Física do ensino fundamental · Grades 1–9

27Como o som viaja

O clarão do relâmpago — depois um, dois, três segundos de silêncio — e só agora o ronco do trovão. E olha que o clarão e o ronco nasceram juntos, na mesma nuvem! O som, como aprendemos, é um tremor que viaja. Este capítulo o acompanha na estrada: por onde ele viaja, com que velocidade corre e o que acontece quando ele bate numa parede.

27.1 O som precisa de um transportador

Proposição 27.1 (Sem transportador, sem som)

O som viaja apenas através das coisas: pelo ar, pela água, pela madeira, pelo tijolo e pelo aço. Onde não há absolutamente nada — nem ar, nem material de tipo nenhum — o som não consegue viajar: o tremor não tem o que fazer tremer.

Exemplo 27.2 (A campainha no frasco)

Uma experiência famosa, de três séculos atrás: uma campainha elétrica toca dentro de um frasco de vidro — e é ouvida com clareza. Uma bomba então suga o ar do frasco lacrado enquanto o martelinho da campainha continua batendo, bem visível. O toque vai sumindo… e morre. Deixe o ar voltar correndo: o toque volta. A campainha nunca parou — foi o transportador dela que foi tirado e devolvido. E agora você pode resolver uma velha pergunta: a Lua silenciosa, onde um grito morre sem ser ouvido, é silenciosa porque não tem ar nenhum.

A campainha no frasco: tire o ar e o som — não a campainha — para.

Exemplo 27.3 (Transportadores melhores que o ar)

Os sólidos e a água carregam o som maravilhosamente — muitas vezes melhor que o ar. Encoste a orelha na mesa e peça a um colega que arranhe bem de leve a outra ponta dela: pelo ar você não ouve nada, pela madeira o arranhão chega alto e nítido. Os nadadores ouvem as batidas dentro da piscina de uma ponta à outra; as baleias cantam umas para as outras através de mares inteiros. E as paredes grossas levam a furadeira do vizinho para todos os cômodos — os sólidos são quase bons demais nisso.

Método 27.4 (O telefone de barbante)

Faça um furinho no fundo de dois copinhos de papel;
passe as pontas de um barbante comprido pelos furos, dando um nó em cada uma para não escapar;
afastem-se até o barbante ficar bem esticado e sem encostar em nada no caminho;
um fala baixinho num copinho; o outro encosta o dele no ouvido.

O sussurro chega claro do outro lado do pátio: a sua voz faz o copinho tremer, o tremor corre pelo barbante esticado e o copinho distante o reproduz. Deixe o barbante bambo ou aperte-o entre dois dedos, e o telefone morre — a estrada foi cortada.

O telefone de barbante, armado e esticado: um barbante bem esticado leva o tremor de copinho a copinho muito melhor que o ar entre duas pessoas sussurrando.

27.2 O som leva tempo

Proposição 27.5 (Rápido, mas não instantâneo)

O som é um corredor, não um mágico: no ar ele percorre cerca de $340\,\mathrm{m}$ a cada segundo — três segundos para mais ou menos um quilômetro. A luz, ao contrário, chega tão depressa que, em qualquer cena que você consiga observar, a viagem dela conta como instantânea. Essa diferença é a história inteira da tempestade.

Método 27.6 (A que distância está a tempestade?)

Veja o clarão — comece a contar segundos num ritmo firme: mil e um, mil e dois, …;
pare no primeiro ronco de trovão;
divida a sua contagem por $3$ : esse é mais ou menos o quanto a tempestade está distante, em quilômetros.

Seis segundos: cerca de $2\,\mathrm{km}$ . Contagens cada vez menores entre um raio e outro querem dizer que a tempestade está se aproximando — hora de entrar.

Clarão agora, trovão depois: a luz chega na hora, o som atravessa trotando a 340\, m por segundo. Os segundos de silêncio medem a distância. — Clarão agora, trovão depois: a luz chega na hora, o som atravessa trotando a $340\,\mathrm{m}$ por segundo. Os segundos de silêncio medem a distância.

Exemplo 27.7 (Ecos)

Grite na direção de um paredão ou de um prédio isolado lá longe, do outro lado de um campo: “ALÔ!” — um instante de silêncio — “Alô!” responde a sua própria voz. O som quica em paredes grandes e duras, e um som quicado que volta até você tarde o bastante para ser ouvido separadamente é um eco. Quanto mais distante a parede, mais longa a viagem de ida e volta da sua voz e mais tarde o eco. Num cômodo pequeno o quique volta depressa demais para ser ouvido à parte — ele só deixa a sua voz mais encorpada.

Observação 27.8 (Sonar: o eco posto para trabalhar)

Os navios medem a profundidade do mar gritando para baixo — um estalo na água — e cronometrando o eco vindo do fundo. Água funda, eco tardio; água rasa, eco rápido. Os golfinhos e os morcegos já nasceram sabendo o truque: eles estalam e escutam, lendo os ecos para caçar em água escura e em cavernas de escuridão total. Contando os segundos do trovão, você já usou o método deles: cronometre o som e saiba a distância.

