Energia de vibração Ondas Mecânicas Ondas Eletromagnéticas

Apresentação em tema: "Energia de vibração Ondas Mecânicas Ondas Eletromagnéticas"— Transcrição da apresentação:

1 Energia de vibração Ondas Mecânicas Ondas Eletromagnéticas
RCB0204 Fundamentos de Física, Química e Matemática para Análise de Fenômenos Biológicos II Energia de vibração Ondas Mecânicas Ondas Eletromagnéticas Prof. Dr. Paulo Mazzoncini de Azevedo Marques Centro de Ciências das Imagens e Física Médica Departamento de Clínica Médica Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto - USP

2 CONTEÚDO ENVOLVIDO NA APRESENTAÇÃO
Conceitos Básicos sobre Ondas Conceitos Básicos sobre Som Conceitos Básicos sobre Ondas Eletromagnéticas

3 ONDA - DEFINIÇÕES Uma onda é uma perturbação que se propaga. Algo que se movimenta pelo espaço e transmite energia, sem a propagação de matéria (ocorre somente vibração). Quanto a direção de propagação as ondas são classificadas como: Unidimensionais: que se propagam em apenas uma direção, como as ondas em cordas e molas esticadas; Bidimensionais: são aquelas que se propagam por uma superfície, como as água em um lago quando se joga uma pedra; Tridimensionais: são capazes de se propagar em todas as dimensões, como a luz e o som.

4 Quanto à direção da vibração as ondas podem ser classificadas como:
Transversais: são as que são causadas por vibrações perpendiculares à propagação da onda, como, por exemplo, em uma corda. Longitudinais: são ondas causadas por vibrações com mesma direção da propagação, como as ondas sonoras ou por compressão e expansão de uma mola.

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6 Conforme sua natureza as ondas são classificadas em:
Ondas Mecânicas: são ondas que necessitam de um meio material para se propagar, ou seja, sua propagação envolve o transporte de energia cinética e potencial e depende da elasticidade do meio. Por isto não é capaz de propagar-se no vácuo. Alguns exemplos são os que acontecem em molas e cordas, sons e em superfícies de líquidos. Ondas Eletromagnéticas: são ondas geradas por cargas elétricas oscilantes e sua propagação não depende do meio em que se encontram, podendo propagar-se no vácuo e em determinados meios materiais. Alguns exemplos são as ondas de rádio, de radar, os raios x e as micro-ondas (todas as ondas eletromagnéticas tem em comum a sua velocidade de propagação no vácuo, próxima a km/s).

7 ONDA - COMPONENTES A é a amplitude da onda.
Lambida (λ) é o comprimento da onda, sendo a distância entre duas cristas (C) ou dois vales (V) consecutivos.

8 Período da onda (T) é o tempo decorrido até que duas cristas ou dois vales consecutivos passem por um ponto e frequência da onda (f) o número de cristas ou vales consecutivos que passam por um mesmo ponto, em uma determinada unidade de tempo. Período e a freqüência são relacionados por: A unidade internacionalmente utilizada para a freqüência é Hertz (Hz) sendo que 1Hz equivale à passagem de uma crista ou de um vale em 1 segundo (uma rotação por segundo)

9 Princípio de Huygens Para o estudo de ondas bidimensionais e tridimensionais são necessários os conceitos de: frente de onda: é a fronteira da região ainda não atingida pela onda com a região já atingida; raio de onda: é possível definir como o raio de onda a linha que parte da fonte e é perpendicular às frentes de onda, indicando a direção e o sentido de propagação.

10 ONDA – VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO
Considerando-se um modelo de movimento uniforme, tem-se que: Considerando-se ΔS=λ e que Δt=T, tem-se que: equação fundamental da Ondulatória

11 LEI DA ÓTICA GEOMÉTRICA
Lei de Snell (refração) 1 é o ângulo de incidência, que é igual ao ângulo de reflexão. 2 é o ângulo de refração. onde V1 é a velocidade da onda incidente no meio 1 e V2 é a velocidade da onda refratada no meio 2. é o comprimento da onda incidente no meio 1 e é o comprimento da onda refratada no meio 2 (considerando-se a luz envolvida como monocromática)

12 Superposição de Ondas

13 Superposição de Ondas

14 Superposição de Ondas

15 Superposição de Ondas Batimento: Ocorre quando duas ondas periódicas de frequências diferentes e mesma amplitude são sobrepostas, resultando em uma onda com variadas amplitudes dependentes da soma de amplitudes em cada crista resultante.

