Ondas sonoras aceleram ao passar de um meio para outro?

10 de dezembro, 2014 às 9:39 | Postado em Acústica, Cinemática, Ondas mecânicas, Oscilações

Olá professor Lang.

A minha pergunta dessa vez é a seguinte, como se explica a um aluno de ensino médio, o motivo de uma onda, sonora por exemplo, ao passar do ar para agua , aumenta sua velocidade, já que não existe nada que esteja acelerando-a. De modo geral, como a onda aumenta ou diminui sua velocidade ao mudar de meio.

O valor da velocidade (rapidez) de propagação de uma onda sonora em um meio depende de duas características do meio: a densidade e o módulo de elasticidade volumétrica do meio.

Aumentando o módulo de elasticidade (mantida constante a densidade) a rapidez de propagação aumenta. Aumentando a densidade (mantido constante o módulo de elasticidade) a rapidez de propagação DIMINUI. Portanto, não é verdade, como está escrito em alguns livros, que a rapidez cresce conforme aumenta a densidade. A rapidez de propagação do som no ar é menor do que na água porque a densidade da água é cerca de 1000 vezes maior do que a do ar enquanto que o módulo de elasticidade da água é mais de 1000 vezes maior do que o do ar. Ou seja, o fato de que a água é menos compressível do que o ar (tem módulo de elasticidade maior do que o do ar) compensa e excede o efeito da densidade.  Olha também Dúvidas sobre o salto do Felix Baumgartner.

Para responder a pergunta que colocas é necessário notar que um corpo, por ter massa,  não pode mudar bruscamente sua velocidade, necessitando que uma força lhe seja aplicada, acelerando-o portanto, e mudando sem descontinuidade sua velocidade.

Quando uma onda se propaga em um meio as partes do meio se movem, oscilam, em cumprimento estrito das Leis de Newton. Por exemplo na interface do ar com água, não  há descontinuidade na velocidade de oscilação das partes dos meios que oscilam. Estas velocidades de oscilação NÃO devem ser confundidas com a velocidade com a qual a energia é transportada através de um meio (rapidez de propagação da onda).

Um caso ilustrativo de que a velocidade de oscilação do meio não é a mesma que a rapidez de propagação da onda acontece com um tsunami em alto mar. Lá o tsunami viaja com velocidade da ordem de centenas de quilômetros por hora (centenas de metros por segundo) enquanto a água oscila com velocidades variáveis, como valores máximos da ordem de milímetros por segundo. Vide Propagação das ondas marítimas e dos tsunami em Research_Gate.

Desta forma uma onda pode sofrer descontinuidades na sua rapidez de propagação pois a esta rapidez informa sobre o transporte de ENERGIA e não de massa no meio. O que não é permitido pelas Leis de Newton é que aconteçam descontinuidades nas velocidades das partes do meio que oscila quando a onda se propaga. Destaco ainda que na interface do ar com a água parte da energia sonora retorna, é refletida portanto, e este processo NÃO é muito diferente da reflexão de um corpo em obstáculo, a exemplo do que acontece com uma bolinha de ping-pong jogada contra uma parede.

Finalmente, quando acontecem mudanças bruscas ou contínuas (é o caso quando uma onda sonora se propaga em um meio que lentamente se modifica em densidade e/ou em módulo de elasticidade volumétrica) na rapidez de propagação de ondas sonoras, as Leis de Newton estão sendo cumpridas pelas partes do meio que oscilam.

“Docendo discimus.” (Sêneca)

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