Um fenômeno físico de enorme importância para a tecnologia é a ressonância. Por que todos os corpos tendem a vibrar de uma maneira mais intensa numa única frequência? De que modo podemos aproveitar este fenômeno na construção de instrumentos musicais e outros dispositivos? Como o fenômeno pode comprometer projetos, se não for devida considerado. Tudo isso será explicado de maneira simples neste artigo em que analisamos os fenômenos da ressonância.
Para entender como o fenômeno da ressonância ocorre nada melhor do que partirmos de sua manifestação na acústica, ou seja, com ondas sonoras que se propagam através do ar. Veremos posteriormente que ele também se manifesta de outras formas. Como sabemos, o som consiste em vibrações que se propagam por um meio material. No caso do ar estas ondas são de compressão e descompressão (*), com zonas de maior ou menor densidade, conforme mostra a figura 1.
(*) Recentemente, de uma forma até que surpreendente para a física, pesquisadores chineses conseguiram provar a existência de ondas sonoras que se propagam com vibrações transversais.
Num objeto de metal ou outro sólido podemos ter tanto ondas Iongitudinais como transversais. Na figura 2 mostramos dois casos em que isso acontece.
A maneira como um corpo vibra quando batemos nele depende de suas características físicas tais como o formato, o tipo de material e o tamanho.
No caso de um tubo, por exemplo, se soprarmos em sua boca, as vibrações tendem a se propagar e refletir no seu fundo voltando para a boca. Esta volta faz com que ocorra um fenômeno de interferência, ou seja, a onda “que vai” perturba a onda que vem e o resultado é que o ar no interior do tubo se vê obrigado a vibrar de uma única maneira. Esta maneira é justamente aquela em que o ponto de menor intensidade fica no fundo e o de maior intensidade na boca.
Considerando uma onda, conforme mostra a figura 3, vemos então que o tubo tende a vibrar de modo que seu comprimento corresponda a 1/4 do comprimento da onda do som correspondente.
Veja então que, quanto maior for o tubo, maior será o comprimento da onda do som em que ele tende a vibrar e, portanto, mais grave o som.
Soprando então na boca de diversos tubos de tamanhos diferentes, conforme mostra a figura 4, temos a produção de sons de frequências ou comprimentos de ondas diferentes, e com isso a elaboração de um instrumento musical simples.
Levando em consideração que a velocidade de propagação do som no ar é de aproximadamente 340 metros por segundo, e que a nota “Lá" básica de qualquer instrumento é de 440 hertz, podemos calcular o tamanho de um tubo que dê esta nota quando soprado.
Fazemos então:
V = L x f
Onde:
V = velocidade do som em metros por segundo (m/s)
L = comprimento da onda em metros (m)
f = frequência em Hertz (Hz)
Calculamos a comprimento da onda:
L = f/V
L = 440/340
L = 1,294m
Dividindo este valor por 4 temos o comprimento do tubo:
X=L/4
X = 0,823 ou 32,3cm
Uma garrafa cheia de água até uma certa altura, de modo a manter uma coluna de ar que pode vibrar, também resulta num dispositivo que responde a uma única frequência, conforme mostra a figura 5.
Um conjunto e garrafas cheias de água até alturas diferentes pode formar uma interessante flauta ou marimba, se em lugar de soprarmos, batermos (figura 6)
A altura do líquido em cada garrafa determina a frequência que ela vai vibrar quando batermos com um pequeno martelo. Quanto mais cheia estiver a garrafa, mais agudo será o som, mas também influi o tamanho da garrafa.
Muitos artistas populares (de circo) usam este instrumento como curiosidade e dele conseguem tirar músicas inteiras.
Para o caso de objetos sólidos, a batida faz com que ondas sejam produzidas e reflitam nas extremidades do objeto, num fenômeno semelhante ao que ocorre num tubo. Assim, existe uma frequência determinada em que as vibrações tendem a ser mais fortes.
Esta frequência, denominada de ressonância, permite a construção de dispositivos denominados “diapasões”.
Um diapasão é basicamente uma forquilha de metal cortada com tais dimensões que quando batemos ou a excitamos de outra forma, ela tende a vibrar numa única frequência. (figura 7)
Os músicos usam um dispositivo deste tipo para afinar seus instrumentos.
Curiosidade
Quando um objeto qualquer é estimulado e começa a vibrar na sua frequência de ressonância ele absorverá energia da vibração estimulante e com isso, ele tenderá a vibrar de forma cada vez mais intensa. A amplitude de sua vibração aumenta.
