Efeito doppler

Efeito Doppler

  Este efeito é descrito como uma característica observada em ondas emitidas ou refletidas por fontes em movimento relativo ao observador. O efeito foi descrito teoricamente pela primeira vez em 1842 por Johann Christian Andreas Doppler, recebendo o nome Efeito Doppler em sua homenagem.

Para ondas sonoras, o efeito Doppler constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe freqüências diferentes das emitidas por uma fonte e acontece devido à velocidade relativa entre o a onda sonora e o movimento relativo entre o observador e/ou a fonte.

Considerando:

Podemos determinar uma fórmula geral para calcular a freqüência percebida pelo observador, ou seja, a freqüência aparente.

• Supondo que o observador esteja em repouso e a fonte se movimente:

Para o caso onde a fonte se aproxima do observador, há um encurtamento do comprimento da onda, relacionado à velocidade relativa, e a freqüência real será menor que a observada, ou seja:

Mas, como a fonte se movimenta, sua velocidade também deve ser considerada, de modo que:

Substituindo  no cálculo da frequência observada:

Ou seja:

Para o caso onde a fonte se afasta do observador, há um alongamento aparente do comprimento de onda, nesta situação a dedução do cálculo da frequência observada será análoga ao caso anterior.

No entanto:

Então:

Podemos escrever uma fórmula geral para os casos onde a fonte se desloque e o observador fique parado, se utilizarmos:

Sendo o sinal negativo utilizado no caso onde a fonte se aproxima e positivo no caso em que a fonte se afasta.

ONDAS:

As ondas são perturbações que se propagam no espaço, ou em meios materiais, transportando energia. De acordo com a sua natureza, as ondas podem ser classificadas em dois tipos:

1.    Ondas mecânicas: são as ondas que se propagam em meios materiais. Por exemplo: as ondas marítimas, ondas sonoras, ondas sísmicas etc. A descrição do comportamento desse tipo de onda é feita pelas Leis de Newton.

2.    Ondas eletromagnéticas: são resultado da combinação de campo elétrico com campo magnético. Sua principal característica é que não precisam de um meio material para propagarem-se. São exemplos desse tipo de onda a luz, os raios X, as micro-ondas, ondas de transmissão de sinais entre outras. Essas Leis são descritas pelas Equações de Maxwell.

Outra classificação das ondas é feita considerando-se a direção de vibração. De acordo com essa característica, uma onda pode ser definida como:

1.    Transversal: quando as partículas do meio de propagação vibram perpendicularmente à direção de propagação da onda. Um exemplo desse tipo de onda é a luz.

2.    Longitudinais: quando as partículas do meio de propagação vibram na mesma direção em que a onda se propaga, como é o caso das ondas sonoras.

Por fim, quanto à direção de propagação, as ondas podem ser classificadas em:

·         unidimensionais: quando se propagam em apenas uma direção, como a onda em uma corda;

·         bidimensionais: se a propagação ocorre em duas direções, que é o caso da onda gerada por uma perturbação na água;

·         ondas tridimensionais: que se propagam em três dimensões, como as ondas sonoras.

Propriedades das ondas

Para estudar uma onda, precisamos conhecer algumas de suas propriedades, tais como: a velocidade de propagação, a amplitude, o período e a frequência. Para uma melhor compreensão dessas propriedades, veja a seguir a representação gráfica de uma onda:

Representação gráfica de uma onda

O comprimento de onda, que pode ser representado pela letra λ, é a distância entre valores repetidos em uma forma de onda. É calculado com a equação:

λ = c
     f

Sendo:

λ – o comprimento de onda;

c – velocidade da luz no vácuo (possui valor igual a 3.10⁸m/s);

f – frequência da luz.

A partir de λ, podemos calcular a velocidade de uma onda com a seguinte fórmula:

v = λ
     T

Sendo:

v – velocidade da onda;

λ – comprimento da onda;

T – período.

O período é definido como o espaço de tempo necessário para uma onda caminhar um comprimento de onda.

A frequência é o inverso do período:

f = 1
    T

REFRAÇÃO:

Quando um feixe de luz incide em uma superfície líquida é refletido por esta e desviado (isto é refratado), ao penetrar na água. O feixe incidente é representado por uma reta única , o raio incidente, paralelo ao sentido de propagação. Supondo que o feixe incidente seja um onda plana, com as frentes de onda normais ao raio incidente. Os feixes, refletido e refratado, são também representados pelos raios respectivos. Os ângulo de incidência θ, de reflexão θ' e o de refração θ'' são medidos entre a normal à superfície (que é o plano perpendicular ao plano de incidência) e o raio correspondente, como mostra a figura.

