Introdução à física/Fenômenos ondulatórios

Introdução

Fig.1 - Experiência de Young ou da Dupla Fenda. Esta experiência é baseada nos fenômenos de difração e sobretudo de interferência, provando de forma decisiva que a luz possui características ondulatórias.

Durante sua propagação no espaço, a onda propicia fenômenos que acontecem naturalmente e freqüentemente. O conhecimento dos fenômenos ondulatórios culminou em várias pesquisas de importantes cientistas, como Christiaan Huygens e Thomas Young, estes defendiam que a luz tinha características ondulatórias e não corpusculares como Isaac Newton acreditava, isso foi possível mediante a uma importante experiência feita por Young, a da "Dupla fenda", baseada no fenômeno de interferência e difração (veja a figura Fig.1), inerente às ondas. Mais tarde, um outro cientista célebre chamado Heinrich Rudolf Hertz,runescape fotoelétrico que foi muito bem entendido e explicado pelo físico Albert Einstein, o que lhe rendeu o Nobel de Física. Essa contradição permitiu à luz ter caráter dualista, ou seja, ora se comporta como onda ora como partícula. Outro exemplo importante foi o de Gauss, no campo da óptica, com suas descobertas e teorias sobre a reflexão da luz em espelhos esféricos e criador das fórmulas que permite calcular a altura e distancia de uma imagem do espelho com relação ao objeto.

Reflexão

Há muitos séculos, curiosos gregos como Heron de Alexandria tentavam desvendar os mistérios da natureza, em especial a ele a reflexão luminosa. Atualmente os conhecimentos adquiridos sobre este campo culminaram, em parte, na contemporânea mecânica quântica, cientistas como Niels Bohr (com seu modelo atômico mais complexo) perpassaram por estudos na área da reflexão, quando um de seus postulados dizia que fótons poderiam interagir com os elétrons da camada mais exterior da eletrosfera de um átomo, excitando-os e proporcionando-os a estes os chamados saltos quânticos que resultariam na "devolução" da radiação(pacote destes fótons) incidente. A reflexão, no entanto, não vale só para as ondas luminosas e sim para todas as ondas, ou seja, acústica, do mar, etc. Tomando como exemplo ondas originadas de inúmeras perturbações superficiais (pulsos) periódicas em um balde largo e comprido de água inerte (parada), percebe-se que as ondas se propagam no meio "batem" nas paredes do recipiente e "voltam" sem sofrerem perdas consideráveis de energia, esse fenômeno é chamado de reflexão. Os estudos do grego Alexandria resultaram na conclusão de que as ondas luminosas, natureza de onda estudada por ele, incidiam sobre um espelho e eram refletidas, e ainda que o ângulo de incidência é igual ao de reflexão. Esta teoria, aceita até os dias atuais, é valida para todas as naturezas de onda, com exceção à acústica, por se propagar em todas as direções (tridimensional).

Obs.: O aprofundamento deste sub-capitulo se dá no estudo da óptica.

A wikipédia possui um artigo sobre mecânica quântica, no entanto é aconselhável ler o restante deste capítulo e o assunto eletricidade pra um melhor entendimento.

Refração

Propagando-se numa corda de menor densidade,quando um pulso passa para outra de maior densidade, está sofrendo uma refração.

Leis da refração

Os raios de onda incidente, refratado e normal são coplanares.
Lei de Snell - Descartes: a frequência e a fase não variam. A velocidade de propagação e o comprimento de onda variam na mesma proporção.

Difração

Uma onda quando perpassa um obstáculo que possui a mesma ordem de grandeza de seu comprimento de onda, apresenta um fenômeno denominado difração, modificando sua direção de propagação e contornando um obstáculo. Esse fenômeno foi estudado pelo físico Thomas Young e representado em sua experiência junto ao de interferência - utilizado pra provar a característica ondulatória da luz, como exposto no texto introdutório deste capítulo, veja a figura Fig. 1 da página -, a da Dupla Fenda. Se uma pessoa tentar se comunicar com outra, sendo estes separados por uma parede espessa e relativamente alta, os dois se ouvirão em uma conversa, isso é possível graças ao fenômeno de difração, pois como a onda sonora possui um comprimento de onda na escala métrica ( $10^{0}m$ ), esta contornar a parede e atingir os ouvidos dos indivíduos. A luz não poderia contornar a parede, pois possui um comprimento de onda na escala nanométrica ( $10^{-9}m$ ) o que faz os indivíduos não se verem apenas se escutarem.

Interferência

Quando ocorre o encontro entre duas cristas ambas aumentam sua amplitude. Quando dois vales se encontram sua amplitude é igualmente aumentada e os dois abaixam naquele ponto. Quando um vale e uma crista encontram-se, ambos irão querer puxar cada elevação para o seu lado. Se as amplitudes forem iguais elas se cancelam (a=0). Se as amplitudes forem diferentes elas se subtraem.

Polarização

A polarização é um fenômeno que pode ocorrer apenas com ondas transversais, aquelas em que a direção de vibração é perpendicular à de propagação, como a produzida em uma corda esticada. A onda é chamada polarizada quando a vibração ocorre em uma única direção. Polarizar uma onda significa orientá-la em uma única direção ou plano.