Grandes estruturas, por exemplo, se tornam vulneráveis justamente a esses estímulos externos, podendo até ser destruídas. O vento batendo num prédio ou ponte faz com que ele comece a vibrar de maneira cada mais intensa ao ponto de sua estrutura ser rompida e eles desabarem.
Um filme que é projetado na aulas de física, desde tempos antigos, antes da internet é o que mostra o desabamento da ponte de Takoma (1938-1940). Você pode vê-lo no link https://www.youtube.com/watch?v=dvRHK4yA8rc
O vento batendo de forma constante na ponte fez com que ela começa a vibrar cada vez de forma mais intensa ao ponto de se desintegrar-se completamente diante da câmera. Hoje uma preocupação em qualquer obra é com a frequência de ressonância.
É por esse motivo que um pelotão de soldados nunca atravessa marchando uma ponte. Os passos ritmados fazem com que a estrutura comece a absorver energia e com isso a ponte vibrará de forma cada vez mais intensa, podendo desabar. Ao entrar numa ponte, o comandante do pelotão ordena que a marcha seja interrompida e os soldados atravessam com passos normais.
Você pode notar esse fenômeno quando trafega em alta velocidade com o vidro parcialmente aberto (um pequeno vão). Se carro funciona como um tubo acústico e o vento o faz vibrar. Você notará isso.
Cidades inteligentes (box)
O problema da ressonância em condições especiais como ventos fortes, terremotos, e outros pode ser resolvido com a tecnologia.
No Japão e em outros países, por exemplo, existem prédios que possuem massar móveis que compensam a vibração do edifício em caso de terremotos ou de ventos muito fortes.
Um bloco de concreto é montado na parte mais alta do prédio, de modo que ele possa oscilar lateralmente através de polias. Esse bloco é acoplado a pistões ou outros dispositivos de acionamento ligados a um circuito de acionamento inteligente.
Este circuito contém sensores que então percebem que o prédio tende a oscilar numa direção. Eles informam o circuito que então aciona o dispositivo hidráulico ou de outro tipo empurrando o bloco na mesma direção e assim criando uma força oposta que impede que o prédio oscile.
Imagem da internet mostrando o funcionamento – O sistema funciona como um dispositivo ressonante que absorve a energia que tende a fazer o prédio oscilar
Experimentos
Se você colocar próximos dois diapasões para frequências iguais, e bater num. Aproximando o ouvido do segundo, notará que ele estará vibrando. Se você fizer a experiência com diapasões de frequências diferentes isso não ocorrerá.
Mas, se você é professor ou mesmo estudante que deseja demonstrar o fenômeno, não precisa ter diapasões. Pode usar dois violões bem afinados.
Colocando um diante do outro, ao tocar uma corda, aproximando o ouvido do outro, ouvirá a mesma corda vibrando...
. Experimento com o celular
Você pode usar seu celular para determinar a frequência de ressonância de um objeto. O experimento que vamos descrever a seguir pode ser muito interessante para professores de física e mesmo estudantes que desejem fazer um interessante trabalho escolar sobre o assunto.
No Google Play encontramos diversos frequencímetros que se aproveitam do microfone do celular para medir a frequência de um som. Assim, você pode usar seu celular para medir a frequência do som emitido por um objeto quando batemos nele.
Veja no final do vídeo o vídeo que fizemos usando o nosso diapasão como exemplo, e um dos aplicativos que você pode baixar para seus experimentos.
Dentre os aplicativos que experimentamos destacamos.
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.keuwl.audiofrequencycounter&hl=pt-BR (usado na foto)
Outros podem ser encontrados.
Para usar, basta bater com um pequeno objeto duro, por exemplo, um objeto de metal, um pequeno martelo ou ainda o cabo de uma faca no objeto do qual se deseja saber a frequência de emissão e, portanto, a frequência de ressonância.
Notamos que os diversos aplicativos têm diversos graus de exatidão devido justamente ao fato de que a conversão do sinal de analógico para digital pode não considerar de maneira fiel a presença de harmônicas no som emitido.
Assim, a não ser que o sinal emitido seja uma senoide pura, a forma de onda deformada do emissor de som pode enganar o aplicativo que então não mostrará a frequência correta.
Faça experiências para obter os melhores resultados. Crie outros experimentos usando o frequencímetro para enriquecer suas aulas de física.