27.3 Exercícios

Exercício 27.1 ★

Diga três transportadores de som deste capítulo e um lugar em que o som não consegue viajar de jeito nenhum.

Solução

Solução de Exercício 27.1.

Transportadores: o ar, a água, os sólidos (madeira, tijolo, aço, um barbante esticado). Sem transportador nenhum: o espaço vazio — como a Lua sem ar, ou o frasco com o ar retirado.

Exercício 27.2 ★

Na experiência do frasco, o martelinho da campainha continua batendo enquanto o toque morre. O que exatamente foi tirado, e o que isso prova?

Solução

Solução de Exercício 27.2.

O ar — o transportador do som — foi bombeado para fora. A campainha, tremendo, não tinha mais nada para fazer tremer, o que prova que o som só viaja através de material, nunca através do nada.

Exercício 27.3 ★

Por que a Lua é um mundo silencioso? Responda com a proposição do capítulo.

Solução

Solução de Exercício 27.3.

Sem transportador, sem som: a Lua não tem ar, então o tremor de um grito não tem por onde viajar — ele morre nos lábios.

Exercício 27.4 ★

No telefone de barbante, o que carrega o sussurro? Dê as duas regras para manter o telefone funcionando.

Solução

Solução de Exercício 27.4.

O barbante esticado é quem carrega: a voz sacode o copinho, o copinho sacode o barbante, o barbante reproduz tudo no copinho distante. Regras: manter o barbante bem esticado e não deixá-lo encostar em nada (sem barriga, sem dedos apertando).

Exercício 27.5 ★

Que distância o som percorre pelo ar em um segundo, mais ou menos? E em três segundos?

Solução

Solução de Exercício 27.5.

Cerca de $340\,\mathrm{m}$ em um segundo — mais ou menos um quilômetro em três.

Exercício 27.6 ★

Você conta nove segundos entre o clarão e o trovão. A que distância está a tempestade? No raio seguinte, o seu colega conta só três segundos — o que mudou, e o que vocês dois devem fazer?

Solução

Solução de Exercício 27.6.

$9 \div 3 = 3$ : cerca de $3\,\mathrm{km}$ de distância. Três segundos depois querem dizer cerca de $1\,\mathrm{km}$ : a tempestade se aproximou muito — é hora de entrar.

Exercício 27.7 ★

Por que encostar a orelha na mesa deixa você ouvir um arranhão que o ar nunca entregou?

Solução

Solução de Exercício 27.7.

A madeira é um transportador muito melhor que o ar: o arranhão fraco é fraco demais para o ar entregar do outro lado da mesa, mas o tampo sólido leva o tremor alto e nítido direto até o seu ouvido.

Exercício 27.8 ★

O que é um eco? Por que um paredão maior e mais distante responde mais tarde que um paredão próximo?

Solução

Solução de Exercício 27.8.

Um eco é o seu próprio som quicado numa parede grande e dura, voltando tarde o bastante para ser ouvido separadamente. Um paredão mais distante quer dizer uma viagem de ida e volta mais longa para o som, então a resposta chega mais tarde.

Exercício 27.9 ★

Como o sonar de um navio distingue água funda de água rasa? Quais dois animais jogam o mesmo jogo, e onde?

Solução

Solução de Exercício 27.9.

O navio estala para baixo e cronometra o eco vindo do fundo do mar: eco rápido, água rasa; eco tardio, água funda. Os golfinhos fazem isso em água escura, e os morcegos em cavernas de escuridão total.

Exercício 27.10 ★★

Os faroestes antigos mostram batedores encostando a orelha no trilho de aço para perceber um trem ainda distante. Por que o trilho entrega o trem muito antes do ar? Dê as duas vantagens que o trilho oferece ao som. (Uma é sobre transportar bem; para a outra, lembre que o trilho corre em linha reta até o trem, enquanto o som no ar se espalha em todas as direções, como os anéis num lago, ficando mais fraco conforme avança.)

Solução

Solução de Exercício 27.10.

Primeiro, o aço carrega o som muito melhor que o ar, então o ronco sobrevive à viagem longa. Segundo, o trilho guia o som por uma estrada única, em linha reta, até o ouvido do batedor, enquanto no ar aberto o barulho do trem se espalha em todas as direções, como anéis num lago, ficando mais fraco a cada metro — e assim a mensagem do trilho chega mais forte e mais nítida, bem antes da mensagem do ar.

Exercício 27.11 ★★

Parado num pátio grande e vazio, você bate uma palma e ouve o estalo da sua própria palma voltar da parede distante depois de um segundo inteiro. O som correu até a parede e voltou nesse segundo. A que distância está a parede — cuidado, pense na viagem de ida e volta!

Solução

Solução de Exercício 27.11.

Em um segundo o som percorre cerca de $340\,\mathrm{m}$ — mas esse segundo pagou pela ida e pela volta. A parede está na metade disso: a cerca de $170\,\mathrm{m}$ .