O som está por toda parte!

O som está ao nosso redor. Desde o esmagar das folhas em uma caminhada de outono até o clique-clique de um teclado a digitar, nós emitimos sons apenas porque estamos vivos! Frequentemente, os sons são úteis: usamos nossas vozes para nos comunicar, fazer música e rir. Um alarme nos avisa de um perigo e ouvimos o barulho do trânsito ao atravessar a rua. Mas há também sons inúteis: o ruído pode prejudicar nossa audição e perturbar nosso sono. O entendimento do som ajuda cientistas e engenheiros a aproveitar os aspectos positivos do som e minimizar os negativos. Neste artigo, conduziremos alguns experimentos divertidos que exploram o conceito de som. Descobriremos o que realmente é o som, como ele viaja e o que torna os sons diferentes entre si. Faremos isso usando objetos do cotidiano! Portanto, chame um adulto para ajudar e vamos começar.

O que é o som?

Você pode ter ouvido dizer que o som é uma vibração, mas o que, exatamente, isso significa? Coloque, com suavidade, dois dedos na garganta e resmungue alto. Consegue sentir o movimento? Essa é a sua caixa acústica vibrando! Mas como o som passa da sua caixa acústica vibrante para os ouvidos de outra pessoa? 

Quando você resmunga, fala ou canta, na verdade está forçando o ar a atravessar sua caixa acústica. Isso faz com que o interior da caixa vibre. Essas vibrações fazem com que a pele, os tecidos e o ar dentro dos tubos respiratórios também vibrem, e o som se espalhe como as ondulações em um lago. Se você estiver falando ou cantando, o ar vibrando sairá pela boca aberta – e, se estiver cantarolando, provavelmente pelo nariz –, mas em ambos os casos a vibração da pele da garganta fará com que as moléculas de ar que a tocam também vibrem (ver abaixo). Essas vibrações partem de seu corpo e se espalham para fora, atravessando tudo que esteja à sua volta.

Por fim, algumas das vibrações chegam aos ouvidos de alguém. Em seguida, descem por longos tubos em cada um deles, chamados canais auditivos, e tocam os tímpanos – pedacinhos de pele muito finos esticados nas extremidades dos canais auditivos. Os tímpanos também começam a vibrar e enviam sinais ao cérebro do ouvinte, que então reconhecem as vibrações como sons.

O som viaja em ondas

Embora o som necessite de uma substância como o ar para lhe servir de veículo, não é o ar que viaja – é o movimento de vibração que passa de molécula em molécula. A isso, damos o nome de onda sonora. 

Tente isto:

1. Segure uma mola em uma superfície plana, como o tampo de uma mesa, com uma ponta em cada mão.
2. Afaste as mãos o máximo que puder, para que a mola fique esticada. 
3. Agora, mova a mão direita para a frente e para trás em direção à esquerda, mantendo a mão esquerda imóvel. 

O que aconteceu? Se você observou com atenção, provavelmente viu os anéis da mola se amontoando e, provavelmente, parecia que o feixe da mola estava se movendo em direção à sua mão esquerda. Os anéis da mola são como as moléculas de ar em uma onda sonora. Elas primeiro se agrupam (isso é chamado de compressão) e depois se separam (isso é chamado de rarefação). Pode parecer que os anéis agrupados estejam se movendo ao longo da mola, mas, se você marcar um anel com um pedaço de fita adesiva, verá que os anéis agrupados estão na verdade se movendo para a frente e para trás em torno de um ponto fixo. Outra forma de mostrar como as ondas viajam é uma máquina de ondas de jujubas, aqui demonstrada pelo UK National STEM Centre. 

Multidões de moléculas

Agora vamos observar o movimento do som em termos de moléculas. Você sabe que substâncias como o ar, a água, a madeira e a pedra são feitas de trilhões de minúsculas partículas chamadas moléculas. As moléculas nos sólidos estão mais próximas umas das outras do que as moléculas no ar. Todas essas partículas agrupadas se comportam como uma multidão de pessoas. Imagine que você esteja no meio dessa multidão, disputando espaço com as pessoas ao seu redor. Se você se mover, provavelmente irá empurrar as outras pessoas ao seu redor, fazendo com que elas também se movam. Quanto mais compacta a multidão, mais o movimento de uma pessoa afeta o movimento das outras. 

Os sons viajam pelas substâncias de maneira semelhante. Como as moléculas dos líquidos e dos sólidos estão mais próximas umas das outras do que as do ar, o som se move mais rápido por essas substâncias do que pelo ar. Na verdade, o som viaja pelo ar a cerca de 340 metros por segundo, enquanto, pela água, a cerca de 1.500 metros por segundo. Isso é o mesmo que dar quase quatro voltas em uma pista de corrida em apenas UM SEGUNDO! Vamos tentar outra experiência para aprender mais (Figura 1). 

