• Como ocorre o fenômeno de ressonância em tubos fechados.
• Como uma nota musical se forma numa flauta.
• Identificar os modos de vibração em tubos sonoros.

Ondas sonoras.

Propagação de ondas mecânicas.

Frequência e comprimento de ondas.

Nesta aula, as atividades propiciarão o entendimento da formação de ondas sonoras em tubos fechados em uma das extremidades. 

Atividade 1 

Iniciaremos esta atividade discutindo o que são as ondas sonoras. O professor pode apresentar o que é uma onda de forma simples, usando o recurso:    "Ondas Sonoras" do banco de objetos do MEC proposto a seguir. 

Ondas Sonoras 

Ondas Sonoras 

1. Esta atividade pode ser iniciada dividindo a turma em grupos. Os grupos devem seguir as etapas propostas no recurso, afim de extrairem informações básicas existentes nos itens 1, 2 e 3 , do roteiro ondas sonoras.

2. Após passar pelos ítens do objeto educacional, deve estar claro para os alunos os seguintes conceitos:

a) O que é o som?
Resposta esperada: O Som é uma onda mecânica, logo necessita  de  um  meio material para se propagar.


 
Figura 1 . Onda mecânica , imagem de : http://www.mundoeducacao.com.br/upload/conteudo/fig5.jpg .

b ) Como se propaga uma onda sonora?
Resposta esperada: -Uma onda sonora –  é um exemplo típico de onda mecânica tridimensional. O som é obtido pela vibração de um material  que ao vibrar,  produz inicialmente uma compressão do ar na região próxima, logo seguida de uma rarefação. Consequentemente as moléculas de  ar começam a vibrar longitudinalmente, transmitindo a perturbação para as moléculas vizinhas e assim sucessivamente transmitindo a onda por toda a sua vizinhança. 

 
Figura 2. Ondas longitudinais e transversais, imagem de: http://omundodelavoisierenewton.files.wordpress.com/2009/10/6ondas2.jpg

 c) O que caracteriza fisicamente um som?
Resposta esperada:  Um som tem características físicas – freqüência, comprimento de onda e velocidade de propagação.  
Freqüência (ƒ) – número de vezes que  as ondas são emitidas por unidade de tempo. É medida em Hertz (Hz) no Sistema Internacional de unidades. Comprimento de onda (λ) – distância entre dois pontos de oscilação mínima (ou dois pontos de oscilação máxima) consecutivos de uma onda. Velocidade de propagação (v) – a velocidade de propagação do som varia de acordo  com o meio em que se propaga, já que é uma onda mecânica;  no ar, seu valor é, aproximadamente, 340 m/s enquanto que, por exemplo, na água é 1450 m/s. 

d) Qual a faixa de frequência que o ser humano escuta?

Figura 3. Som audível, frequência e intensidade, imagem obtida de : http://1.bp.blogspot.com/_meYRPtd12wM/S-s3BAgjc3I/AAAAAAAAALE/_NoJT8ysTUI/s1600/som_diagram_DowChemical.gif
 

e) Qual a diferença entre altura, intensidade e  timbre de um som?
Resposta esperada:  
Altura – é a qualidade do som que permite dizer se ele é mais agudo ou mais grave que outro. Quanto maior a freqüência, maior a altura, ou seja, mais agudo é o som. 
Intensidade – é a qualidade que permite julgá-lo mais forte ou mais fraco que outro. 
Timbre – é a qualidade que permite ao ouvido diferenciar sons de mesma altura e intensidade, emitidos por fontes diferentes. Por exemplo, uma mesma nota musical tocada por um violão ou por um piano produzem sensações diferentes. Isso é devido à forma da onda emitida pelo instrumento. 

Após passar por todas as etapas da atividade de Ondas Sonoras,  faça uma avaliação oral usando as questões do item "6. SUGESTÃO PARA AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM" do recurso usado nesta etapa. Caso o professor perceba dificuldades em apresenterem as respostas a estas questões, peça que dicutam em grupo antes de arguí-los novamente. As discussões são sempre enriquecedoras. 
  

Atividade 2 

Agora vamos realizar o experimento proposto no objeto educacional "As ondas sonoras - Ressonância em tubos cilíndricos fechados em uma extremidade" seguindo os passos propostos após a figura 4. 

