Ondas: reflexão e refração

Reflexão

A reflexão acontece quando a onda viaja em certo meio (como o ar), atinge a interface de separação com outro meio (um obstáculo) e, em seguida retorna para o meio inicial.

Nesse fenômeno, a velocidade de propagação (v), a frequência da onda (f) e o comprimento de onda (λ) não se alteram (lembrando que a frequência de uma onda depende somente da fonte).

Reflexão

É o que acontece em nosso cotidiano, por exemplo, quando nos olhamos no espelho (reflexão da luz - uma onda eletromagnética) ou ouvimos repetidas vezes a nossa voz em certas situações (eco - reflexão do som - uma onda mecânica).

O fenômeno da reflexão é o fenômeno mais comum com a luz em nosso dia a dia. Afinal, tudo que observamos ocorre justamente pela reflexão da luz.

Reflexão

Quando nos olhamos em um espelho, o fenômeno da reflexão da luz (onda EM) ocorre duas vezes.

A luz parte da fonte luminosa (lâmpada, Sol, etc.), propaga-se pelo ar, reflete no rosto da pessoa (1ª reflexão) e propaga-se até o espelho, onde ao atingi-lo, retorna para os olhos da pessoa (2ª reflexão)

Reflexão da luz na superfície da água

Reflexão regular Reflexão difusa

Reflexão de ondas transversais em cordas

Extremidade fixa

Quando um pulso é produzido em uma corda presa a uma parede, o pulso chega à extremidade fixa e tenta mover esse ponto para cima ou para baixo, exercendo força sobre ele.

Pela 3ª lei de Newton (princípio da ação e reação), o ponto fixo da extremidade recebe a ação da corda e reage em sentido contrário, invertendo o pulso (ele retorna de cabeça pra baixo – inversão de fase).

Reflexão de ondas transversais em cordas

Extremidade livre

Como a extremidade é livre, ela permite que o pulso vibre livremente.

Nesse caso, ao chegar a extremidade livre, o pulso movimenta a corda pra cima e pra baixo e retorna em sentido contrário, sem inversão de fase.

Leis da reflexão

1ª Lei: o raio incidente, o raio refletido e a reta normal à superfície pertencem ao mesmo plano, ou seja, são coplanares.

2ª Lei: em relação à normal, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão

(i = r)

Reflexão de ondas bidimensionais

Ao lado, temos a imagem de ondas retas se propagando na superfície da água e refletindo em uma barreira plana.

Esquematicamente:

Reflexão de ondas bidimensionais

Para o caso de ondas circulares na superfície da água, temos a imagem:

Representação esquemática:

(perceba que as ondas refletidas comportam-se como se fossem originadas pelo ponto F’, simétrico a F em relação à barreira.)

Refração

A refração ocorre quando uma onda passa de um meio para outro, com características diferentes.

Na refração, a velocidade de propagação da onda (v) e seu comprimento de onda (λ) mudam, mas sua frequência não, pois f só depende da fonte.

A onda refratada sempre estará em fase com a onda incidente.

Leis da refração

1ª Lei: o raio incidente, o raio refratado e a normal à superfície de separação estão contidos no mesmo plano (são coplanares).

2ª Lei: Lei de Snell

Relaciona os senos dos ângulos de incidência (1) e de refração (2), assim como as velocidades e os comprimentos de onda.

Caso particular

Quando a onda incidente é perpendicular à fronteira de separação entre os dois meios, não ocorre desvio na direção de propagação da onda.

Nessa situação particular, todos os pontos da onda incidente sofrem mudança em sua velocidade de propagação ao mesmo tempo.

Refração de ondas na água

Ondas que se propagam na superfície da água, por exemplo, sofrem refração quando passam de uma região profunda para uma região rasa, e vice-versa.

A alteração na profundidade funciona como uma alteração no meio.

Esquematizando:

Refração da luz

Refração e reflexão de ondas transversais em cordas

Em cordas, podemos verificar os dois fenômenos: a reflexão e a refração, que ocorrem quando o pulso incidente encontra a fronteira de separação entre as cordas, de densidades lineares diferentes.

Vamos considerar duas situações:

1) Se a onda passa de uma corda mais densa (A) para uma corda menos densa (B), os pulsos refletido e refratado possuem a mesma fase do pulso incidente.

Com relação à velocidade de propagação dos pulsos, temos:

vB > vA, pois δB < δA

Refração e reflexão de ondas transversais em cordas

2) Se a onda passa de uma corda menos densa (A) para uma corda mais densa (B), o pulso refletido retorna em oposição de fase com o pulso incidente, e o pulso refratado possui a mesma fase do pulso incidente.

Com relação à velocidade de propagação dos pulsos, temos:

vB < vA, pois δB > δA

Curiosidade!

Seria seguro realizar uma ligação telefônica debaixo d’água?

A resposta é sim, embora não seja uma prática recomendável.

Afinal, a água pode danificar o aparelho. Quanto às ondas EM emitidas e recebidas pelo celular, elas passam do ar para a água e da água para o ar, sofrendo refrações no processo.

As velocidades de propagação e os comprimentos de onda mudam, mas suas frequências não.