16 Superposição de Ondas fb = |f1-f2| http://www.video-aula.pro.br/

17 Ressonância É o fenômeno que acontece quando um sistema físico recebe energia por meio de excitações de frequência igual a uma de suas frequências naturais de vibração. Assim, o sistema físico passa a vibrar com amplitudes cada vez maiores.

18 Difração Partindo do Princípio de Huygens, podemos explicar a difração. O fenômeno chamado difração é o encurvamento sofrido pelos raios de onda quando esta encontra obstáculos à sua propagação. Ele se deve ao fato de que existe um desvio na trajetória da onda nas bordas do obstáculo.

19 Difração Ondas de maior comprimento de onda difratam mais do que as de menor. O som grave difrata mais do que o som agudo. Ondas sonoras difratam mais do que ondas luminosas A luz vermelha difrata mais que a luz ultravioleta Ondas AM difratam mais do que ondas FM

20 ONDA MECÂNICA – SOM O som é definido como a propagação de uma frente de compressão mecânica ou onda longitudinal, se propagando tridimensionalmente pelo espaço e apenas em meios materiais, como o ar ou a água, por exemplo. Para que esta propagação ocorra, é necessário que aconteçam compressões e rarefações em propagação no meio (frentes de onda). Quando passa, a onda sonora não arrasta as partículas do meio, apenas faz com que estas vibrem em torno de sua posição de equilíbrio. Como as ondas sonoras são periódicas, é válida a equação fundamental da ondulatória: A velocidade do som na água é aproximadamente igual a 1450m/s e no ar, à 20°C é 343m/s. A propagação do som em meios gasosos depende fortemente da temperatura do gás, é possível inclusive demonstrar experimentalmente que a velocidade do som em gases é dada por: k=constante que depende da natureza do gás; T=temperatura absoluta do gás (em kelvin).

21 INTENSIDADE SONORA A intensidade do som é a qualidade que nos permite caracterizar se um som é forte ou fraco e depende da energia que a onda sonora transfere. A intensidade sonora (I) é definida fisicamente como a potência sonora recebida por unidade de área de uma superfície, ou seja: Mas como a potência pode ser definida pela relação de energia por unidade de tempo: Então, também podemos expressar a intensidade por: As unidades mais usadas para a intensidade são J/m² e W/m².

22 Conforme um observador se afasta de uma fonte sonora, a intensidade sonora ou nível sonoro (β) diminui logaritimicamente, sendo representado pela equação: A unidade utilizada para o nível sonoro é o Bel (B), mas como esta unidade é grande comparada com a maioria dos valores de nível sonoro utilizados no cotidiano, seu múltiplo usual é o decibel (dB), de maneira que 1B=10dB. É chamada mínima intensidade física, ou limiar de audibilidade, o menor valor da intensidade sonora ainda audível: É chamada máxima intensidade física, ou limiar de dor, o maior valor da intensidade sonora suportável pelo ouvido:

23 Intensidades Aproximadas de Alguns Sons
Intensidade (W/m2) Nível (dB) som apenas perceptível 10-12 murmúrio 10-10 20 Residência média 10-9 30 Escritório 10-7 50 pancada 10-6 60 Rua movimentada 10-5 70 Subterrâneo ou automóvel 10-3 90 Som que produz dor 100 120 Avião a jato 101 130 Lançamento de foguetes 105 170 A audição humana considerada normal consegue captar frequências de onda sonoras que variam entre aproximadamente 20Hz e 20000Hz. São denominadas ondas de infrassom, as ondas que tem frequência menor que 20Hz, e ultrassom as que possuem frequência acima de 20000Hz.

