Ondulatória (Propriedades das Ondas, Fenômenos Ondulatórios e Acústica) no ENEM

Questão 1

Em um laboratório de acústica de uma universidade pública, pesquisadores estudam as frequências naturais de vibração de uma corda esticada presa em suas duas extremidades, com comprimento total de 1,2 metro. Quando a corda é excitada na frequência correta, formam-se ondas estacionárias, padrões de vibração em que certos pontos — os nós — permanecem em repouso e outros — os ventres — oscilam com amplitude máxima. Na frequência fundamental (primeiro harmônico), toda a corda forma exatamente meio comprimento de onda, ou seja, λ₁ = 2L, em que L é o comprimento da corda. No segundo harmônico, o comprimento de onda λ₂ = L, e assim por diante: no n-ésimo harmônico, λₙ = 2L/n. A velocidade de propagação das ondas transversais na corda é de 120 metros por segundo, valor que depende da tensão e da massa linear da corda. Os pesquisadores desejam saber qual é a frequência do terceiro harmônico dessa corda. Com base nos dados do laboratório, essa frequência vale quanto?

Gabarito: C. Em uma corda fixada nas duas extremidades, apenas frequências específicas geram ondas estacionárias: as frequências harmônicas fₙ = n × v/(2L), sendo n = 1, 2, 3, ... O primeiro harmônico é a frequência fundamental; os seguintes são múltiplos inteiros dela. Esse modelo explica como instrumentos de corda como violão e piano produzem notas musicais bem definidas.

Questão 2

Em uma escola pública, alunos realizam uma atividade prática sobre fenômenos ondulatórios no pátio coberto. O professor pede que cada grupo observe o que acontece quando alguém grita perto de uma parede lisa de alvenaria: o som vai até a parede e retorna ao ponto de origem, sendo percebido após um curto intervalo. Esse retorno do som é chamado de eco quando a distância é suficiente para que o observador distinga o som refletido do original, ou de reverberação quando as reflexões se superpõem rapidamente. O professor lembra que o mesmo princípio ocorre com a luz em espelhos, com ondas na superfície da água e com radar e sonar, que dependem da reflexão de ondas para localizar objetos. Em todos os casos, a onda incide sobre uma superfície e retorna ao meio original, mudando de direção sem mudar de natureza. Com base nos exemplos discutidos na atividade escolar, qual fenômeno ondulatório explica o retorno do som à parede de alvenaria e o funcionamento do sonar?

Gabarito: C. Reflexão é o retorno de uma onda ao meio original ao encontrar uma superfície. Eco é a reflexão sonora percebida com atraso; sonar e radar exploram esse princípio para determinar distâncias. A lei da reflexão vale para qualquer onda: o ângulo de incidência iguala o ângulo de reflexão em relação à normal da superfície.

Questão 3

Durante uma aula de educação física em uma piscina pública, estudantes percebem que, quando dois nadadores agitam a água simultaneamente em posições diferentes, as perturbações criadas por cada um se cruzam e, por um instante, parece surgir uma ondulação mais alta ou mais baixa do que as originais. Logo depois, cada onda segue seu caminho como se nada tivesse acontecido, sem alterar a forma das demais. O professor de física, que acompanha a aula, explica que quando duas ondas se encontram no mesmo ponto ao mesmo tempo, seus deslocamentos se somam algebricamente naquele instante: cristas que se encontram geram uma elevação ainda maior, enquanto crista e vale que se encontram podem se cancelar parcialmente ou totalmente. Esse comportamento é comum a todas as ondas, inclusive ao som, à luz e às ondas de rádio, e é fundamental para tecnologias como os fones de ouvido com cancelamento de ruído e as redes Wi-Fi. Com base na explicação do professor, qual princípio físico descreve a soma algébrica dos deslocamentos de duas ondas que se cruzam no mesmo ponto?

Gabarito: C. O princípio da superposição rege toda a interferência ondulatória: ondas em fase somam amplitudes (interferência construtiva) e ondas em oposição de fase subtraem amplitudes (interferência destrutiva). Após se cruzarem, as ondas retomam suas formas originárias. Esse princípio sustenta tecnologias como cancelamento ativo de ruído e holografia.