Espectro electromagnético

O espectro electromagnético é o conjunto de todas as frequências da radiação electromagnética.

Esta radiação toma a forma de ondas que se propagam tanto em meios materiais como no vácuo. Consiste em em dois campos (ver imagem), um campo eléctrico e outro campo magnético, que oscilam em fase, perpendicularmente um ao outro e também à direcção de propagação da onda.

A energia de uma radiação é directamente proporcional à sua frequência, tal como é ilustrada pela seguinte equação (Relação de Planck), em que h é a constante de Planck.O comprimento de onda (λ) e a frequência de uma onda são inversamente proporcionais, sendo a velocidade (v) com que a onda se propaga, a constante de proporcionalidade. Isto está descrito na expressão seguinte:Para mais informação sobre ondas, consulte este post (Som: estudo das características de ondas com recurso a animações).

Na imagem seguinte está representado o espectro electromagnético.

Como é facilmente observável, a radiação electromagnética é classificada em diferentes tipos, de acordo com a sua frequência (ou energia ou comprimento de onda).

Por ordem crescente de frequência e de energia e decrescente de comprimento de onda, temos:

• ondas rádio
• microondas
• radiação infravermelha
• luz visível
• radiação ultravioleta
• raios-X
• raios gama

Na imagem seguinte (encontrada aqui e sujeita a algumas modificações), podemos ver a relação entre as diversas radiações, o modo como são produzidas e a a sua aplicação ou produção prática.

É importante notar que os nossos olhos apenas são sensíveis a uma pequena porção do espectro electromagnético. Todas as outras radiações que nos rodeiam são invisíveis e, portanto, passam-nos completamente despercebidas. Como seria o mundo à nossa volta se as conseguíssemos ver? Em breve aqui colocarei mais sobre este assunto.

Som: estudo das características de ondas com recurso a animações

Este é mais um post dedicado ao estudo do som e das ondas. Recomendo que consulte aqui os outros.

A campainha da figura ao lado está dentro de uma campânula de vidro. Pressione o botão verde para activar a campainha e novamente para remover o ar da campânula. Observe o que sucede à medida que o vácuo é criado. Os círculos azuis representam as ondas sonoras.
Quando se percute um címbalo, este vibra. Esta vibração propaga-se para as moléculas do ar e está criada uma onda sonora. Tal pode ser observado na imagem à direita. Para saber mais, recomendo este post: O que é uma onda?

Agora é fácil perceber por que razão o som não pode viajar no vácuo. Se não há moléculas para vibrar, não pode haver som. O som só pode viajar num meio material. Pode atravessar sólidos, viajar pelo ar e pela água e outros líquidos. Diz-se que esta é uma onda mecânica.

Por outro lado, a luz, a onda luminosa não é formada por partículas a vibrar, mas é formada por campos eléctricos e magnéticos oscilantes, podendo existir no vácuo: é uma onda electromagnética.

Outra forma de classificação das ondas é quanto à relação entre a direcção de propagação da onda e a direcção com que vibram as partículas do meio (ou as propriedades electromagnéticas do mesmo). Para saber mais, recomendo este post: O que é uma onda?

Com as duas animações interactivas seguintes, pode criar ondas transversais e longitudinais. Leia as instruções de cada uma (recomendo que não movimente o rato com muita rapidez).

As quatro animações anteriores foram retiradas daqui.

Mas como caracterizar pormenorizadamente uma onda?

Para isso temos que utilizar números, claro. Precisamos de quantificar certas características, que passo a definir:

Amplitude (A) - Distância entre o ponto de equilíbrio da onda e o ponto de desvio máximo relativamente a ele.

Período (T) - Característica essencial que caracteriza uma onda. Geralmente define-se pelo tempo que um ciclo demora a ser percorrido. Ou, de outra forma, é o tempo necessário para que as características da onda se repitam. A sua unidade SI é o segundo (s).

Frequência (f) - Esta grandeza corresponde ao número de vezes que um ciclo é percorrido por unidade de tempo e em unidades SI vem em s^-1 ou Hz (em homenagem ao Físico Heirich Hertz). É dada pela expressão   .

