Durante uma aula de mergulho, o instrutor explica que o som de um barco pode ser ouvido primeiro pelos mergulhadores do que pelas pessoas na superfície.
A) A velocidade do som na água é maior que no ar, devido à maior rigidez do meio.
B) O som é uma onda eletromagnética que viaja melhor em meios densos.
C) A densidade da água aumenta a frequência sonora.
D) A energia do som é amplificada pela pressão hidrostática.
E) A água atua como condutor de ondas estacionárias.
A) A velocidade do som na água é maior que no ar, devido à maior rigidez do meio.
B) O som é uma onda eletromagnética que viaja melhor em meios densos.
C) A densidade da água aumenta a frequência sonora.
D) A energia do som é amplificada pela pressão hidrostática.
E) A água atua como condutor de ondas estacionárias.
Passo 1
O enunciado descreve a observação: durante uma aula de mergulho, o som de um barco pode ser ouvido primeiro pelos mergulhadores (debaixo d’água) do que pelas pessoas na superfície. Pede-se escolher, entre as alternativas A, B, C, D e E, a explicação correta para esse fato. As alternativas são:
A) A velocidade do som na água é maior que no ar, devido à maior rigidez do meio.
B) O som é uma onda eletromagnética que viaja melhor em meios densos.
C) A densidade da água aumenta a frequência sonora.
D) A energia do som é amplificada pela pressão hidrostática.
E) A água atua como condutor de ondas estacionárias.
A) A velocidade do som na água é maior que no ar, devido à maior rigidez do meio.
B) O som é uma onda eletromagnética que viaja melhor em meios densos.
C) A densidade da água aumenta a frequência sonora.
D) A energia do som é amplificada pela pressão hidrostática.
E) A água atua como condutor de ondas estacionárias.
O problema pede a alternativa que explica corretamente porque os mergulhadores ouvem o barco antes da superfície.
Passo 2
Vamos entender o tipo de onda de que estamos falando e eliminar imediatamente o que é impossível. O som é uma onda mecânica: precisa de um meio material (ar, água, metal etc.) para se propagar; não é uma onda eletromagnética. Por isso a alternativa
está errada: afirmar que o som é uma onda eletromagnética está conceitualmente incorreto — ondas eletromagnéticas (luz, rádio) não precisam de meio, já ondas sonoras precisam.
Passo 3
Agora a fórmula central para a velocidade do som nos meios é esta (apresento a fórmula e explico cada símbolo):
onde:
-
é a velocidade de propagação do som no meio (em ), -
é o módulo de compressibilidade volumétrica do meio, também chamado de bulk modulus (rigidez do meio; em ). Quanto maior , mais “difícil” é comprimir o meio. -
é a densidade do meio (em ).
Interpretação física: velocidade aumenta se o meio for mais rígido (
grande) e diminui se o meio for mais denso (
grande). O que importa é a razão
.
Passo 4
Vamos usar valores aproximados (valores que normalmente aparecem em exercícios) para comparar ar e água e ver quem vence:
Valor típico para o ar (a temperatura ambiente)
Logo a velocidade do som no ar:
Valor típico para a água doce
Logo a velocidade do som na água:
Comparando:
é muito maior que
. A razão é que, apesar da água ser muito mais densa, seu módulo de rigidez
é enorme em comparação ao ar — esse
alto domina a razão
e faz a velocidade aumentar.
Passo 5
Conclusão direta: a alternativa
afirma que a velocidade do som na água é maior que no ar “devido à maior rigidez do meio” — isto é exatamente o que a fórmula mostra: rigidez (módulo
) grande leva a maior
. Portanto
é a explicação correta e consistente com os números.
Passo 6
Explicações para por que as outras alternativas são incorretas, com ensino paralelo para a prova:
- Sobre
(a densidade aumenta a frequência): a frequência do som é determinada pela fonte (o barco). Quando uma onda passa de um meio a outro, a frequência permanece a mesma; o que muda é a velocidade e, consequentemente, o comprimento de onda pela relação
Portanto, a densidade (ou o meio) não “aumenta a frequência” — a frequência não muda ao atravessar o limite entre meios. Ex.: se
, em ar
, em água
. Frequência igual, comprimento de onda diferente.
-
Sobre
(energia do som amplificada pela pressão hidrostática): a pressão hidrostática aumenta com a profundidade, mas isso não implica que a energia sonora seja amplificada simplesmente por estar mais profundo. A energia transmitida por uma onda depende da amplitude e do mecanismo de emissão; mudanças de pressão estática do meio não “amplificam” a energia sonora do sinal do barco de modo simples. Em muitos casos a energia pode até ser atenuada por absorção no meio. Então é uma explicação incorreta. -
Sobre
(água como condutor de ondas estacionárias): ondas estacionárias são padrões de vibração resultantes de interferência entre ondas em sentidos opostos, típicas em cavidades ou cordas e não uma explicação geral para por que um som chega primeiro debaixo d’água. A água conduz ondas viajantes (propagação), não “só” ondas estacionárias. Portanto também está errada como justificativa do fenômeno.
Passo 7
Resumo lógico: a observação (mergulhadores ouvirem antes da superfície) se explica porque o som viaja mais rápido na água do que no ar; a raiz física é o valor muito maior do módulo de rigidez volumétrica
da água, que faz
maior na água. As alternativas
,
,
e
contêm afirmações conceitualmente falsas ou irrelevantes para o fato observado.
Resposta
A