UM TUBO DE RESSONÂNCIA PARA O ENSINO DE ONDAS SONORAS ESTACIONÁRIAS NO ENSINO MÉDIO

## UM TUBO DE RESSONÂNCIA PARA O ENSINO DE ONDAS SONORAS ESTACIONÁRIAS NO ENSINO MÉDIO

Meire Stéffani Brito Sécolo , Fábio Ramos da Silva , Roberta Vieira , Thais 1 2 3 Rodrigues de Oliveira , Douglas Gonçalves de Lima 4 5

1 Universidade Federal de Mato Grosso/Instituto de Física/meire@fisica.ufmt.br 2 Universidade Federal de Mato Grosso/Instituto de Física/faramos7@gmail.com 3 Universidade Federal de Mato Grosso/Instituto de Física / robertinha\_bto@hotmail.com 4 Universidade Federal de Mato Grosso/Instituto de Física/ thais\_clara@hotmail.com 5 Escola Estadual Liceu Cuiabano/douglas@fisica.ufmt.br

## Resumo

Este trabalho relata a aplicação de uma atividade de ensino experimental relacionada ao ensino de ondas mecânicas, visando oferecer aos alunos uma discussão pautada na experimentação sobre esse tema, envolvendo materiais de simples acesso e alternativos. A atividade foi realizada na escola Estadual Liceu Cuiabano com alunos do segundo ano do ensino médio, dentro do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência PIBID/Física/UFMT. O experimento consistiu na manipulação de um tubo de ressonância feito de acrílico com pequenos pedaços de isopor em seu interior. Em uma das extremidades do mesmo havia uma membrana (borracha) na qual os alunos deveriam gritar para produzir a ressonância. A atividade de ensino permitiu a realização de medidas quanto ao comprimento das ondas produzidas pelos sons emitidos, assim como o cálculo das frequências das mesmas. Destacamos a sua importância para o aprendizado desse assunto, pois tradicionalmente o mesmo consiste na maioria das vezes somente em estudos teóricos.

Palavras-chaves: ensino de Física, ondas estacionárias, tubo de ressonância.

## Introdução

Atualmente, um dos grandes desafios do ensino de Física no Ensino Médio reside na realização de aulas experimentais, sejam elas investigativas ou demonstrativas (SAAB et al , 2010). Isso é resultado, em parte, da falta da infraestrutura das escolas que, na maioria das vezes, não dispõem de laboratórios e laboratoristas. Esse trabalho tem como objetivo apresentar uma alternativa que colabore para o ensino experimental em situação de ensino.

Ela consiste na construção de um tubo ressonância de baixo custo, para observação de ondas mecânicas estacionárias, permitindo determinar a frequência de vibração da voz humana, analisar experimentalmente o comprimento de onda e discutir a influência de conceitos físicos relacionados com as ondas mecânicas. Destacamos que o trabalho de Saab e outros (2010) apresenta também uma alternativa experimental, porém, pautada em materiais de laboratório para o estudo do mesmo tema.

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20 a 25 de janeiro de 2013

## Fundamentação teórica

## Ondas Mecânicas

- O estudo das ondas mecânicas é o fundamento para o entendimento de diversos fenômenos como o som, ondas marítimas, vibrações em corpos, ondas sísmicas e muitos outros. A compreensão da fenomenologia das ondas mecânicas também é importante, pois permite uma introdução simples a efeitos ondulatórios relacionados a outras áreas da Física (eletromagnetismo, óptica, física moderna).

Uma onda mecânica é uma perturbação que se desloca através de um material denominado de meio, no qual se propaga. À medida que a onda se propaga através dele, as partículas que o constituem sofrem deslocamentos de diversas espécies, dependendo da natureza da onda (SEARS; ZEMANSKY, 2009).

## Ondas Sonoras

As ondas sonoras são ondas mecânicas. As ondas mecânicas necessitam de um meio material para se propagar, que no caso sonoro é o ar. Todos os fenômenos sonoros são produzidos por meio de vibrações de corpos materiais: ao falar, as nossas cordas vocais vibram fazendo com que o ar existente ao redor das cordas também vibre, essa agitação se transmite de molécula a molécula do ar até alcançar os nossos ouvidos. Desse modo, se produz os sons e processo semelhante ocorre com as cordas de um violão ou de um piano. Todos os fenômenos acústicos são produzidos através da vibração de corpos, porém o ouvido humano não consegue captar todos, somente aqueles que se encontram na faixa cuja frequência que está compreendida entre 20 Hz e 20 000 Hz.

As ondas sonoras que não pertencem a esse intervalo não são perceptíveis pelos seres humanos, e são denominadas de infrassom e ultrassom. O infrassom são ondas sonoras que possuem frequências inferiores ao mínimo perceptível pelos humanos, ou seja, 20 hertz e o ultrassom são aquelas ondas que ultrapassam a frequência dos 20 000 hertz. Ao contrário da nossa espécie, existem alguns seres do reino animal cujos ouvidos conseguem captar essas frequências como, por exemplo, os morcegos e os cachorros. Os cães conseguem perceber sons ultrassônicos que alcançam a frequência de 50 000 Hz, já os morcegos emitem frequências sonoras que podem chegar a 120 000 Hz e é através delas que conseguem se locomover na escuridão (HALLIDAY; RESNICK, 2008).