Comprimento de Onda () - É a distância que um ciclo tem no espaço. Ou, de outra forma, é a distância entre dois pontos consecutivos e equivalentes de uma onda. A sua unidade SI é o metro (m).

Na figura ao lado (encontrada aqui) podemos ver representadas cada uma destas características. É importante reparar na diferença entre os dois eixos horizontais. No gráfico superior o eixo horizontal mede tempo, pelo que a distância entre picos é o período. No gráfico inferior o eixo horizontal mede deslocamento, pelo que a distância entre picos é o comprimento de onda.

 

As duas animações interactivas seguintes permitem-lhe modificar (arrastando os pontos verdes) as características de uma onda. Encontradas aqui.

Finalmente, a velocidade (ou rapidez) com que uma onda se propaga (v) define-se como a rapidez à qual um ponto, caracterizado por uma determinada fase, se desloca no espaço. Pode ser calculada pelas expressões     ou   .  A sua unidade SI é o metro/segundo (m/s).

Por exemplo, na animação à direita (encontrada aqui), se dividir a distância entre picos consecutivos pelo tempo necessário para que estes picos desapareçam da animação, pode calcular facilmente a velocidade da onda representada.

E depois de isto ser tudo lido e experimentado com muita atenção, que tal um Quiz para testar os conhecimentos adquiridos? Pois é o que aparecerá aqui em breve. Prepare-se.

Som: Softwares para gerar e analisar sinais áudio

Recentemente tenho publicado vários artigos dedicados ao estudo do som. São especialmente dedicados aos meus alunos, mas claro que têm um público alvo muito mais abrangente.

Desta vez, e na sequência deste post, deixo-vos três softwares muito interessantes para todos aqueles interessados em aprender algo mais sobre o som.

• O primeiro chama-se DSSF3 (Diagnostic System for Sound Fields Version) e é extremamente completo, o que o pode tornar algo intimidante.

Esta é a janela inicial, na qual vemos várias abas que conduzem a outras tantas funções do programa.

As que considero mais úteis (para o uso que dou ao programa, claro), são:

- o gerador de sinais que permite, como o nome indica, gerar sons com diferentes características, controlar o canal direito e esquerdo independentemente, alterar a forma da onda, o nível de intensidade do som e a sua frequência.

O Lock e Interlock que surgem nesta janela servem para ligar o canal direito e esquerdo, fazendo com que não possam ser controlados independentemente (útil). As funções que é possível observar nas outras abas também são muito interessantes e merecem ser exploradas.

- o analisador FFT, nomeadamente o seu visualizador da intensidade sonora em função da frequência, e o espectrograma, que são úteis para analisar o som produzido enquanto falamos ou tocamos um instrumento. A maior parte das opções que vemos nesta imagem não são necessárias alterar, mas podemos “brincar” com elas.

A curva que surge na imagem mostra a análise, realizada pelo software, do som produzido enquanto tinha música a tocar no PC e o microfone captava esses sons. É de notar a escassez, esperada, de frequências acima dos 9 kHz.

- o osciloscópio, que permite “visualizar” o som que está a ser produzido, tal como seria possível num verdadeiro osciloscópio.

Pode realizar aqui o seu download (execute o ficheiro RTA.exe), ou então aqui, na página oficial.

• O AUDio Measurement System é outro programa que apresenta as funções descritas acima, mas é mais simples, se bem que menos completo (e exacto).

Pode realizar aqui o seu download.

 

 

 

 

 

• Por fim, temos o Audio VB Generator, que permite gerar sinais de vários tipos, ruído e também tem um modo de varrimento de frequências.

Pode realizar aqui o seu download.

Explore estes programas e verá que ficará a saber mais sobre as características do som.

Comece, por exemplo, por verificar se consegue ouvir o “mosquito”, gerando um som de 17 kHz. Eu confesso que já não consigo. Tudo isto nos leva a pensar na quantidade de som que existe ao nosso redor e que nós não somos capazes de detectar.

Seguir-se-ão, em breve, mais uns posts sobre o som.

O Mosquito. Impor barreiras através do som será eticamente admissível?

Muitos já terão ouvido falar neste dispositivo. Para outros será uma novidade.