Tente isto:

1. Você vai precisar de um cabide de arame e dois pedaços de barbante, cada um com cerca de 20 cm de comprimento.
2. Dê um pequeno laço em uma das pontas de cada pedaço de barbante, grande o suficiente para que seu dedo caiba dentro.
3. Amarre as outras pontas de cada pedaço de barbante nos cantos do cabide. 
4. Passe os dedos indicadores pelas alças e deixe o cabide pendurado de cabeça para baixo, longe de seu corpo. 
5. Peça a um amigo para bater suavemente no cabide com uma colher ou garfo. O que você ouve?
6. Agora, com o cabide ainda pendurado nos barbantes em volta dos dedos, coloque os dedos nas laterais da cabeça, perto (mas não dentro) das orelhas. Você precisará se curvar um pouco para a frente para que o cabide possa ficar pendurado livremente.
7. Peça a seu amigo para bater no cabide novamente. O que você ouve agora? 

Nesse experimento clássico, que você pode ver repetido em vídeo aqui, seu amigo deverá ouvir o mesmo som, não importa onde seus dedos estejam, mas você poderá ouvir algo diferente nos dois casos. Isso depende do modo como o som chega aos seus ouvidos em cada caso e, em particular, com as diferentes velocidades do som no ar e nos sólidos. Quando seus dedos tocam sua cabeça próximo aos ouvidos, o som chega ao tímpano pelos barbantes, em uma velocidade maior. Quando seus dedos não tocam seu rosto, o som chega até você pelo ar: além de ser mais lento, a energia se perde em redor, por isso soa menos alto.

É também por isso que, nos filmes de faroeste espaguete, o herói sempre consegue ouvir melhor um trem que se aproxima colocando o ouvido nos trilhos (não faça ISSO em casa!). Um método semelhante é usado por engenheiros ferroviários (com um microfone preso aos trilhos) para testes de segurança: se houver uma falha ao longo dos trilhos, o som dos trens que se aproximam fica distorcido. 

A onda sonora vista em detalhes

Aprendemos que o som se move por uma substância em ondas, as quais consistem em agrupamentos chamados compressões e alongamentos chamados rarefações. O movimento das ondas sonoras é difícil de desenhar, mas podemos fazer um gráfico para mostrar a pressão numa onda sonora em determinado instante (Figura 2), usando uma forma repetida ao longo do trajeto. A pressão é mais alta em uma compressão e mais baixa em uma rarefação, portanto nosso gráfico tem cristas (picos) e vales (depressões) alternados. Uma única onda consiste em um pico e um vale em nosso gráfico de pressão. 

Na Figura 2, a amplitude e o comprimento estão assinalados – essas são as principais características das ondas sonoras. A amplitude é a altura de uma onda, medida a partir do topo de um pico ou do fundo de um vale. O comprimento de onda é a distância, em metros, de um ponto fixo em uma repetição da forma (por exemplo, seu pico) até o mesmo ponto na próxima repetição. 

O som tem outra característica que ainda não apareceu em nossa história: frequência. Frequência significa “quantas vezes” e, em uma posição de audição fixa, a frequência de uma nota musical diz-nos quantas vibrações acontecem a cada segundo quando ela é tocada. A frequência é medida em hertz (Hz) e, no caso de uma única nota (ou seja, uma única frequência, como na Figura 2), a frequência e o comprimento da onda estão relacionados: ondas com comprimentos longos têm frequências baixas e ondas com comprimentos mais curtos têm frequências mais altas. 

Os comprimentos de onda do som podem ser consideráveis. Por exemplo, a nota normalmente usada para diapasões (440 Hz) tem comprimento de onda de 78 cm (no ar). 

Em geral, contudo, um som contém múltiplas frequências (pense em alguém tocando diferentes notas simultaneamente no piano) e elas determinam a forma que se repete ao longo da distância na Figura 2. As frequências de um som dependem muitas vezes de como ele é gerado: usar o mesmo badalo para tanger dois sinos de tamanhos desiguais, por exemplo, pode produzir duas frequências muito diferentes. 

Amplitude: qual é a altura do som? 

Uma das coisas que diferencia um som do outro é sua intensidade ou volume. Se o volume de um filme for muito baixo, você talvez não ouça o que os personagens estão dizendo. Se a música em seus fones de ouvido estiver muito alta (em volume alto), ela poderá prejudicar sua audição! 

