Propriedades da Onda
Frequência, comprimento de onda, amplitude, fase, velocidade da onda, ondas transversais vs longitudinais e efeito Doppler.
Ondas e Óptica
Mecânica ondulatória, interferência, difração, polarização e óptica geométrica - do som à luz e às ondas de probabilidade quântica.
Visão geral
Ondas são perturbações periódicas que transportam energia sem transportar matéria. Elas aparecem em toda a física: ondas mecânicas nas cordas e no ar, ondas eletromagnéticas (luz, rádio, raios X), ondas sísmicas e ondas de probabilidade quântica. A óptica aplica princípios de onda especificamente à luz, cobrindo tanto as descrições de onda (óptica física) quanto de raio (óptica geométrica).
Conceitos de Onda Central
A equação da onda
A equação de onda unidimensional ∂²y/∂t² = v²∂²y/∂x² tem soluções senoidais y(x,t) = A sin(kx − ωt + φ), onde k = 2π/λ é o número da onda, ω = 2π/T é a frequência angular, e v = ω/k é a velocidade de fase. A mesma equação governa o som, a luz e – de uma forma modificada – as funções de onda quânticas.
Superposição e interferência
As ondas obedecem ao princípio da superposição: o deslocamento total é a soma dos deslocamentos individuais. Quando duas ondas coerentes se sobrepõem, elas interferem: construtivamente quando em fase (diferença de caminho = nλ) e destrutivamente quando fora de fase (diferença de caminho = (n+½)λ). O experimento da dupla fenda de Young é a demonstração paradigmática da interferência das ondas.
Difração
As ondas contornam obstáculos e se espalham através de aberturas – difração. O padrão de fenda única tem um máximo central de largura 2λL/a. Redes de difração com muitas fendas produzem franjas nítidas e brilhantes e são usadas em espectroscopia. A difração de Fraunhofer descreve o padrão de campo distante; A difração de Fresnel lida com o campo próximo.
Ondas Estacionárias e Ressonância
Quando duas ondas idênticas viajam em direções opostas, elas se sobrepõem para formar uma onda estacionária com nós e antinodos fixos. Uma corda fixada em ambas as extremidades suporta ondas estacionárias em f_n = nv/2L. A ressonância ocorre quando uma frequência de condução corresponde a uma frequência natural – a base de instrumentos musicais, cavidades de microondas e ressonadores a laser.
Óptica Geométrica
Quando os comprimentos de onda são muito mais curtos que os obstáculos, a luz viaja em raios retos. A lei de Snell n₁ sen θ₁ = n₂ sen θ₂ governa a refração. A reflexão interna total ocorre quando θ > θ_c = arcsin(n₂/n₁) — explorada em fibras ópticas. Lentes e espelhos focam a luz por meio de equações de lentes finas: 1/f = 1/d_o + 1/d_i.
Percursos de aprendizagem
Fenômenos de Ondas
Interferência, difração, ondas estacionárias, ressonância, polarização e óptica geométrica.
Fourier e Coerência
Análise de Fourier de ondas, coerência e lasers, óptica não linear e dualidade onda-partícula.
Artigos principais
O efeito Doppler
Mudanças na frequência do som e da luz devido ao movimento relativo – das sirenes ao desvio para o vermelho.
Leia →Ondas Estacionárias
Nós, antinodos, harmônicos e por que as cordas da guitarra cantam.
Leia →Difração de Fraunhofer vs Fresnel
Padrões de difração de campo distante e campo próximo e suas aplicações práticas.
Leia →Ângulo de Brewster
Polarização perfeita por reflexão e sua utilização em fotografia e óptica.
Leia →Série de Fourier em Física
Decompor qualquer sinal periódico em sinusóides — a ferramenta mais útil em física de ondas.
Leia →Explosões Sônicas
Cones Mach, ondas de choque e a física do vôo supersônico.
Leia →Perguntas Frequentes
Qual é a equação da onda?
∂²y/∂t² = v² ∂²y/∂x². As soluções são sinusóides que se propagam à velocidade v. A mesma forma descreve funções de onda de som, luz e quântica.
Qual é a diferença entre interferência construtiva e destrutiva?
Construtivo: ondas em fase adicionam amplitudes (diferença de caminho = nλ). Destrutivo: ondas fora de fase são canceladas (diferença de caminho = (n+½)λ).
O que causa as cores das bolhas de sabão?
Interferência de filme fino: a luz das superfícies frontal e traseira do filme percorre caminhos ligeiramente diferentes, fazendo com que certos comprimentos de onda interfiram construtivamente.
O que é polarização?
A orientação da oscilação de uma onda transversal. Os filtros polarizadores transmitem uma orientação; usado em LCDs, óculos de sol e comunicações ópticas.