Exercicios resolvidos Moyses_vol 2 capitulo06-1

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Resolução de “Curso de 
Física Básica” de H. 
Moysés Nussenzveig 
Capítulo 06 - Vol. 2 
 
Enenharia Física 09 – Universidade Federal de São Carlos 
10/13/2009 
 
 
 
 
*Conseguimos algumas resoluções pela internet, outras foram feitas por nós. 
1 – Uma experiência de demonstração divertida consiste em mudar a tonalidade da voz 
enchendo a boca de gás hélio: uma voz grave transforma-se em aguda (cuidado: não 
procure fazer isso por sua conta! Inalar hélio é perigoso, podendo levar à sufocação). 
Para explicar o efeito, admita que os componentes de onda associados à voz são 
determinados pelas dimensões das cordas vocais, laringe e boca, estas funcionando 
como cavidades ressonantes, de modo que a variação de tonalidade seria devida 
unicamente à variação da velocidade do som (embora isto não seja bem correto). 
 a) Calcule a velocidade do som no hélio a 20°C. É um gás monoatômico, de 
massa atômica ≈ 4 g/mol, com γ ≈ 1,66. A constante universal dos gases R vale 8,314 
J/mol.K. 
 b) Explique o efeito, calculando a razão entre as freqüências do som no hélio e 
no ar para o mesmo comprimento de onda. 
 
a) Sendo o processo adiabático, convertemos a temperatura para Kelvin (20°C =293K) e a 
massa para kilograma (4g/mol = 4.10-3 kg/mol) e temos que: 
V = ��.�.��� = 1005,45 m/s 
 
b) V’
 
= λ f’ 
V = λ f 
Logo: �′� = 	′	 = 2,93 
 
2 – Um alto-falante de um aparelho de som emite 1W de potência sonora na freqüência 
υ = 100 Hz. Admitindo que o som se distribui uniformemente em todas as direções, 
determine, num ponto situado a 2 m de distância do alto-falante: 
 a) o nível sonoro em db; 
 b) a amplitude de pressão; 
 c) a amplitude de deslocamento. Tome a densidade do ar como 1,3 kg/m³ e a 
velocidade do som como 340 m/s. 
 d) a que distância do alto-falante o nível sonoro estaria 10 db abaixo do 
calculado em (a)? 
 
P = 1 W; υ = 100 Hz ; r = 2 m ; I0 = 10-12 W/m² ; ρ0 = 1,3 kg/m³ ; v = 340 m/s. 
 
a) Área = A = 4pi.r² = 4pi.2² = 16pi m² 
 I = P/A = 1(W) / 16pi (m²) = 0,0189 W/m² 
O nível sonoro vale: 
 





=α
0I
Ilog10
 = 





−1210
0189,0log10 ⇒ α = 103 db 
b) 
v2
1I
0
2
ρ
℘
= ⇒ ℘² = 2.ρ0.v = 2.1,3.340 = 17,587 ⇒ ℘ = 4,2 N/m² 
c) 220 Uv2
1I ωρ= 
onde: ω = 2.pi.υ = 2.pi.100 ⇒ ω = 200pi rad/s 
Logo: 
 2
0
2
.v.
I.2U
ωρ
= ⇒ U = 0,015 mm 
d) α’ = α - 10 = 103 – 10 = 93 db 
 I’ = P/A’ = 1/ (4pir²) 
 
 










pi
=α
−12
2
10
r4
1
log10'
 = 93 ⇒ 123,9
2
10.10.4
1
r
−pi
= ⇒ r = 6,3 m 
 
3 – Que comprimento deve ter um tubo de órgão aberto num extremo e fechado no 
outro para produzir, como tom fundamental, a nota dó da escala média, υ = 262 Hz a 
15°C, quando a velocidade do som no ar é de 341 m/s? Qual é a variação de freqüência 
∆υ quando a temperatura sobe para 25°C? 
 
