Responda as seguintes questões apresentando justificativas baseadas em conceitos físicos:
Por que uma onda sonora só pode se propagar longitudinalmente em um meio fluido?

Passo 1

O enunciado pergunta por que uma onda sonora só se propaga longitudinalmente em um meio fluido. O conteúdo é ondas mecânicas em meios materiais, e vamos precisar dos conceitos de deslocamento de partícula (longitudinal vs. transversal), além dos módulos elásticos do fluido (módulo de cisalhamento G e módulo de volume ou compressão K).

Passo 2

Em geral, distinguimos dois tipos de ondas mecânicas num meio contínuo:
  1. Onda transversal: cada partícula do meio vibra perpendicularmente à direção de propagação da onda.
  2. Onda longitudinal: cada partícula vibra paralelamente à direção de propagação, alternando compressões e rarefações.

Passo 3

Para uma onda transversal se propagar, o meio precisa oferecer uma força restauradora quando sofre deformação por cisalhamento. Essa força está associada ao módulo de cisalhamento G. A velocidade dessa onda num sólido isotrópico é
v_{\text{t}} = \sqrt{\frac{G}{\rho}}\,,
onde \rho é a densidade do meio.

Passo 4

Num fluido (líquido ou gás), a condição de equilíbrio em equilíbrio deve manter a pressão isotrópica, e não há tensões de cisalhamento estáticas:
G_{\text{fluido}} = 0.
Isso implica
v_{\text{t}} = \sqrt{\frac{G_{\text{fluido}}}{\rho}} = 0,
ou seja, não há suporte para ondas transversais no fluido.

Passo 5

Por outro lado, o fluido responde a variações de volume (compressões e rarefações) com um módulo de compressão K\neq0, e a velocidade da onda sonora (longitudinal) é
v_{\text{l}} = \sqrt{\frac{K}{\rho}} > 0.
Logo, apenas oscilações longitudinais — que envolvem variações de pressão e densidade — podem se propagar no fluido.

Resposta

Uma vez que o fluido não sustenta tensões de cisalhamento ( G=0), não há força restauradora para oscilações transversais. Porém, ele apresenta módulo de compressão K>0, permitindo o surgimento de oscilações de pressão (compressões e rarefações). Por isso, a onda sonora só se propaga como onda longitudinal em meios fluidos.

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