O que é então o Mosquito? É um polémico emissor de sons cuja invenção teve como principal objectivo lutar contra a delinquência juvenil. Para melhor clarificação, seguem alguns excertos de uma notícia publicada no IOL. Encontrei esta notícia aqui, no Quarks e Gluões.

Introduzido no Reino Unido em 2005, o Mosquito é um aparelho que emite sons a alta frequência - 17 quilohertz - que não são audíveis por pessoas com mais de 25 anos. Mais de 9.000 exemplares do aparelho fabricado pela sociedade galesa Compound Security System, foram vendidos em todo o mundo.

A maioria destes aparelhos está instalada nas imediações de supermercados, ou em locais onde os jovens habitualmente se reúnem, com o objectivo de afastar os potenciais delinquentes.

Mas a sociedade galesa, que explica ter respondido ao pedido de numerosas forças de manutenção da ordem, acaba de lançar no comércio uma versão «multi-idades».

«Muitas pessoas sem residência fixa têm mais de 25 anos e muitas pessoas reúnem-se nas passagens subterrâneas, (as empresas de segurança) querem simplesmente mandá-los embora», explicou Simon Morris, director comercial de Compound security System.

(…) Organizações de direitos humanos criticam

Mas as organizações de protecção dos direitos humanos, particularmente das crianças, insurgiram-se contra o «Mosquito» desde o seu lançamento há três anos. «Este aparelho não faz distinção e atinge todas as crianças e jovens, incluindo bebés, além de que não tem em conta se estes estão a ter um comportamento condenável ou não», realçou em Fevereiro Al Aynsley-Green, responsável governamental pela protecção de crianças, no lançamento desta campanha.

«O Mosquito não tem lugar num país que preza as suas crianças e que procura inculcar-lhes dignidade e respeito», afirmou Shami Chakrabarti da organização de defesa dos direitos humanos Liberty.

Howard Stapleton, o inventor deste aparelho, reconheceu que este pode ser utilizado com más intenções e sugeriu que o seu uso fosse regulamentado. Contudo, «as pessoas falam de violação dos direitos humanos mas onde estão os direitos humanos dos comerciantes que vêem os seus negócios ser arruinados devido a grupos de jovens incontroláveis que afastam os seus clientes?», perguntou Howard.

Já aqui e aqui coloquei applets que permitem, entre muitas outras funções, criar sons deste tipo. Podem utilizá-los para testar a sua audição e para sentir o efeito do mosquito.

Mesmo sabendo que não provocam problemas de saúde, será ético utilizar dispositivos deste tipo? Alguns dos argumentos que podem ser referidos podem ser encontrados a negrito na notícia. Que vos parece?

Simulador: Som e ondas

Este applet permite estudar as ondas sonoras. Podemos ajustar a frequência, o volume e o conteúdo harmónico, e ver e ouvir como o som se altera.

Podemos alterar a distância do ouvinte ao altifalante e estudar o modo como o som é percepcionado.

Também permite descobrir métodos para calcular a velocidade, comprimento de onda, frequência e período de uma onda.

 

 

Podemos adicionar obstáculos e mudar a sua orientação e posição, de forma a estudar a reflexão.

Para estudar fenómenos de interferência, podemos adicionar um segundo altifalante.

 

É possível simular o que acontece ao som quando se altera a pressão do ar (até obter vácuo) no interior de uma caixa que contém um altifalante.

 

Se encontrarem uma opção que achem importante divulgar, podem escrever um comentário.

Clique aqui para iniciar a simulação. Caso não tenha JAVA instalado, pode obtê-lo na barra lateral deste blogue.

Pode encontrar mais material sobre som, óptica e ondas, procurando nos temas na barra lateral do blogue.

Simulador: Ondas, som e luz

Este applet permite estudar as ondas, o som e a luz. Podemos produzir ondas pelo pingar de uma torneira, por um altifalante (ou dois), ou por intermédio de um laser (ou dois) e observar como estão relacionadas. Todas podem ser representadas por uma sinusoidal.

Para estudar o som, é muito interessante poder ver o movimento das partículas do ar durante a propagação da onda de compressão, confirmando que não ocorre transporte de matéria.