A amplitude no nosso gráfico de pressão indica a altura do som. Sons altos possuem vibrações fortes, com compressões de alta pressão e rarefações de baixa pressão: portanto, quanto maior a amplitude, maior o volume e mais alto o som. O volume é medido em decibéis (dB). A escala de decibéis é logarítmica, isto é, aumenta mais por multiplicação do que por adição. Um aumento de 10 dB significa que o som fica dez vezes mais alto. Mas um aumento de 20 dB fica 10 x 10 = 100 vezes mais alto. Um aumento de 30 dB fica 10 x 10 x 10 = 1.000 vezes mais alto. Um sussurro tem cerca de 15 dB, uma conversa normal cerca de 60 dB e o choro de um bebê pode chegar a 110 dB! 

Sons de 110 dB ou mais parecem irritantemente altos e ruídos acima de 130 dB são realmente dolorosos. 

Tente isso:

1. Você precisará de uma mola de metal, um pedaço de fita e um vaso de flores de plástico. 
2. Segure a mola de metal por uma extremidade e deixe-a pender para o chão.
3. Levante alguns anéis para que se enfeixem e depois se soltem. Que som é emitido?
4. Prenda, com a fita, a ponta superior da mola ao fundo do vaso (a abertura deste deve se voltar para o outro lado da mola, como na Figura 3).
5. Segure o vaso de modo que a mola penda para o chão.
6. Erga e solte os anéis como antes. O barulho produzido pela mola sozinha é muito baixo, mas pode se tornar surpreendentemente alto com o vaso preso a ela!  

Figura 3. Esse experimento usa uma mola e um vaso de flores para mostrar como um recipiente pode aumentar a amplitude de uma onda sonora. Primeiro, o experimentador segura uma ponta da mola e deixa a outra pender. O som produzido desse modo é muito baixo em amplitude. Depois, o vaso é preso na ponta da mola (usando a fita), o experimentador segura o vaso e deixa a outra ponta da mola pender. O som resultante, nesse segundo caso, é similar a uma rajada de laser do filme Guerra nas Estrelas.

Por que isso acontece? Em si mesma, a mola tem apenas uma pequena superfície vibrante agindo no ar em torno dela. O vaso de flores, por outro lado, tem uma superfície maior e um volume grande de ar dentro dele. Quando os dois são ligados, as vibrações na mola fazem com que o vaso de flores – assim como o ar dentro e fora dele – vibrem. Essas vibrações aumentam e tornam o som mais alto. Dizemos que o vaso de flores amplifica o som (torna-o mais alto). Você pode fazer um experimento parecido com seu celular. Faça-o tocar alguma música. Depois, coloque-o dentro de uma caneca seca para ter o som amplificado. 

Em ambos os casos, o tamanho do recipiente determina quais frequências são amplificadas, o que é usado com muito proveito, por exemplo, nos metamateriais [1]. Na Roma antiga, o arquiteto Vitrúvio afirmava que pequenos potes de metal poderiam ser instalados em teatros para aumentar o volume da voz dos cantores: uma teoria que, de acordo com alguns cientistas, influenciou a construção de múltiplas igrejas europeias durante a Idade Média. 

Altura: até que ponto um som é agudo ou grave?

O fato de um som ser agudo ou grave é chamado altura. A altura está relacionada à maneira como um ser humano percebe a frequência de um som, isto é, ao modo como ele pode ouvi-la. Os humanos conseguem ouvir frequências entre cerca de 20 Hz (um estrondo grave, como um trovão) e 20.000 Hz (um assobio agudo). Na forma padrão de afinar instrumentos musicais, o “dó central” (ou dó 4) corresponde a 256 Hz, enquanto a nota lá “acima do dó central” corresponde ao tom de um diapasão (440 Hz). Na música, subir uma oitava na altura significa dobrar a frequência da nota. Curiosamente, quando tocamos duas notas musicais ao mesmo tempo, as que apresentam frequências em proporções simples (como 20, 22 e 24 Hz) tendem a soar mais agradáveis do que combinações de notas com proporções de frequência complexas (como 20, 21,5 e 37 Hz). 

Muitos animais ouvem frequências que os humanos não podem ouvir. Uma frequência mais alta do que as que os humanos podem ouvir é chamada de ultrassom e uma que fique abaixo de nosso alcance auditivo é chamada de infrassom. Morcegos e golfinhos ecolocalizadores usam ultrassom para descobrir onde os objetos estão e elefantes usam infrassom para se comunicar a longas distâncias [2, 3]. 

Tente isso:

1. Você precisará de um balão e uma porca de metal (do tipo que é aparafusada em um parafuso de metal).
2. Coloque a porca de metal dentro do balão.
3. Encha o balão e dê um nó na ponta. 
4. Segure o balão perto do nó e gire-o para que a porca dentro dele se mova em círculos. 