υ = 262 Hz ; T = 15°C = 288 K ; v = 341 m/s ; T’ = 25°C = 298 K ; 
 
Tubo aberto numa extremidade e fechado na outra: 
 
L4
v
nn =υ (n = 1, 3, 5, ...) 
 (I) 
Para o tom fundamental, n = 1 e, de acordo com (I), encontramos L: 
 
υ
=
4
vL ⇒ L = 0,325 m = 32,5 cm 
 
Para uma dada massa de ar, a velocidade do som é dada por: 
 T
m
R
m
RT
v
teconsC
.
tan
321
=
== γγ ⇒ T.Cv = 
Encontrando C, substituindo v e T: 
 341 = C. 288 ⇒ 
288
341C = 
 (II) 
Encontrando a velocidade v’, quando T’ = 298 K 
 'T.C'v = = 298
288
341
 ⇒ v’ = 346,87 m/s 
A nova freqüência será: 
 
L4
'v
' =υ = )0325(4
87,346
 ⇒ υ’ = 266,8 Hz 
 
∆υ = υ’ - υ = 4,8 Hz 
 
 
4 – Na experiência da pg. 221* (pg 136 – 4ª ed), o diapasão emite a nota lá de 440 Hz. 
À medida que vai baixando o nível da água no tubo, a 1ª ressonância aparece quando a 
altura da coluna de ar é de 17,5 cm e a 2ª quando é de 55,5 cm. 
 a) Qual é o comprimento de onda? 
 b) Qual é o valor da correção terminal (cf. pg. 219)**? 
 c) Estime o diâmetro do tubo. 
 d) Qual é a velocidade do som no tubo? 
 
* - Diapasão excita ondas sonoras numa coluna de ar contida num tubo cilíndrico de 
vidro, contendo água na parte inferior. 
** - Esta correção terminal equivale a corrigir o comprimento efetivo do tubo, 
acrescentando-lhe ≈0,6R, onde R é o raio do tubo. 
 
a) f = nv/4 L 
 L = 340 / 4. 440 
 L � 19 cm 
Sendo: 
λ = 4 L 
 λ � 76 cm 
 
b) Como a medida com o diapasão é 17,5 cm e a altura teórica é 19 cm, o fator de 
correção (y) é: 
y= 19 – 17,5 
 y = 1,5 cm 
 
c) Sendo y = 0,6 R 
y = 0,3 D 
 D = 1,5/0,3 
 D = 5cm 
 
d) Pela relação, temos: 
v = λ f 
 v= 0,76 . 440 
 v = 334,4 m/s 
 
5 - O tubo de Kundt, que costumava ser empregado para medir a velocidade do som em 
gases, é um tubo de vidro que contém o gás, fechado numa extremidade por uma tampa 
M que se faz vibrar com uma freqüência υ conhecida (por exemplo, acoplando-a a um 
alto-falante) e na outra por um pistão P que se faz deslizar, variando o comprimento do 
tubo. O tubo contém um pó fino (serragem, por exemplo). Ajusta-se o comprimento do 
tubo com o auxílio do pistão até que ele entre em ressonância com a freqüência υ, o que 
se nota pelo reforço da intensidade sonora emitida. Observa-se então que o pó fica 
acumulado em montículos igualmente espaçados, de espaçamento ∆l, que se pode 
medir. 
 a) A que correspondem as posições dos topos dos montículos? 
 b) Qual é a relação entre ∆l, υ e a velocidade do som no gás? 
 c) Com o tubo cheio de CO2 a 20°C e υ = 880 Hz, o espaçamento médio medido 
é de 15,2 cm. Qual é a velocidade do som no CO2 a 20°C? 
 
 
 
Tubo fechado nas duas extremidades. 
1
2 2
nl l nλλ= ⇒ = 
12 2
v
v l
l
λυ υ υ= = ⇒ = 
 
a) Os nós do deslocamento. Antinodos de pressão ou nodos de deslocamento. O 
deslocamento "varre" as partículas para os nós do deslocamento. 
 
b) 2
2
l lλ λ∆ = ⇒ = ∆ 2v . l.υ= ∆ 
 
c) v = 2.(0,152).880 ⇒ v = 267,5 m/s 
 
6 - a) Mostre que, para uma onda sonora harmônica de freqüência angular ω e três 
dimensões num fluido cuja densidade de equilíbrio é ρ0, o deslocamento ur (que neste 
caso é um vetor!) está relacionado com a pressão p por: grad p = ρ0.ω². ur . 
 b) Considere uma onda sonora harmônica que se propaga no semi-espaço x > 0, 
com p=p(x,y,z,t), e suponha que o plano x = 0 é uma parede fixa, rígida. Mostre, 
utilizando o resultado da parte (a), que p tem de satisfazer a condição de contorno 
0
x
p
=
∂
∂
 para x=0, qualquer que seja t. Em particular, isto vale na extremidade fechada 
de um tubo de órgão. 
 