24 Distância ~ tempo de voo

25 Impedância acústica (Z)
Z = r X v r:densidade do meio v: velocidade de propagação do som no meio (compressibilidade, temperatura, pressão externa) Refletividade R = [(Z2 - Z1)/(Z2 + Z1)]2 A quantia de ultra-som refletida ao limite entre duas mídia depende das propriedades acústicas do médio em cada lateral do limite. A propriedade pertinente é a impedância característica que é igual ao produto da densidade do médio e a velocidade de propagação de ultra-som dentro disto. Embora as velocidades em tecidos macios diferentes (variando de aproximadamente 1480 m/s em gordura para aproximadamente 1600 m/s em músculo) e as densidades dos tecidos diferentes são semelhantes, as variações de impedância características são felizmente grandes bastante dar origem a ecos de detectable. Para incidência normal em uma interface plana, R = [(Z2 - Z1)/(Z2 + Z1) ]2 (2) onde R é a relação do poder da onda refletida a isso da onda incidente, e Z1 e Z2 são as impedâncias características das mídia nos lados incidentes e outros da interface, respectivamente. Claro que, até mesmo interfaces extensas dentro do corpo podem aproximar só esta condição ideal. Geralmente, interfaces estão curvadas, e as descontinuidades de impedância características dentro de tecidos homogêneos são freqüentemente semelhantes para, ou menor que, o comprimento de onda. Ultra-som se espalha, em lugar de refletiu dentro um espelho-como ou specular formam, através de tais estruturas pequenas. Além dos ecos de tecidos macios, duas outras condições extremas são de relevância prática a imaging ultra-sônico. Estes relacionam à interface de tecidos macios com osso e com gás. Osso tem uma impedância característica alta, considerando que o de gás é baixo. Em ambas estas condições, ultra-som é largamente refletido à interface; isto limita penetração além de osso e gás.

26 Valores de r, v e Z para algumas substâncias
em Freqüências Clínicas de Ultra-som                                                r  (Kg/m3) v (m/s) Z   (Kg/m2s) Ar           1,29 3,31 x 102 430 Água      1,00 x 103 l4,8   x 102 1,48 x 106 Cérebro  1,02 x 103 15,3   x 102 1,56 x 106 Músculo                1,04 x 103 15,8   x 102 1,64 x 106 Gordura 0,92 x 103 14,5   x 102 1,33 x 106 Osso      1,9   x  103 40,4   x 102 7,68 x 106

27 Atenuação Atenuação ~ frequência (MHz) X distância percorrida (cm)
Fatores de atenuação Divergência Deflexão Reflexão Refração Dispersão Absorção A atenuação do US aumenta com a freqüência. Isto significa que a penetração do ultra-som no corpo diminui quanto maior a freqüência utilizada. técnicas de US pulsado são transmitidos pulsos breves de ultra-som no corpo, e são detectados os ecos refletidos ou de espalhamento das estruturas. A distância half-power nos tecidos moles é de aproximadamente 30 mm a uma freqüência de 1 MHz. Na prática, freqüências > ou = 5 MHz podem ser usadas para exames a profundidades de até aproximadamente 10 cm; o comprimento de onda correspondente é de =/ mm. Freqüências mais altas, com comprimentos de onda mais curtos e resoluções mais altas, podem ser usadas quando for aceitável uma menor penetração. A propagação do som pelo meio causa perdas sucessivas do sinal em função da distância percorrida sob a forma de absorção (transformação em calor), reflexão, espalhamento, e perdas geométricas. Deste modo, ocorre a atenuação do feixe acústico que é diretamente relacionada à freqüência utilizada, sendo medida por Atenuação (dB) = 10 log I/I0, em decibéis, onde Io corresponde à intensidade do sinal emitido, que decai de forma exponencial até chegar a intensidade I.

28 Efeito Doppler

29 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
As ondas eletromagnéticas são pulsos energéticos que se propagam no espaço transportando energia. São ondas transversais que se propagam sem precisar de meio material (se propagam no vácuo). As ondas eletromagnéticas se originam a partir de uma perturbação em um campo elétrico ou magnético (por exemplo pelo movimento de uma carga elétrica).

30 Algumas propriedades podem ser observadas em todos as ondas eletromagnéticas:
Os campos elétrico e magnético são perpendiculares à direção de propagação da onda; O campo elétrico é perpendicular ao campo magnético; Os campos variam sempre na mesma frequência e estão em fase; A velocidade de propagação dessas ondas no vácuo é c = m/s; Ao se propagar em meios materiais, a velocidade é menor do que quando a propagação ocorre no vácuo. O comprimento de uma onda eletromagnética é que determina seu comportamento. Ondas de alta frequência são curtas, e as de baixa frequência são longas.

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33 ONDA ELETROMAGNÉTICA NÃO IONIZANTE
Não possui energia suficiente para arrancar elétrons de um átomo Pode quebrar moléculas e ligações químicas Ultravioleta, Infravermelho, Radiofrequência, Laser, Microondas, Luz visível.

34 ONDA ELETROMAGNÉTICA IONIZANTE
Energia suficiente para arrancar elétrons de um átomo - produção de pares de íons. Ondas eletromagnéticas: Gama, Raios X.