Sonar e ecolocalização
Quando um navio de investigação sai de Peniche, como sabe a tripulação a que profundidade está o fundo do mar, se não o consegue ver? E como é que um morcego apanha um inseto numa noite sem luar? Nos dois casos, a resposta é a mesma: ouvem o eco de um som que eles próprios emitiram.
Medir distâncias com o eco
Já sabes que o som se reflete numa superfície e volta para trás: é o eco. Se soubermos quanto tempo o som demora a ir e a voltar, e com que velocidade se propaga, conseguimos saber a distância ao obstáculo.
O sonar (do inglês sound navigation and ranging) faz exatamente isto:
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emite um pulso de ultrassons;
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o pulso propaga-se na água, reflete-se no fundo (ou num cardume, ou num naufrágio);
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o eco regressa e é detetado;
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mede-se o intervalo de tempo entre a emissão e a receção.
Repara que o pulso faz duas viagens: vai até ao fundo e volta. Por isso, o tempo medido corresponde ao dobro da profundidade.
Calcular a distância
Para um som que se propaga com velocidade constante, $v = \dfrac{d}{\Delta t}$, ou seja, $d = v \times \Delta t$.
Porquê dividir por 2? Porque $v \times \Delta t$ conta o caminho de ida e o de volta, e nós queremos só a distância ao obstáculo.
A velocidade depende do meio: no ar é cerca de $340\ \text{m/s}$ e na água do mar cerca de $1\ 500\ \text{m/s}$. Usa sempre o valor do meio onde o som se propaga.
Um navio de investigação do Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) mede a profundidade do mar com um sonar. O sonar emite um pulso de ultrassons na vertical,…
Um navio de investigação do Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) mede a profundidade do mar com um sonar. O sonar emite um pulso de ultrassons na vertical, para o fundo, e o eco é registado $0,4\ \text{s}$ depois da emissão. A velocidade de propagação do som na água do mar é $1\ 500\ \text{m/s}$. O esquema da figura representa a situação.
- a) Calcula a distância percorrida pelo pulso de ultrassons desde a emissão até à receção do eco.
- b) Determina a profundidade do mar nesse local.
- c) Explica, por palavras tuas, o princípio de funcionamento do sonar, referindo a emissão, a propagação, a reflexão e a receção do sinal.
Ecolocalização nos animais
Os morcegos, os golfinhos (por exemplo, os do Oceanário de Lisboa) e as baleias dentadas usam um «sonar natural»: a ecolocalização. Emitem ultrassons, que o ser humano não ouve, e interpretam os ecos para saber onde estão os obstáculos e as presas, qual o seu tamanho e até se se estão a mover.
Um morcego a caçar emite gritos cada vez mais seguidos à medida que se aproxima da presa. Quanto mais perto está o inseto, menos tempo o eco demora a regressar. Assim, o morcego pode emitir o grito seguinte mais cedo, sem confundir ecos, e atualiza mais vezes a posição da presa, que se move.
Os morcegos orientam-se e caçam na escuridão por ecolocalização: emitem gritos de ultrassons e interpretam os ecos que recebem de volta. Um morcego emite um grito na…
Os morcegos orientam-se e caçam na escuridão por ecolocalização: emitem gritos de ultrassons e interpretam os ecos que recebem de volta. Um morcego emite um grito na direção de um inseto que se encontra parado a $3,4\ \text{m}$. A velocidade de propagação do som no ar é $340\ \text{m/s}$.
- a) Determina o tempo que decorre entre a emissão do grito e a chegada do respetivo eco aos ouvidos do morcego.
- b) À medida que se aproxima da presa, o morcego emite gritos cada vez mais frequentes. Relaciona este comportamento com o tempo de espera pelo eco e com a necessidade de informação cada vez mais atualizada sobre a posição da presa.
- c) Quanto maior a frequência de uma onda, menor é o seu comprimento de onda, e um obstáculo só reflete apreciavelmente ondas cujo comprimento de onda seja da ordem do seu tamanho ou menor. Com base nestas ideias, explica por que razão os morcegos usam ultrassons, e não sons graves, para detetar insetos de poucos milímetros.
- d) Os golfinhos também se orientam por ecolocalização, mas debaixo de água. Indica uma semelhança e uma diferença entre a ecolocalização do morcego e a do golfinho, referindo o meio de propagação do som.
De volta ao início: o navio e o morcego medem o tempo de ida e volta de um som, multiplicam a velocidade pelo tempo e dividem por dois.
Em resumo
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O sonar emite um pulso de ultrassons e deteta o eco; o tempo de ida e volta permite calcular distâncias.
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Distância ao obstáculo: $d = \dfrac{v \times \Delta t}{2}$, porque o som faz ida e volta.
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Usa a velocidade do meio: cerca de $1\ 500\ \text{m/s}$ na água do mar e $340\ \text{m/s}$ no ar.
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Morcegos e golfinhos usam a ecolocalização, um sonar natural.
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Mais perto da presa, o eco volta mais depressa e os gritos tornam-se mais frequentes.