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.

Experimento de Física

Plataforma Giratória

Neste experimento observamos uma das mais importantes leis da física, relacionada a dinâmica de rotações. Com uma pessoa sobre uma plataforma giratória e com uma determinada velocidade inicial, num primeiro momento com seus braços completamente estendidos horizontalmente e logo depois juntando-os ao seu tronco, percebemos que há uma alteração na sua velocidade.

Coloque uma pessoa em pé ou sentada numa plataforma giratória, isenta de atrito, com dois halteres, um em cada mão e estenda os braços completamente na horizontal. Com o auxílio de outra pessoa, dê um leve impulso para que se adquira uma velocidade inicial não muito elevada para que se possa manter o equilíbrio sobre a plataforma. Em seguida, a pessoa que está sobre a plataforma fecha os braços e junta-os ao tronco. Percebesse, instantaneamente, que a pessoa começa a girar muito mais rápido que antes.

Este fenômeno é um bom exemplo para mostrar que, se num sistema (pessoa e plataforma) nenhum agente externo interagir com este, não irá alterar o seu estado inicial (tomando como base o momento inicial como logo após o impulso do ajudante).

Sabemos que se algum corpo estiver em movimento e quisermos mudar este movimento, temos que interagir com o corpo, ou seja, aplicar uma força sobre ele e assim fazer com que ele desacelere ou acelere. O mesmo ocorre na plataforma + a pessoa, que podemos considerar um corpo só. Mas cuidado, pois eles estão girando. Como o corpo (plataforma + pessoa) não recebe nenhum empurrão de alguém de fora, este deverá conservar o seu estado inicial, mesmo com a mudança da posição da pessoa sobre a plataforma. Podemos, grosseiramente, imaginar como uma compensação: se a pessoa fecha os braços (diminui algo) outra coisa deverá aumentar para compensar esta mudança, pois não tem ninguém de fora empurrando a plataforma.

Se a pessoa voltar a abrir os braços, pode-se notar que ela retornará à sua velocidade inicial, aquela logo após o impulso. Você poderá usar no lugar da plataforma uma cadeira giratória (essas de escritório), tomando cuidado de não colocar os pés no chão e poderá usar quaisquer pesos, não necessariamente halteres. Você poderá também pesquisar mais sobre o fenômeno nos links que se seguem, observando e obtendo suas próprias indagações e conclusões à partir do que lhe apresentamos sobre 2º lei de newton, quantidade de movimento angular.

Experimento de Física

Experimento de Física

Talheres Equilibristas

Neste experimento, será observado a capacidade que alguns objetos possuem de se manter em equilíbrio, mas sem terem contato direto com o ponto de apoio.

Para montar o experimento, primeiramente foram acoplados um garfo e uma colher de forma que permaneçam fixos, conforme a foto acima. Entre os dentes do garfo foi colocado um palito de dente e a outra extremidade foi equilibrada na boca de um copo, de modo que os talheres não tenham contato com o recipiente.

O que nós chamamos de sistema (garfo + colher) permanece estável sem tocar o copo, que é seu apoio, esse fenômeno está relacionado ao conceito de um ponto conhecido como centro de massa. Assim, uma vez que foi encontrado esse ponto, os talheres se mantém em equilíbrio.

http://magiadafisica.blogspot.com.br/2009/10/talheres-equilibristas.html

Experimento de Física

Gangorra de moedas

Assuntos envolvidos:

• Momento de uma força;
• Condições de equilíbrio.

Material necessário:

1. Régua: Não deve ser muito maleável, pois as moedas irão curvá-la e cairão constantemente. Dê preferência a uma de 30 cm transparente, pois os efeitos serão mais visíveis. Uma régua como esta facilitará o reconhecimento do eixo de rotação por ser transparente;
2. Uma borracha (quanto maior a borracha, maior a estabilidade da gangorra);
3. Diversas moedas (devem ser iguais).

Material necessário

Procedimento

Primeiro passo

1. Coloque a borracha em cima da mesa.

Ajuste o centro da régua em cima da borracha e ajeite-a até que ela fique na horizontal;

Segundo passo

Coloque uma moeda numa das extremidades da régua e veja o que acontece;

Terceiro passo

Coloque uma moeda (igual) na outra ponta da régua, à mesma distância da borracha que a primeira, e veja o que acontece.

Quarto passo

Coloque outra moeda (igual) em cima de uma das moedas sobre a régua. Empurre as duas moedas no sentido da borracha até a régua entrar em equilíbrio.

http://fisicapratica.com/experiencias/gangorra-de-moedas-experiencias-3/

Experimento de Física

Testando o centro de gravidade com pregos

Sabe-se que todo corpo sólido possui um ponto denominado centro de gravidade ou centro de massa. Essa atividade experimental tem como objetivo mostrar que podemos equilibrar dez pregos na ponta de um através do centro de gravidade do conjunto. Tal atividade pode ser iniciada como sendo um desafio para os alunos.

Inicie a atividade experimental propondo aos alunos um desafio. Tal desafio consiste em conseguir equilibrar dez pregos somente na ponta de um prego. Para realizar a atividade serão disponibilizados 11 pregos grandes, um chapa de madeira de 10 x 10 cm e um martelo.

Como mostra a figura acima, peça aos alunos que fixem no meio da chapa de madeira um único prego, é necessário que ele fique bem firme, mas não totalmente fixado. Em seguida, dê um tempo para que os estudantes pensem em uma maneira para equilibrar os 10 pregos restantes sobre a cabeça do prego que está fixo.

Após esperar algum tempo de interação entre os alunos, verifique se algum grupo conseguiu equilibrar os pregos. Caso não tenham conseguido, vá ensinando passo a passo como conseguir.

Montando o experimento

Como mostra a figura acima, coloque oito pregos sobre o prego que inicialmente foi colocado horizontalmente sobre a chapa de madeira. É necessário que os pregos fiquem na posição igual ao da figura acima.

Após colocar todos os pregos, coloque o último prego sobre os demais pregos na mesma direção do prego base. Para que o conjunto fique mais firme, coloque o último prego com a cabeça no sentido oposto à cabeça do prego base. Veja a figura abaixo:

Para finalizar, com as duas mãos pegue nas pontas e nas cabeças dos pregos base, de modo que os demais pregos não saiam das suas posições iniciais. Com muito cuidado, posicione o conjunto de pregos sobre o prego que está fixo na madeira. Vagarosamente, solte os pregos e veja como eles se equilibram.

Explicando o equilíbrio

Nesse experimento, o conjunto ficou em equilíbrio primeiramente pelo fato de o prego de cima servir como trava para os pregos de baixo, fazendo com que o conjunto ficasse fixo. Agora, o fato de o conjunto ficar parado está relacionado com o centro de gravidade. O centro de gravidade é o local onde se concentra virtualmente toda a massa do objeto.

Para que o conjunto fique parado sobre o prego, é necessário que o centro de gravidade esteja localizado abaixo do ponto de apoio. Sendo assim, a média dos centros de gravidade de cada um dos pregos resulta em um centro de gravidade localizado exatamente no ponto de apoio do experimento.