ONDAS LONGITUDINAIS: CARACTERÍSTICAS, DIFERENÇAS, EXEMPLOS - FISICA - 2025

As ondas longitudinais se manifestam em meios materiais nos quais as partículas oscilam paralelamente à direção em que a onda viaja. como será visto nas imagens a seguir. Essa é sua característica distintiva.

Ondas sonoras, certas ondas que aparecem durante um terremoto e aquelas que são produzidas em um furacão ou primavera quando é dado um pequeno impulso na mesma direção de seu eixo, são bons exemplos dessa classe de ondas.

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

O som é produzido quando um objeto (como o diapasão da figura, um instrumento musical ou simplesmente as cordas vocais) é vibrado em um meio capaz de transmitir a perturbação por meio da vibração de suas moléculas. O ar é um meio adequado, mas também os líquidos e os sólidos.

A perturbação modifica repetidamente a pressão e a densidade do meio. Dessa forma, a onda produz compressões e expansões (rarefações) nas moléculas do meio, pois a energia se move a uma determinada velocidade v.

Essas mudanças de pressão são percebidas pelo ouvido por meio de vibrações no tímpano, que a rede nervosa é responsável por transformar em minúsculas correntes elétricas. Ao chegar ao cérebro, ele os interpreta como sons.

Em uma onda longitudinal, o padrão que se repete continuamente é chamado de ciclo e sua duração é o período da onda. Há também a amplitude, que é a intensidade máxima e que é medida de acordo com a magnitude que se toma 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, ver figura 1. No Sistema Internacional o comprimento de onda é medido em metros. Finalmente, há sua velocidade (em metros / segundo para o Sistema Internacional), que indica a rapidez com que a energia se propaga.

Como as ondas longitudinais aparecem nas ondas do oceano?

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

- Ondas de vento

- Marés

- Tsunamis

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

Porém, na superfície do mar as coisas são um pouco diferentes, visto que predominam as chamadas ondas de superfície, que combinam características de ondas longitudinais e transversais. Portanto, as ondas que se movem nas profundezas do meio aquático diferem muito das que se movem na superfície.

Um tronco flutuando na superfície do mar tem uma espécie de movimento alternativo ou giratório suave. Na verdade, quando as ondas quebram na costa, são os componentes longitudinais da onda que predominam, e como o tronco responde ao movimento das moléculas de água que o cercam, também é observado indo e vindo na superfície.

Figura 2. As ondas do mar na superfície são ondas que possuem características de onda parcialmente longitudinais e parcialmente transversais. Fonte: Fonte: Vargklo em en.wikipedia

Relação entre profundidade e comprimento de onda

Os fatores que determinam o tipo de onda produzida são: a profundidade da água e o comprimento de onda da onda do mar. Se a profundidade da água em um determinado ponto é chamada de d, e o comprimento de onda é λ, as ondas vão de longitudinais a superficiais quando:

Na superfície, as moléculas de água adquirem movimentos rotacionais que perdem com o aumento da profundidade. O atrito da massa de água com o fundo faz com que essas órbitas se tornem elípticas, como mostrado na figura 2.

Nas praias, as águas próximas à orla são mais agitadas porque lá as ondas quebram, as partículas de água são desaceleradas no fundo e isso faz com que mais água se acumule nas cristas. Em águas mais profundas, por outro lado, percebe-se como as ondas amolecem.

Quando d >> λ / 2 temos ondas de águas profundas ou ondas curtas, as órbitas circulares ou elípticas diminuem de tamanho e as ondas longitudinais predominam. E se d << λ / 2 as ondas são de águas superficiais ou ondas longas.

Diferenças com ondas de cisalhamento

Tanto as ondas longitudinais quanto as transversais se enquadram na categoria de ondas mecânicas, que requerem um meio material para sua propagação.

A principal distinção feita entre as duas foi mencionada no início: nas ondas transversais as partículas do meio movem-se perpendicularmente à direção de propagação da onda, enquanto nas ondas longitudinais elas oscilam na mesma direção seguida pela perturbação. Mas existem características mais distintas:

Mais diferenças entre ondas transversais e longitudinais

- Numa onda transversal distinguem-se cristas e vales, que nas longitudinais equivalem a compressões e expansões.