Você deverá ouvir um zumbido alto conforme as bordas e cantos da porca ricocheteiem na superfície interna do balão. Isso ocorre porque a porca faz o balão vibrar e gerar som. Experimente girar o balão em velocidades diferentes. O que acontece com a altura do som quando você altera a velocidade do movimento? 

A altura varia porque a velocidade com que a porca é girada afeta a frequência do som produzido. Velocidades mais altas correspondem a frequências mais altas: se o número de rotações da porca em um segundo dobrar, o som correspondente terá aumentado de frequência em uma oitava. O tamanho do balão também é importante: para o mesmo movimento giratório, a velocidade com que a porca gira muda com o tamanho do balão. 

Quem estuda o som?

O estudo do som é chamado de acústica, e os cientistas e engenheiros que trabalham com o som são chamados de acústicos. Os acústicos vêm de diferentes especialidades incluindo biologia, engenharia, música, matemática, física e psicologia. Eles trabalham em muitos aspectos do som, desde o controle do barulho ambiental até a compreensão da fala e do desenvolvimento da linguagem. Outros até estudam como usar ondas sonoras para verificar a saúde de um bebê antes do nascimento. A única coisa que os acústicos têm em comum é o fascínio pelo som. Esperamos que você compartilhe esse fascínio e curta essas experiências barulhentas em casa. Talvez inspire um futuro acústico ou você mesmo se torne um! 

Glossário

Compressão: Parte de uma onda na qual as moléculas estão mais próximas umas das outras. 

Rarefação: Parte de uma onda em que as partículas estão mais distantes umas das outras. 

Amplitude: Altura de uma onda, medida conforme sua posição no topo de um pico ou no fundo de um vale. 

Comprimento de onda: Comprimento obtido em um instante fixo no tempo, medindo-se a distância entre um ponto numa onda e sua próxima repetição. 

Frequência: Número de ondas que passam por um ponto fixo em 1 segundo. Medido em hertz (Hz). 

Volume: Neste artigo, definimos “volume” como a amplitude de uma onda de som expressa em decibéis. 

Decibéis: Os decibéis são uma escala relativa de amplitude, portanto o volume mede quantas vezes a amplitude de uma onda de pressão é maior que uma pressão de referência (para sons que viajam no ar, essa referência é 0,00002 pascal (20 micropascais), que é a pressão mínima em que os humanos podem ouvir uma nota em 1.000 Hz). 

Altura: Segundo a Enciclopédia Britânica, é “a posição de um único som em toda a gama de sons”. É uma quantidade relativa à frequência de um som, mas em uma escala relativa. 

Ultrassom: Som com uma frequência muito alta para os humanos ouvirem. Isso significa, de um modo geral, cerca de 20.000 Hz. Animais como o morcego usam o ultrassom para voar e caçar. 

Infrassom: Som com frequências baixas demais para os humanos ouvirem. Normalmente, isso significa abaixo de 20 Hz. Os infrassons são criados por objetos muito grandes, como turbinas eólicas. 

Acústica: Segundo a Enciclopédia Britânica, é “a ciência que se ocupa da produção, controle, transmissão, recepção e efeitos do som”. A acústica abrange também frequências além do alcance do ouvido humano. 

Agradecimentos

GM agradece o financiamento da UK Research and Innovation por meio da concessão EP/S001832/1 AURORA: Controlling sound like we do with light. 

Conflito de interesses

Os autores declaram que a pesquisa foi realizada sem nenhuma relação financeira ou comercial capaz de gerar um conflito de interesses. 

Referências

[1] Li, J., X., Sheng, P. 2021. “Accoustic metamaterials”, J. Appl. Phys. 129:171103. DOI: 10.1063/5.0046878.

[2] Simmons, J. A., Houser, D. e Kloepper, L. 2014. “Localization and classification of targets by echolocating bats and dolphins”, em Biosonar, A. Surlykke, P. E., Nachtigall, R. R., Fay e A. N. Popper, orgs. (Nova York, NY: Springer New York), pp. 169–193.

[3] Garstang, M. 2010. “Chapter 3.2 – Elephant infrasounds: long-range communication”, em Handbook of Behavioral Neuroscience, Vol. 19, S. M. Brudzynski, org. (Elsevier), pp. 57–67. 

Citação

Curati, N., Hart, C. e Memoli, G. (2023) “How long is a note? Simple experiments to understand sound. Front. Young Minds. 11:1094312. DOI: 10.3389/frym.2023.1094312.

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