a)Tomamos � como potencial de velocidades e ���, �� � � cos���� � ���� � ����� !� � "�. 
Sabendo que v = #� e que a velocidade esta relacionada à pressão pela expressão: 
P = ρ0 $%$& 
Temos: 
P = ρ0 $%$& ⇒ P = ρ0 $²($&² ⇒ P = ρ0.ω².� ) 
b)P = P (x,y,z,t) 
P = ρ0 ω² � cos���� � ���� � ����� !� � "� 
*+/*� = -K’ ρ0 ω² � sen(��� � ���� � ����� !� � "� 
Se x = 0 , P = P (0,y,z,t) assim, $-$. � /012�31�4 � 0. ) 
 
7 – Uma onda sonora plana monocromática de pressão dada por [cf. 
(6.5.7)] ( )tykxkcosPp yxi ω−+−= , onde k² = kx² + ky² = ω² / v² ( 
v = velocidade do som), incide com ângulo de incidência θ1 sobre o 
plano x = 0, ocupado por uma parede rígida (fig.), dando origem à 
onda refletida, de pressão dada por ( )tykxkcos'Pp yxr ω−+= , 
associada ao ângulo de reflexão θ’1=θ1 (fig.). 
 a) Verifique que kx = k.cosθ1, ky = k.senθ1. 
 b) Aplique a condição de contorno do problema 6 à onda total 
p = pi + pr e determine P’ em função de P. 
 c) Escreva a onda total p em função de P, usando (b), e 
interprete o resultado. Mostre que, no caso particular em que ky = 0, ele se reduz ao que 
foi encontrado na pg. 220 para a reflexão na extremidade
fechada de um tubo de órgão. 
 
a) Considerando o raio incidente (Pi) como um certo vetor (k), temos 
 
Analisando trigonométricamente, concluimos: 
ky = k.senθ1 e kx= k.cos θ1 ) 
b) 
c) 
 
8 – Uma lente esférica plano-convexa delgada é formada por um meio onde o som se 
propaga com velocidade v2, limitada por uma face plana e outra esférica de raio de 
curvatura R; o raio h = I’A da face plana é suposto <<R. No meio externo à lente, o som 
se propaga com velocidade v1, com 
n
v
v 12 = , onde n é o índice de refração relativo. 
Supomos n > 1. Nestas condições, uma onda sonora plana incidente perpendicularmente 
sobre a face plana é focalizada pela lente em seu foco F. A distância f = OF do foco à 
face curva chama-se distância focal, e AO = e é a espessura da lente. 
 a) Mostre que, para h << R, tem-se e = h² / (2R). Para isso, você poderá utilizar a 
aproximação: ε±≈ε±
2
11 1 , válida para |ε| << 1. 
 b) Com o auxílio do Princípio de Huygens, mostre que )1n(
Rf
−
= . 
Sugestão: Partindo da frente de onda plana incidente II’, iguale o tempo que as frentes 
de onda secundárias levam para convergir no foco passando pela periferia da lente 
(caminhos I’F, IF) e pelo centro (caminho AO + OF) e use o resultado da parte (a). 
 
 
 
 
a) 
 
Por pitagoras: 67 87 � �6 9�7⇒√67 87 � 6 9⇒�67 ;< 8767= � 6 9⇒ 
9 � 6 6>< 8767 
Pela relação fornecida, temos: 9 � 6�< �< 8767)⇒ 9 � 6�< �< <7 8767)⇒ 9 � 6�<7 8767)⇒ 9 � 8776� ) 
 
b) Pela equação dos fabricantes, temos: <? � @A7A< <B @ <6< � <67B 
Como 6< C �∞, já que a lente é plana, e A< � < (ar),então: <? � �A <� @E � <6B 
 <? � A <6 
 ? � 6A < ) 
 