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

- As ondas transversais podem se propagar em qualquer meio e até no vácuo, como as ondas eletromagnéticas. Por outro lado, no interior dos fluidos, sem rigidez, as partículas não têm outra opção a não ser deslizar umas sobre as outras e se mover como o faz a perturbação, ou seja, longitudinalmente.

Como conseqüência, as ondas originadas no meio das massas oceânica e atmosférica são longitudinais, uma vez que as ondas transversais requerem meios com rigidez suficiente para permitir os movimentos perpendiculares característicos.

- As ondas longitudinais causam variações de pressão e densidade no meio através do qual se propagam. Por outro lado, as ondas transversais não afetam o meio dessa forma.

Semelhanças entre ondas longitudinais e transversais

Eles têm as mesmas partes em comum: período, amplitude, frequência, ciclos, fase e velocidade. Todas as ondas sofrem reflexão, refração, difração, interferência e o efeito Doppler e transportam energia através do meio.

Embora os picos e vales sejam característicos de uma onda transversal, as compressões na onda longitudinal são análogas aos picos e as expansões aos vales, de forma que ambas as ondas admitem a mesma descrição matemática de onda seno ou sinusoidal.

Exemplos de ondas longitudinais

As ondas sonoras são as ondas longitudinais mais típicas e estão entre as mais estudadas, pois são o alicerce da comunicação e da expressão musical, razão de sua importância na vida das pessoas. Além disso, as ondas sonoras têm importantes aplicações na medicina, tanto no diagnóstico quanto no tratamento.

A técnica de ultrassom é bem conhecida pela obtenção de imagens médicas, bem como para o tratamento de cálculos renais, 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 (ele também produz uma corrente quando é aplicada pressão).

Para realmente ver como é uma onda longitudinal, nada melhor do que molas helicoidais ou slinkys. Ao dar um pequeno impulso à mola, é imediato observar como as compressões e expansões se propagam alternadamente ao longo das voltas.

- Ondas sísmicas

As ondas longitudinais também fazem parte dos movimentos sísmicos. Os terremotos consistem em diferentes tipos de ondas, entre as quais estão P ou ondas primárias e S ou ondas secundárias. As primeiras são longitudinais, enquanto as últimas as partículas do meio vibram em uma direção transversal ao deslocamento da onda.

Em terremotos, ondas longitudinais (ondas P primárias) e ondas transversais (ondas S secundárias) e outros tipos, como ondas de Rayleigh e ondas de amor, são produzidas na superfície.

Na verdade, as ondas longitudinais são as únicas conhecidas por viajarem pelo centro da Terra. Como eles só se movem em meios líquidos ou gasosos, os cientistas pensam que o núcleo da Terra é composto principalmente de ferro fundido.

- Exercício de aplicação

As ondas P e as ondas S produzidas durante um terremoto viajam em velocidades diferentes na Terra, então seus tempos de chegada nas estações sismográficas são diferentes (veja a figura 3). Graças a isso, é possível determinar a distância ao epicentro do terremoto, por triangulação, usando dados de três ou mais estações.

Figura 3. As ondas sísmicas P e S chegam aos sismógrafos com tempos diferentes, pois suas velocidades são diferentes. Fonte: Wikimedia Commons.

Suponha que v _P = 8 km / s é a velocidade das ondas P, enquanto a velocidade das ondas S é v _S = 5 km / s. As ondas P chegam 2 minutos antes das primeiras ondas S. Como calcular a distância do epicentro?

Resposta

Seja D a distância entre o epicentro e a estação sismológica. Com os dados fornecidos, o tempo de viagem t _P e t _S de cada onda pode ser encontrado:

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)

Resolvendo 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: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Série de Física para Ciência e Engenharia. Volume 7. Editado por Douglas Figueroa. Universidade Simon Bolivar. 1-58.
3. Infrasound and Ultrasound. Recuperado de: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Movimento de onda longitudinal e transversal. Obtido em: acs.psu.edu.
6. Ondas de água. Obtido em: labman.phys.utk.edu.