As leis que governam a reflexão e a refração são de fácil constatação experimental.

1º Os raios refletidos, refratados e incidente pertencer a um mesmo plano.
2º Na reflexão o ângulo de incidência tem mesmo valor que o ângulo de reflexão.

Assim: θ = θ'

3º Para a reflexão temos que:

Onde n₂  é uma constante, chamada índice de refração do meio 2 em relação ao meio 1.

A refração da luz depende diretamente do comprimento de onda, assim foi possível para Newton mostrar o espectro da luz utilizando um prisma.

A lei da reflexão já era conhecida por Euclides. A da refração foi descoberta por Willebrod Snell (1591-1626) e deduzida da primitiva teoria corpuscular da luz por René Descartes (1596-1650), é conhecida como Lei de Snell-Descartes.

Para analisarmos um pouco de física moderna:
As leis de reflexão e refração podem ser deduzidas das equações de Maxwell, o que significa que devem ser válidas em todas as regiões do espectro magnético.Existe uma ampla comprovação experimental desta teoria, sendo que sempre seu comportamento é perfeitamente satisfatório para a teoria adotada.

Óptica:

Luz - Comportamento e princípios

A luz, ou luz visível como é fisicamente caracterizada, é uma forma de energia radiante. É o agente físico que, atuando nos órgãos visuais, produz a sensação da visão.

Para saber mais... Energia radiante é aquela que se propaga na forma de ondas eletromagnéticas, dentre as quais se pode destacar as ondas de rádio, TV, microondas, raios X, raios gama, radar, raios infravermelho, radiação ultravioleta e luz visível. Uma das características das ondas eletromagnéticas é a sua velocidade de propagação, que no vácuo tem o valor de aproximadamente 300 mil quilômetros por segundo, ou seja: Podendo ter este valor reduzido em meios diferentes do vácuo, sendo a menor velocidade até hoje medida para tais ondas quando atravessam um composto chamado condensado de Bose-Einstein, comprovada em uma experiência recente.

A luz que percebemos tem como característica sua freqüência que vai da faixa de (vermelho) até (violeta). Esta faixa é a de maior emissão do Sol, por isso os órgãos visuais de todos os seres vivos estão adaptados a ela, e não podem ver além desta, como por exemplo, a radiação ultravioleta e infravermelha.

Divisões da Óptica

Óptica Física: estuda os fenômenos ópticos que exigem uma teoria sobre a natureza das ondas eletromagnéticas.
Óptica Geométrica: estuda os fenômenos ópticos em que apresentam interesse as trajetórias seguidas pela luz.  Fundamenta-se na noção de raio de luz e nas leis que regulamentam seu comportamento. O estudo em nível de Ensino Médio restringe-se apenas a esta parte da óptica.

Conceitos básicos

Raios de luz
São a representação geométrica da trajetória da luz, indicando sua direção e o sentido da sua propagação. Por exemplo, em uma fonte puntiforme são emitidos infinitos raios de luz, embora apenas alguns deles cheguem a um observador.
Representa-se um raio de luz por um segmento de reta orientado no sentido da propagação.

Feixe de luz
É um conjunto de infinitos raios de luz; um feixe luminoso pode ser:

• Cônico convergente: os raios de luz convergem para um ponto;

• Cônico divergente: os raios de luz divergem a partir de um ponto;

• Cilíndrico paralelo: os raios de luz são paralelos entre si.

Fontes de luz

Tudo o que pode ser detectado por nossos olhos, e por outros instrumentos de fixação de imagens como câmeras fotográficas, é a luz de corpos luminosos que é refletida de forma difusa pelos corpos que nos cercam.
Fonte de luz são todos os corpos dos quais se podem receber luz, podendo ser fontes primárias ou secundárias.

• Fontes primárias: Também chamadas de corpos luminosos, são corpos que emitem luz própria, como por exemplo, o Sol, as estrelas, a chama de uma vela, uma lâmpada acesa,...
• Fontes secundárias: Também chamadas de corpos iluminados, são os corpos que enviam a luz que recebem de outras fontes, como por exemplo, a Lua, os planetas, as nuvens, os objetos visíveis que não têm luz própria,...

Quanto às suas dimensões, uma fonte pode ser classificada como:

• Pontual ou puntiforme: uma fonte sem dimensões consideráveis que emite infinitos raios de luz.

• Extensa: uma fonte com dimensões consideráveis em relação ao ambiente.