9 – Duas fontes sonoras A e B oscilam em fase com a freqüência de 20 kHz, no ar, 
emitindo ondas esféricas; a distância AB = 3d é de 10,2 m. Considere o plano 
perpendicular a AB que passa pelo terço O do segmento AB : AO = d = (1/2) OB. Ache 
as distâncias x do ponto O associadas dos dois primeiros mínimos e aos dois primeiros 
máximos de interferência sobre esse plano. Você poderá utilizar a aproximação 
ε±≈ε±
2
11 1 (|ε| << 1); a velocidade do som no ar é de 340 m/s. Se as ondas emitida 
por A e B têm a mesma amplitude, qual é a razão da intensidade dos máximos à dos 
mínimos? 
 
 
 3G � 10,2 
 G � 3,4 K � L. M 
 340 � L. 20.10N 
 L � 0,017 P 
 
Sabemos que em O há interferência construtiva, já que: L1 � G 
 1 � 3,40,017 
 1 � 200 
Portanto, para ondas construtivas: +QRRRR +�RRRR � 1L 
 ��S � 4GS�T� ��S � GS�T� � 1L 
 
2G U �S4GS � 1V
WS G U�SGS � 1V
WS � 1L 
 2 U �S4GS � 1V
WS U�SGS � 1V
WS � 1LG 
Pela relação fornecida, temos: 
2 ; .�XY� � 1= ; .�SY� � 1= � Z[Y 
 � � ;1 Z[Y =T� . 2G para ondas construtivas. 
Calculamos, então, os valores logo abaixo de n=200 para encontrar os próximos 
máximos. Sabemos, também, que, no meio de dois máximos, há sempre um mínimo. 
Assim: 
Máximos\]
^1 � 199 C � � ;1 W``.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 
 �W � 48 /P 
1 � 198 C � � ;1 W`X.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 
 �S � 68 /P
f
 
Mínimos\]
^1 � 199,5 C � � ;1 W``,h.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 
 �`W � 34 /P 
1 � 198,5 C � � ;1 W`X,h.a,aWbN,c =T� . 2.3,4 
 �`S � 59 /P
f
 
 
Sabemos que: j � jk � jl � 2mjkjlcos �"WS� 
n j�k.�cos�"WS� � 1� � omjk � mjlpSj�qZ�cos�"WS� � 1� � omjk mjlpS f 
Assim: 
j�k.j�qZ � omjk � mjlp
S
omjk mjlpS � r
s1 � �jljk1 �jljkt
u
S
�v w1 � 121 12x
S � 9 
* 
yzy{ � |}��y} � Wc 
 
 
10 – Uma onda sonora plana harmônica de comprimento de onda λ incide 
perpendicularmente sobre um anteparo opaco com três fendas igualmente espaçadas, de 
espaçamento d >> λ. Para a distâncias R >> d, determine as direções de observação θ 
em que aparecem mínimos de interferência, generalizando a (6.8.11)* de duas para três 
fendas. Qual é a intensidade nos mínimos? Sugestão: Você terá de calcular a resultante 
de três oscilações com defasagens consecutivas δ iguais. Use a notação complexa e a 
fórmula (demonstre-a!) 





 δ





 δ
=
−
−
=++ δ
δ
δδ
2
sen
2
3
sen
1e
1e
ee1
2
2
2
i
i32i2i
. 
O mesmo método se aplica a um número qualquer de fendas igualmente espaçadas. 
*










+
= )(
2
1
)(
destrutivan
aconstrutivn
dsen λ
λ
θ
 (n = 0, ±1,...) 
 
 
 
 
Vimos que: ~  � �W � G241€�S � �W � 2G241€f 
Como   G, então:  � �W e �S � �W 
 
Pelas equações da 68, temos: 
\‚]
‚^ �W � 3�W cos ���W ƒ���S � 3�S cos���W � �G241€ ƒ�� � 3�S cos�� ƒ���N � 3�N cos���W � �2G241€ ƒ�� � 3�N cos ���S ƒ��
f
 