## Ondas Estacionárias

São ondas resultantes da superposição de duas ondas de mesma frequência, amplitude, comprimento de onda, direção, mas com sentidos opostos. Um exemplo clássico de onda estacionária é uma corda que está a vibrar tendo uma de suas extremidades fixa. Com uma fonte faz-se a extremidade solta vibrar com

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movimentos verticais periódicos, produzindo-se perturbações regulares que se propagam transversalmente pela corda (HALLIDAY; RESNICK, 2008).

Ao atingirem a extremidade fixa, elas se refletem, retornando com sentido de deslocamento contrário. Dessa forma, as perturbações se superpõem às outras que estão chegando ao anteparo, originando o fenômeno das ondas estacionárias . Uma onda estacionária se caracteriza pela amplitude variável de ponto a ponto, isto é, há pontos da corda que não se movimentam (amplitude nula), chamados nós (ou nodos), e pontos que vibram com amplitude máxima, chamados ventres .

Figura 01: Representação da formação do nó (amplitude nula da onda) e os ventres (amplitude máxima da onda)

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## Metodologia da atividade

## Construção do tubo de ressonância

Materiais utilizados: um funil feito a partir da extremidade superior de uma garrafa PET (um cone), tampas de garrafa PET, fita isolante, isopor, um tubo cilíndrico de acrílico e balão de festa de aniversário.

Montagem : Para a construção do aparato utilizamos um tubo acrílico transparente de 62 centímetros de comprimento que fora comprado em uma loja de material de construção, originalmente era um suporte para toalhas. Uma das extremidades do mesmo foi vedada com uma tampa de garrafa PET e fita isolante. Na outra extremidade, fixamos o funil feito de garrafa PET envolto por um balão de festa cortado. Inserimos no interior do tubo pequenos pedaços de isopor. Esses pedaços são as próprias pequenas estruturas que formam as placas de isopor. A figura 2 apresenta um esboço do aparato.

Figura 2: representação do experimento.

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## Desenvolvimento

A atividade de ensino consistiu na manipulação do experimento de forma a produzir ondas estacionárias em seu interior permitindo a realização de medidas de comprimento de onda e cálculos de frequência. Para isso os alunos deveriam gritar nas proximidades da membrana elástica, produzindo assim deslocamentos dos pedaços de isopor. A figura 3 apresenta uma fotografia do aparato.

Figura 03: tubo ressonância usado no experimento

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Conforme o aluno gritava as ondas iam se formando dentro do tubo, produzindo uma condição na qual a amplitude da onda estacionária era tão grande que deslocava os pedaços de isopor ao longo do tubo. A formação da onda estacionária era revelada pelos os espaços vazios que surgiam de forma regular. Como a distância entre os espaços vazios era λ /2 (meio comprimento de onda - que é a distância entre dois ventres numa onda estacionária), foi possível medir o comprimento das ondas produzidas. Utilizando a equação v= λ . f , foi possível calcular as frequências das mesmas. A figura 04 representa o fenômeno no interior do tubo.

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Figura 04: representação de uma onda estacionária transversal.

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Na verdade o som é uma onda longitudinal, que transmite variações de pressão no ar e o esquema acima representa uma onda transversal numa corda. Porém devido a dificuldade em representar ondas longitudinais optamos por essa representação. Assim, foi necessário discutir essa questão com os alunos durante a atividade.

Produzir um grito aproximadamente constante nas proximidades da membrana foi uma dificuldade encontrada no decorrer da atividade. Embora, a princípio nos parecesse, não foi uma tarefa simples. Outro problema são as membranas elásticas que tem de ser constantemente trocadas, pois rapidamente se deterioram.

## Conclusões

Neste trabalho relatamos uma atividade experimental na qual os alunos tiveram a oportunidade de visualizar um fenômeno que acreditamos que seja de difícil compreensão apenas por meio de aulas teóricas, e que por utilizar material alternativo seja de fácil reprodução. O mesmo material permitiu a realização de medidas e cálculos relacionados com as ondas estacionárias.

Acreditamos ter contribuído para a melhoria do aprendizado dos estudantes com respeito a esse tema de ensino, assim como para a diversificação de metodologias de ensino oferecidas aos mesmos. Ressaltamos que a atividade relatada ocorreu após aulas teóricas e anteriormente a uma pesquisa que buscava relacionar a fenomenologia das ondas estacionárias com os resultados obtidos na atividade.

## Agradecimentos

Agradecemos ao apoio financeiro da CAPES por meio do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência, PIBID, ao professor Dr. Marcos

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César Danhoni Neves, da Universidade Estadual de Maringá, pela sugestão da atividade, no longínquo ano de 2003, e aos árbitros do XX SNEF pelas contribuições ao manuscrito.

## Referências

YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A. Física II : Termodinâmica e Ondas. São Paulo: Pearson, 2008.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R. Fundamentos de Física : gravitação, ondas e termodinâmica. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

SAAB, S. C.; CÁSSARO, F. A. M.; BRINATTI, A. M. Laboratório caseiro: tubo de ensaio adaptado como tubo de kundt para medir a velocidade do som no ar. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v.22, n.1, Florianópolis abr. 2005.

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