Experimento 4 - As ondas sonoras - Ressonância em tubos cilíndricos fechados em uma extremidade 

Figura 4 . Pagina principal do experimento de tubos sonoros obtida do endereço: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/11109/open/file/src/index.html

Realizando o Experimento:

1. Cada grupo pode realizar um experimento, sendo que apenas um dos alunos deverá soprar o tubo, por questões de higiene. Para este experimento providencie 3 tubos de plástico ou borracha com 15 cm, 7,5 cm e 5 cm e um copo ou recipiente com pelo menos 10 cm de água, para cada grupo de trabalho. A mangueira de cristal usada em obra como mangueira de nível de aproximadamente 1/2 polegada de diâmetro. 
2. 
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   Figura 5. Mangueiras que usaremos no experimento de ressonância: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/11109/open/file/src/imagens/fig4_web.jpg
    
3. Vá para etapas do procedimento e inicie a ETAPA 1 , Inicie o treinamento de soprar o tubo de 15 cm de acordo com as instruções do experimento até obter um som limpo e firme.
    
4. Agora realize a ETAPA 2 do procedimento. Varie de tubos , usando os de 15 cm,  7,5 cm e o de 5,0 cm.
    
5. Cada grupo deve realizar as etapas e ir anotando no caderno de relatório do grupo as conclusões sobre o som que cada tubo produz ao ser soprado. Ouça atentamente e discuta as conclusões sobre a qualidade sonora respondendo os ítens 6 ao 10 a seguir.
    
6. Quando ele é mais grave e quando ele é mais agudo?
   Resposta esperada: Os tubos mais curtos produzem um som mais fininho, isto é, um som de maior frequência, ou seja, mais agudo. 
    
7. Como isto está relacionado com a coluna de ar?
   Resposta esperada: A coluna de ar que vibra num tubo de maior comprimento abriga um maior comprimento de onda, ou seja, uma menor frequência, por isso um som mais grave quando comparado ao mais curto. 
    
8. Realize a ETAPA 3 do procedimento procurando semelhança na altura dos sons emitidos pelos 3 tubos. 
    
9. Qual entre os três quais se assemelham na frequência?
   Resposta esperada: Quando ouvimos atentamente, no silêncio, os sons que ressoam nos 3  tubos , verificamos grande semelhança nos sons produzidos pelos tubos de 15 cm e o de 5 cm. 
    
10. Isso concorda com a teoria de formação das oscilações em um tubo fechado em uma extremidade?
    Resposta esperada: Sim pois veremos a seguir que os harmônicos produzidos nos tubos fechados são números ímpares de frações do comprimento de ondas. 
11. Agora que as questões foram discutidas separadamente nos grupos, o professor pode colocar a turma disposta em círculo para que apresentem os resultados do que observaram dos sons produzidos nos tubos e apresenatrem suas conclusões sobre o experimento.
    
     

Atividade 3 

Analisando fisicamente o que ocorre com o som dentro do tubo fechado em uma das extremidades

O professor pode apresentar as figuras com o modelo que descreve os modos de vibração em tubos sonoros como no endereço a seguir.

Modelo para tubo fechado pode ser encontrado no site : http://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos2.php

Figura 6. Tubo sonoro fechado e os harmônicos ímpares possíveis: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/figuras/tubo4.gif

Debate sobre tubos sonoros:

1. Peça aos alunos para pesquisarem sobre tubos ressonantes, no endereço indicado acima da figura 6 e discutirem  em grupo porque não é possível se ter harmônicos pares em tubos fechados.
2. Quais instrumentos funcionam com a ressonância de uma coluna de ar?
3. Como se variam as notas em uma flauta de pã?
4. Numa flauta de pã os tubos tem sempre o mesmo diâmetro e comprimentos diferentes, sendo assim a nota depende da espessura do tubo ou do comprimento?

Figura 7 . Flauta de pã , imagem obtida do endereço: http://1.bp.blogspot.com/_iomchrgq0zw/R7DFSM2-32I/AAAAAAAAANw/rAo5DovjUO0/s200/180px-ChileanPanpipes-cutout.jpg

Após a discussão em grupo dos resultados das questões propostas anteriormente, o professor pede a turma que formem novamente se disponha em círculo. Cada grupo deve nomear um membro para apresentar o resultado das questões. O professor deve fazer as intervenções em forma de questionamento aos demais alunos participantes quando for necessário. Primeiro aos componentes do grupo e posteriormente  aos demais.

As definições básicas de ondas sonoras podem ser obtidas em:

http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/ondas-sonoras.htm

Os órgãos tubulares de antigas catedrais são tubos sonoros , o vídeo a seguir mostra uma animação que apresenta os tubos sonoros:

http://www.youtube.com/watch?v=F6zHClb-F1o

Ao estudar os tubos sonoros o aluno deverá saber:

• representar em diagrama esquemático do primeiro harmônico, ou harmônico fundamental, como as ondas sonoras são refletidas dos tubos abertos e nos fechados.
• relacionar o comprimento do tubo com a ocorrência de ressonância no mesmo.
• explicar porque tubos mais curtos produzem harmônicos fundamentais mais agudos, ou seja de maior frequência.