Pela equação de Euler: 
\]
^ �W � k� Re. e†�‡ˆT‰Š&��S � k� Re. ‹e†�‡ˆT‰Š&�. 4q�Œ�N � k� Re. ‹e†�‡ˆT‰Š&�. 4qS�Œ
f
 , onde  � �G241€ 
Assim: � � �W � �S � �N � 3 Re. e†�‡ˆT‰Š&�Ž1 � 4q� � 4qS� 
Vamos calcular as intensidades: jj � |�|S|�W|S � ’1 � 4q� � 4qS�’S 
Analisando com atenção, notamos que 1 � 4q� � 4Sq� representa a soma de uma 
progressao geométrica de termo inicial 1 e razão 4q�. Assim: “N � k”•‰kT•‰W � –”—˜‰W–—˜‰W (*) 
Por (*), temos: 
jj � ™4Nq� 14q� 1 ™
S � š4Nq�S @4Nq�S 4‰Nq�S B4q�S @4q�S 4‰q�S B š
S
� ’4q�’S. ›4Nq�S 4‰Nq�S4q�S 4‰q�S ›
S
 
Mas, sabemos que: ’4q�’ � �cosS  � 241S�T� e 4qœ 4‰qœ � 2241€ 
Assim, temos: jj � 241
S ;3G2 =241S ;G2= 
Logo, há mínimo de interferência quando 241S ;NYS = C 0. Portanto: 32 � 1 
 32 . 2L G241€ � 1 
 G241€Z � 1L3 
Com ZN não inteiro já que a interferência é destrutiva. 
 
11 – Uma ambulância, em velocidade constante e com sua sereia sempre ligada, passa 
ao lado de um observador parado. A tonalidade da sereia percebida pelo observador 
varia de um semitom da escala cromática entre quando ela está se aproximando, vindo 
de longe, e quando se afasta, já distante. A velocidade do som no ar é de 340 m/s. 
Calcule a velocidade da ambulância (em km/h). 
 
12 - Dois trens viajam em sentidos opostos, sobre trilhos paralelos, com velocidades de 
mesma magnitude. Um deles vem apitando. A freqüência do apito percebida por um 
passageiro do outro trem varia entre os valores de 348 Hz, quando estão se 
aproximando, e 259 Hz, quando estão se afastando. A velocidade do som no ar é de 
340m/s. 
 a) Qual é a velocidade dos trens (em km/h)? 
 b) Qual é a freqüência do apito? 
 
 
ž� MkŸ � M w1 � KK 1 KK  x � 348 ¡� ; žž� Mk� � M w
1 KK 1 � KK  x � 259 ¡� 
Isolando UW£ ¤¤¥W‰ ¤¤¥ V em i e ii, temos: 
\‚]
‚^UW£ ¤¤¥W‰ ¤¤¥ V � �{¦�}UW£ ¤¤¥W‰ ¤¤¥ V � �}�{§
f
�{¦�} � �}�{§ 
 M � mMkŸ. Mk� 
 M � 300,22 ¡� 
a� Substituindo em i, temos: 
MkŸ � M w1 �
KK 1 KK  x ⇒ 348 � 300,22 w
1 � K3401 K340 x 
 K � 25,2
P2 � 90,72 �P² 
b) M � 300,22 ¡� 
 
 
13 – Numa estrada de montanha, ao aproximar-se de um paredão vertical que a estrada 
irá contornar, um motorista vem buzinando. O eco vindo do paredão interfere com o 
som da buzina, produzindo 5 batimentos por segundo. Sabendo-se que a frequencia da 
buzina é de 200 Hz e a velocidade do som no ar é de 340 m/s, qual é a velocidade do 
carro (em km/h)? 
 
Freqüência recebida pela parede: 
M� � M w 11 K³K  x 
Freqüência recebida pelo carro (fonte é a montanha): M�� � M� @1 � K³K B 
∆M � M�� M � M w1 �
K³K 1 K³K  x M � M w
1 � K³K 1 K³K  1x �
2M K³K 1 K³K  ∆M � 5 � 2.200. K³;1 K³340= 
 K³ � 4,2
P2 � 15,11 �P² 
 
14 – Uma fonte sonora fixa emite som de freqüência υ0. O som é refletido por um 
objeto que se aproxima da fonte com velocidade u. O eco refletido volta para a fonte, 
onde interfere com as ondas que estão sendo emitidas, dando origem a batimentos com 
freqüência ∆υ. Mostre que é possível determinar a magnitude |u| da velocidade do 
objeto móvel em função de ∆υ, υ0 e da velocidade do som v. 
O mesmo princípio é utilizado (com ondas eletromagnéticas
em lugar de ondas sonoras) 
na detecção do excesso de velocidade nas estradas com auxílio do radar. 
 
