dúvida.
Olá. Desculpe se estou fazendo uma grande confusão… mas gostaria de conectar melhor essas informações. Será que pode me ajudar?
A partir da resposta acima, o aumento da massa de água resulta na diminuição da frequência, o som fica mais grave. O mesmo se aplica para o xilofone de água, quanto mais água, mais grave é o som. Ou seja, quando mais água, mais massa e menor a frequência.
Mas, se não entendi errado, na refração das ondas sonoras (lei de Snell) a frequência da onda não muda e sim o comprimento da onda. Sendo assim, quando aumento a massa de água e diminuo a massa de ar, a velocidade e o comprimento da onda aumentam ao passar do ar para a água, sem alterar a frequência e resultam num som menos intenso de mesma frequência.
Nessa exemplo, em que momento a frequência se altera uma vez que isso não pode ocorrer nem na reflexão, nem na refração e nem na difração das ondas? O que eu não estou entendendo que está gerando essa dúvida?
Desde já agradeço.
A explicação não envolve a refração.
Em qualquer situação do copo ou da garrafa estamos ouvindo os sons no ar!
A razão para a diminuição da frequência é uma analogia com o oscilador massa-mola. Aumentando a massa as vibrações são mais lentas, possuem menor frequência. As paredes vibrantes geram os sons no ar que então ouvimos.