Responda as seguintes questões apresentando justificativas baseadas em conceitos físicos:
Por que uma onda sonora só pode se propagar longitudinalmente em um meio fluido?
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
e módulo de volume ou compressão
).
Passo 2
Em geral, distinguimos dois tipos de ondas mecânicas num meio contínuo:
- Onda transversal: cada partícula do meio vibra perpendicularmente à direção de propagação da onda.
- 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
. A velocidade dessa onda num sólido isotrópico é
onde
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:
Isso implica
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
, e a velocidade da onda sonora (longitudinal) é
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 (
), não há força restauradora para oscilações transversais. Porém, ele apresenta módulo de compressão
, permitindo o surgimento de oscilações de pressão (compressões e rarefações). Por isso, a onda sonora só se propaga como onda longitudinal em meios fluidos.