ONDAS DE SUPERFÍCIE: CARACTERÍSTICAS, TIPOS E EXEMPLOS - FISICA - 2025

Ondas de superfície são aquelas em que as partículas vibratórias têm movimento em duas dimensões, como as ondas que são produzidas quando uma pedra cai em uma lagoa ou lago.

Esse tipo de onda ocorre na interface entre dois meios diferentes, como o oceano e o ar, ou entre a superfície da Terra e o ar. São ondas em que as partículas experimentam movimentos transversais combinados com deslocamentos longitudinais, ou seja, bidimensionais.

Figura 1. Ondas de superfície em uma lagoa. Fonte: Pixabay.

Por exemplo, as partículas de água na superfície do oceano - ondas - movem-se em trajetórias circulares. Quando as ondas quebram na praia, predominam os deslocamentos longitudinais e, portanto, a alga ou um pedaço de madeira que está flutuando é visto movendo-se suavemente de frente para trás.

As ondas também se movem na superfície da Terra de maneira análoga às ondas do oceano. Eles viajam a uma velocidade mais lenta do que as ondas que se movem internamente através do volume da Terra, mas são capazes de causar ressonância em edifícios com mais facilidade.

Como as ondas produzem vibrações e carregam energia, elas têm efeitos destrutivos durante os terremotos.

Figura 2. Ondas de superfície no oceano. As partículas de água se movem no sentido horário quando o movimento da onda é da esquerda para a direita. No ponto mais alto, eles estão na crista da onda, enquanto o ponto mais baixo é chamado de canal. Fonte da figura à esquerda: F. Zapata. Fonte da figura à direita: Giambattista, A. 2010. Física. 2ª Edição. McGraw Hill.

Tipos de ondas de superfície

Qualquer tipo de onda, seja superficial ou não, é uma solução da equação ondulatória, que se aplica a quase qualquer tipo de movimento ondulatório, não só mecânico, como os exemplos descritos, mas também ondas eletromagnéticas, que são um diferentes tipos de ondas, pois são transversais.

A equação de onda, que é obtida considerando a segunda lei de Newton, é escrita assim:

Na equação acima, u é a função de onda que depende das três coordenadas espaciais x, y e z mais o tempo t: u = u (x, y, z, t). Além disso, v é a velocidade da perturbação. A equação de onda pode ser definida em outros sistemas de coordenadas, dependendo da geometria necessária.

Para encontrar a solução da equação, ela é ajustada às condições do problema, no qual, por exemplo, a geometria é delimitada e as propriedades do meio pelo qual o distúrbio se move são estabelecidas.

Existem muitos tipos de ondas de superfície, como:

-As ondas gravitacionais (ondas gravitacionais) como as ondas do mar descritas no início, nas quais a gravidade fornece uma força restauradora que permite o movimento transversal.

-Inchaço da superfície em uma lagoa, aqui está a tensão superficial da água que exerce uma força restauradora.

-Ondas elásticas de superfície que se movem na superfície da Terra durante um terremoto.

-As ondas eletromagnéticas, que apesar de serem transversais, podem ser devidamente orientadas para se moverem sobre uma superfície.

-Alguns tipos de ondas que se produzem nas cordas de um violão quando as cordas são golpeadas com força.

Ondas elásticas superficiais na superfície da Terra

Figura 3. Onda superficial na superfície da Terra. O movimento das partículas é uma combinação de deslocamentos transversais e longitudinais. Fonte: Giambattista, A. 2010. Física. 2ª Edição. McGraw Hill.

Ao resolver a equação da onda, as soluções, como já dissemos, correspondem a diferentes tipos de ondas. Quando a perturbação se move em um meio sólido, como a crosta terrestre, é possível fazer algumas suposições a respeito que simplificam o processo.

Por este motivo, o meio é considerado perfeitamente elástico, homogêneo e isotrópico, o que significa que suas propriedades são as mesmas independentemente da posição ou direção.

Com isso em mente, duas das soluções para a equação de onda em um meio elástico correspondem às ondas de superfície:

- Ondas de Rayleigh, em homenagem a Lord Rayleigh (1842-1919), o físico britânico que primeiro as descreveu.

-Waves of Love, de Augustus Love, geofísico e matemático britânico (1863-1940) que desenvolveu a teoria dessas ondas em seus trabalhos sobre elasticidade.

Na sísmica, essas ondas são chamadas de ondas L, para diferenciá-las das ondas P e ondas S, ambas consideradas ondas de volume (ondas corporais) que também são uma solução para a equação das ondas com as condições descritas acima. As ondas P são longitudinais e as ondas S são transversais.

Exemplos de ondas de superfície

Ondas Rayleigh

Em uma onda de Rayleigh, as partículas da frente de onda vibram no plano vertical, portanto, dizem que estão polarizadas verticalmente. As partículas movem-se em elipse, ao contrário das ondas na superfície do oceano, cujo movimento é circular, como afirmado no início (embora perto da costa sejam bastante elípticas).

O eixo maior da elipse é vertical e o eixo menor segue a direção de propagação, conforme mostrado na figura. Nela nota-se também que o movimento é retrógrado, ou seja, é realizado no sentido anti-horário.

Figura 4. Onda Rayleigh. Fonte: Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2ª Edição. Cambridge University Press.

Outra diferença importante com as ondas de água é que as ondas de Rayleigh só podem se propagar em meios sólidos, pois existe uma força de cisalhamento que não ocorre em líquidos.

A amplitude de deslocamento da partícula diminui exponencialmente com a profundidade, uma vez que a onda fica confinada à superfície, embora se for um terremoto de alta intensidade, as ondas podem circundar a Terra várias vezes antes de desaparecer completamente.

Ondas de amor

Nas ondas de amor, as partículas são polarizadas horizontalmente e têm uma grande amplitude de movimento paralela à superfície. Eles se movem a uma velocidade um pouco mais lenta do que as ondas Rayleigh, embora a velocidade nesses tipos de ondas dependa do comprimento de onda (onda dispersiva).

Para que essas ondas se propaguem, deve haver uma camada de baixa velocidade sobreposta em pelo menos uma camada de alta velocidade no meio. Como as ondas Rayleigh, as ondas do amor produzidas durante um terremoto podem circular a Terra várias vezes antes de dispersar sua energia.

Figura 5. Ondas de amor. Fonte: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Rolagem no solo

É comum encontrar essa variante das ondas de Rayleigh, chamada ground roll, em registros de exploração sísmica. É considerado ruído e deve ser evitado, pois devido à sua grande amplitude, às vezes mascara os reflexos que você está procurando ver.

ondas do oceano

Em grandes profundidades, as ondas do mar são ondas longitudinais, como as do som. Isso significa que sua direção de propagação é a mesma na qual as partículas vibram.

No entanto, a onda, perto da superfície, tem componentes longitudinais e transversais, fazendo com que as partículas sigam um caminho quase circular (ver figura 2 à direita).

Figura 6. As ondas do oceano são ondas de superfície. Fonte: Pixabay.

Referências

1. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Série de Física para Ciência e Engenharia. Editado por D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Física. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2ª Edição. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Ondas de amor. Recuperado de: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Ondas Rayleigh. Recuperado de: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Ondas de superfície. Recuperado de: en.wikipedia.org.