Podemos modificar a frequência e a amplitude e, no caso do som, permite ouvir o sinal produzido.

Podemos adicionar obstáculos (paredes e espelhos) para estudar a reflexão.

Para estudar fenómenos de interferência e difracção, podemos adicionar uma ou duas fendas.

Podemos encontrar pontos de interferência destrutiva e construtiva a olho, ou usando detectores.

Muito mais há para explorar neste applet. Se encontrarem uma opção que achem importante divulgar, podem escrever um comentário.

Clique aqui para iniciar a simulação. Caso não tenha JAVA instalado, pode obtê-lo na barra lateral deste blogue.

Pode encontrar mais material sobre som, óptica e ondas, procurando nos temas na barra lateral do blogue.

O que é uma onda?

Uma onda é uma perturbação ou variação que transfere energia progressivamente de ponto para ponto num meio e que pode tomar a forma de uma deformação elástica ou uma variação de pressão, intensidade eléctrica ou magnética, potencial eléctrico, ou temperatura.

Se estivermos a falar de ondas mecânicas (precisam de um meio onde se propagar), o meio sofre perturbações locais à medida que a onda passa, mas as partículas do meio não viajam com a onda.

Seguem-se alguns exemplos para ilustrar a definição.

• Uma multidão a realizar “a onda” num estádio.

A onda é a perturbação (pessoas a subir e a descer) e viaja ao longo do estádio sem que algum dos espectadores tivesse viajado com a onda. Todos se mantêm no seu lugar.

A situação descrita é um exemplo de uma onda transversal, pois o movimento das partículas do meio faz-se perpendicularmente à direcção de propagação da onda. Outro exemplo pode ser a onda que viaja ao longo de uma corda quando é agitada numa das extremidades (a onda viaja mas a corda não sai da nossa mão).

• Ondas sonoras

O som é uma onda longitudinal pois as partículas deslocam-se para a frente e para trás (passando pela posição de equilíbrio), ao longo da direcção que a onda se propaga. Mais uma vez, é a perturbação que viaja e não as partículas do meio. A onda é vista como o movimento da região comprimida (onda de pressão).

 

Na imagem do lado podemos ver uma onda sonora a propagar-se em todas as direcções através de um meio. Esta onda é idêntica à produzida por um diapasão.

Torna-se hipnótico!

 

 

 

 

• Ondas na água

Estas são um exemplo que combina as ondas transversais e longitudinais. À medida que a onda progride na água, as partículas realizam movimentos circulares no sentido dos ponteiros do relógio (mostrado pelas partículas a azul). O raio deste movimento diminui com a profundidade. 

Muito mais informação pode ser encontrada aqui, fruto do extraordinário trabalho de Dan Russell.

Fontes do material utilizado: (1), (2), (3)

O que é o som?

Já conhecia este extraordinário anúncio da Honda há uns anitos, mas agora encontrei aquilo que o Carlos Portela fez com ele para explicar o que é o som. Ficou excelente! Obrigado Carlos.

Recomendo várias visualizações. Não só pela qualidade do anúncio, mas para poder assimilar e tomar notas de toda a informação que contém. Podem ver aqui o vídeo sem a legendagem.

Podem encontrar aqui (Lição sobre fenómenos acústicos) outros vídeos em português sobre o mesmo tema.

Viagem ao interior do corpo humano: cordas vocais

Já aqui coloquei alguns recursos que podem ser utilizados para o estudo do som. O vídeo das cordas vocais está com problemas a carregar, pelo que aqui está outro tão bom ou melhor.

Durante esta endoscopia trans-nasal é explicada a anatomia da zona e utilizada luz estroboscópica para que seja possível observar a vibração criada pela passagem do ar pelas cordas vocais.

Impressionante, não é?

Lição sobre fenómenos acústicos

Aqui está um conjunto de vídeos que acompanham o manual TerraLab da Lisboa Editores e que demonstram fenómenos acústicos como :

• Frequência sonora (som alto, baixo, agudo, grave)

• Intensidade sonora (som forte, fraco)

• Timbre

• Reverberação

• Ressonância

• Eco