Fontes sonoras em movimento e seus efeitos

Se um passageiro saltar de um ônibus em movimento numa estrada, provavelmente se machucará. Isso nos parece óbvio, pois ele está em movimento com o ônibus, em relação à estrada; logo, quando saltar, estará com a mesma velocidade do ônibus — mas, e se o ônibus buzinar? Que influência t em a velocidade do ônibus na velocidade de propagação do som da buzina? A resposta é: nenhuma. Ao contrário do passageiro, o som da buzina não está no ônibus. Som não é corpo; é uma propagação ondulatória cuja velocidade é determinada pelas propriedades do meio em que se propaga, independentemente do movimento da fonte na qual é gerado. Se o ar estiver em repouso, a velocidade de propagação do som será dada

 Mas a experiência diária mostra que o movimento relativo da fonte e do observador (ou ouvinte) influi nas características da onda sonora por ele percebida. Se uma ambulância passa ao nosso lado c om a sirene ligada, percebemos uma nítida e brusca variação na altura do som — de agudo para grave — durante a sua passagem. Trata-se do efeito Doppler, nome dado em homenagem a seu descobridor, o físico austríaco Christian Johann Doppler (1803-1853).Doppler estava mais interessado em explicar a variação da cor de estrelas duplas, que deveria depender da variação aparente da frequência da luz emitida por elas, em razão de seu movimento. A primeira comprovação da validade dessa hipótese, no entanto, foi obtida pela variação da frequência de uma nota musical emitida por músicos em um vagão de trem em movimento. Conta-se que, em 1845, o professor C. H. D. Buys Ballot (1871-1890), da Universidade de Utrecht, na Holanda,

colocou trompetistas profissionais em um vagão de trem em movimento e pediu a eles que t ocassem uma determinada nota musical. Ao lado da linha férrea, Ballot colocou pessoas de reconhecida sensibilidade auditiva musical. Nos dias 3 e 5 de junho desse ano, por várias vezes essas pessoas puderam ouvir essa nota emitida no trem quando deles se aproximava com diferentes velocidades e todas comprovaram a hipótese de

Doppler: a frequência da nota musical por eles ouvida foi maior do que a emitida pelos trompetes.

Efeito Doppler

Veja as figuras:

Em a está representado o perfil das ondas sonoras produzidas pela fonte F, de frequência fF, em  repouso em relação ao solo. Supondo que não ha já vento e que a densidade do ar se já constante na região, esse perfil pode ser representado por frentes de onda formadas por superfícies esféricas concêntricas, separadas pelo comprimento de onda λ F. As frentes de onda se afastam igualmente da fonte em todas as direções com a velocidade do som vs. Em b, a fonte está em movimento para a direita, com velocidade constante de módulo vF. A fonte se aproxima das frentes de onda que estão à sua frente e se afasta das que estão atrás. A distância entre as frentes de onda que estão adiante da fonte se reduz, enquanto a distância entre as frentes de onda que ficam atrás aumenta. Observe a figura a seguir. O número de frentes de onda que passam em determinado intervalo de tempo pelo observador, em repouso em r elação ao solo, é maior antes da passagem da fonte F do que depois. O observador que está em frente da fonte ouve um som de comprimento de onda menor ( λa) e, portanto, frequência maior ( fa) do que o comprimento de onda da onda emitida pela fonte, enquanto o observador atrás da fonte ouve um som de comprimento de onda maior(λb) e, portanto, frequência menor (fb).

Sendo fF a frequência emitida pela fonte, vF o módulo da velocidade da fonte e vS a velocidade do som, pode-se demonstrar que a frequência f ouvida pelo observador em repouso quando a fonte dele se aproxima é:

EXERCÍCIO RESOLVIDO

01- A figura representa um observador à frente de uma ambulância com velocidade constante de 108 km/h e a sirene ligada, emitindo um som de frequência 1 200 Hz. Sabendo que a velocidade do som no local é 330 m/s, qual a frequência do som ouvido pelo observador?

Estrondos sonoros

Veja esta outra foto de um estrondo sonoro

Ela ilustra a aproximação das frentes de onda que estão adiante da fonte sonora em movimento, causa do efeito Doppler e seu resultado: um estrondo sonoro. Esquematicamente, essa situação pode ser explicada por meio da figura abaixo:

Quando o avião atinge a velocidade do som, todas as frentes de onda se concentram no ponto F. Nesse ponto, todas as amplitudes se somam e a intensidade da onda sonora torna-se altíssima. Há um súbito aumento de pressão nessa região (lembre-se de que as ondas sonoras são ondas longitudinais que se propagam no ar na forma de compressões e rarefações).

As frentes de onda representadas nessa figura são frentes de compressão cujo efeito resultante é um formidável estrondo; logo atrás há uma superposição de frentes de rarefação e, nesse c aso, como se vê na foto ao lado, o efeito é outro. A súbita e intensa redução da pressão provoca a condensação do vapor de água contido no ar nessa região

e dá origem à nuvem que se observa em torno do avião e que o avião não atravessa a nuvem, ele a cria; isso fica claro quando se observa a nuvenzinha formada logo atrás da cabine do piloto, uma espécie de réplica do mesmo fenômeno. Assim que o avião ultrapassa a velocidade do som, esse efeito inicial desaparece, mas a superposição de ondas continua em uma região limítrofe, na qual se propaga uma onda de choque chamada de cone sonoro. Veja a figura: