Inversão de fase na reflexão de ondas sonoras: acontece? quando?

21 de maio, 2020 às 22:17 | Postado em Acústica, Ondas mecânicas

Olá,

Boa tarde, professor.

Sou professor aqui na Bahia e gosto muito de suas publicações e “investidas” contra” um ensino de Física “quadrado” cheio de “fórmulas” e pouco atento ao fenômeno em si. Tomo a liberdade de te escrever.

Escrevo-lhe para perguntar uma dúvida sobre ondas. No estudo da interferência em películas finas falamos da inversão de fase da onda luminosa quando na interação AR/ÁGUA ocorre inversão de fase por diferenças no índice de refração, fazendo o campo elétrico inverter a fase. Mas, e se substituíssemos a luz por uma onda sonora? Vai haver a inversão de fase?

PS: Perdoe a ousadia de te escrever, mas é que de longa data “acompanho” seus vídeos e trabalhos em Física. Desde aquele experimento do “barco à vela com ventilador” e que mais tarde tornou-se uma questão ENEM.

Para começar quero esclarecer que eu nada tenho a ver com a colocação da questão no ENEM sobre o carrinho com vela e o ventilador. Acredito que ela tenha sido inspirada em nosso vídeo e em nosso artigo Um barco a vela pode ser propulsionado por um ventilador solidário ao barco que sopra em sua vela? Considero inapropriado ao ENEM a colocação da questão pois muitos livros e materiais na web dão uma resposta negativa à pergunta quando de fato ela é positiva conforme discutido em Barco com ventilador solidário, desloca-se ou não? Então, bons alunos que aprenderam através desses materiais equivocados (mas muito disseminados) foram prejudicados nesta questão, ou seja, a questão acabou sendo o que se costuma chamar de “pegadinha”.

Agora passo ao tema do questionamento.

Ondas sonoras, que são ondas de pressão e de deslocamento, podem sofrer mudança de fase quando ocorre reflexão.

O parâmetro relevante que decide sobre a inversão ou não da fase na interface de dois meios (e também sobre a energia que é transmitida de um meio para o outro) é a impedância acústica de ambos os meios.  A impedância acústica de um meio é o produto da rapidez de propagação (valor da velocidade de propagação) do som pela densidade do meio (Elmore e Heald, 1985).

A inversão de fase da onda de pressão acontece quando a onda se reflete na interface provinda do meio com maior impedância acústica e para o meio de menor impedância acústica.

Portanto se uma onda sonora provinda do ar incidir sobre a água, dado que a impedância acústica do ar é cerca de 3800 vezes menor que a da água, a reflexão se dará sem inversão de fase da onda de pressão. Outra consequência desta reflexão é que a maior parte da energia transportada pela onda incidente é refletida.

Neste caso de incidência do ar para água (ou do ar para um sólido ou uma parede), se um trem de ondas com uma única frequência incidir perpendicularmente à superfície de separação dos dois meios,  se estabelecerá uma onda estacionária no ar com um antinodo de pressão (nodo de deslocamento) junto à interface. É o que ocorre em um tubo de Kundt com ar e água ou ar e vidro na extremidade fechada.

Outra postagem relacionada ao tema: Dúvida sobre a questão 13 do CV2023-UECE

REFERÊNCIA

Elmore, W. C. e Heald, M. A. Physics of waves. Dover, New York, 1985.

“Docendo discimus.” (Sêneca)