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.

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.
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 B 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):
c = \sqrt{\frac{K}{\rho}}
onde:
  • c é a velocidade de propagação do som no meio (em \mathrm{m/s}),
  • K é o módulo de compressibilidade volumétrica do meio, também chamado de bulk modulus (rigidez do meio; em \mathrm{Pa}). Quanto maior K, mais “difícil” é comprimir o meio.
  • \rho é a densidade do meio (em \mathrm{kg/m^3}).
Interpretação física: velocidade aumenta se o meio for mais rígido ( K grande) e diminui se o meio for mais denso ( \rho grande). O que importa é a razão K/\rho.

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)
K_{\text{ar}} \approx 1{,}4\times 10^{5}\\ \mathrm{Pa},\quad \rho_{\text{ar}} \approx 1{,}2\\ \mathrm{kg/m^3}
Logo a velocidade do som no ar:
c_{\text{ar}} = \sqrt{\frac{1{,}4\times 10^{5}}{1{,}2}} \approx \sqrt{1{,}166\times 10^{5}}\approx 341\\ \mathrm{m/s}
Valor típico para a água doce
K_{\text{água}} \approx 2{,}2\times 10^{9}\\ \mathrm{Pa},\quad \rho_{\text{água}} \approx 1000\\ \mathrm{kg/m^3}áá
Logo a velocidade do som na água:
c_{\text{água}} = \sqrt{\frac{2{,}2\times 10^{9}}{1000}} = \sqrt{2{,}2\times 10^{6}} \approx 1483\\ \mathrm{m/s}á
Comparando: c_{\text{água}}á é muito maior que c_{\text{ar}}. A razão é que, apesar da água ser muito mais densa, seu módulo de rigidez K é enorme em comparação ao ar — esse K alto domina a razão K/\rho e faz a velocidade aumentar.

Passo 5

Conclusão direta: a alternativa A 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 K) grande leva a maior c. Portanto A 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 C (a densidade aumenta a frequência): a frequência f 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 c e, consequentemente, o comprimento de onda \lambda pela relação
\lambda = \frac{c}{f}.
Portanto, a densidade (ou o meio) não “aumenta a frequência” — a frequência não muda ao atravessar o limite entre meios. Ex.: se f=400\\ \mathrm{Hz}, em ar \lambda_{\text{ar}} \approx 341/400\approx 0{,}85\\ \mathrm{m}, em água \lambda_{\text{água}}\approx 1483/400\approx 3{,}71\\ \mathrm{m}á. Frequência igual, comprimento de onda diferente.
  • Sobre D (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 D é uma explicação incorreta.
  • Sobre E (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 E 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 K da água, que faz c=\sqrt{K/\rho} maior na água. As alternativas B, C, D e E contêm afirmações conceitualmente falsas ou irrelevantes para o fato observado.

Resposta

A

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