 
\‚]
‚^ M � M ;1 � µK = Freqüência recebida pelo objeto
M� � M w 11 µK x Freqüência recebida de volta �objeto é a fonte�
f
 
∆M � M� M � M w1 � µK 1 µK x � M w
1 � µK1 µK 1x � 
2M µK1 µK 
∆M � 2M µK1 µK 
 ∆M ∆M
µK � 2M µK 
 |µ| � K∆M2M � ∆M 
 
 
15 - Dois carros (1 e 2) trafegam em sentidos opostos numa estrada, com velocidades 
de magnitudes v1 e v2. O carro 1 trafega contra o vento, que tem velocidade V. Ao 
avistar o carro 2, o motorista do carro 1 pressiona sua buzina, de freqüência υ0. A 
velocidade do som no ar parado é v. Qual é a freqüência υ do som da buzina percebida 
pelo motorista do carro 2? Com que freqüência υ’ ela é ouvida pelo motorista de um 
carro 3 que trafega no mesmo sentido que o carro 1 e com a mesma velocidade? 
 
 
Com a ação do vento, a velocidade do som no ar passa a ser: K�� � K  Á 
I) M � M UW£ ¤�¤¥ÂÃW‰ ¤T¤¥Âà V ⇒ M � M ;	¥‰%£	�	¥‰%‰	T = , com |v1| = |v2| 
II) Se ambos os carros estão andando na mesma direção em MRU, a situação torna-se 
análoga a se ambos estivessem parados um ao lado do outro. Assim: M � M 
 
16 – Complete a teoria do efeito Doppler para movimento numa direção qualquer 












θ
υ
=
v
Vcos
-1
 vque em 0
 calculando a freqüência υ percebida por um observador 
quando a fonte, de freqüência υ0 está em repouso na atmosfera e o observador se move 
ao longo de uma direção P0P com velocidade de magnitude u. No instante considerado, 
a direção PF que liga o observador à fonte faz um ângulo θ com a direção do 
movimento. Verifique que se recai nos resultados obtidos no texto para θ = 0 e θ = pi. 
 
 
 
17 – Mostre que se pode obter o efeito Doppler a partir da transformação de Galileu. 
 a) Considere primeiro uma onda sonora harmônica em uma dimensão, para uma 
fonte sonora em repouso no meio, de freqüência υ0. Escreva a expressão da onda num 
ponto x no instante t, no referencial S do meio. Considere agora um observador que se 
desloca com velocidade u em relação a S, na direção θ. Relacione x com a coordenada 
x’ do observador, no referencial S’ que se desloca com ele. Substitua na expressão da 
onda e interprete o resultado. 
 b) Considere agora o caso em que o observador se move com velocidade u numa 
direção qualquer. Generalize o resultado de (a), usando a transformação de Galileu 
geral, e mostre que se obtém a mesma expressão para o efeito Doppler encontrada no 
Problema 16. Parta da expressão geral para uma onda plana. 
Expressão geral: [ ])tr.k(iAeRe)tr.kcos(A)t,r( ω−=δ+ω−=ϕ 
 
18 - Um avião a jato supersônico está voando a Mach 2 (o dobro da velocidade do 
som). 
a) Qual é o ângulo de abertura do cone de Mach? 
b) 2,5 s depois de o avião ter passado diretamente acima de uma casa, a onda de choque 
causada pela sua passagem atinge a casa, provoca um estrondo sônico. A velocidade do 
som no ar é de 340 m/s. Qual é a altitude do avião em relação à casa? 
 
 
 
a) v = 2V = 2.(340) = 680 m/s 
1 30
2 2
V V
sen
v V
α α= = = ⇒ = ° 
 
b) Pelo desenho, temos que: 
tg(30°)=h/v.∆t ⇒ h = v.∆t.tg(30°) = 680.2,5.√3/3 ≈ h = 981 m