História da acústica

Quando olhamos para a história da física, vemos como esta passou por muitas mudanças até chegar no que entendemos hoje. Desde o Egito Antigo, é possível notar a importância que a música, e consequentemente o som, tinha para aquela civilização e como os conceitos da acústica foram evoluindo até aqui.

Na China, o estudo da música e do som era basicamente centrado na medição. Os chineses classificaram o som por timbre e por altura e especificaram escalas musicais, o que exigia uma afinação perfeita. Eles foram aprimorando suas habilidades com a afinação usando sinos, já que um sino bem afinado podia ser usado como padrão, de modo que se outro sino tocasse em ressonância, estava devidamente afinado. Em 270 a.C., um ministro do Imperador Huangundi, Lin Iun, foi encarregado de estabelecer um padrão de altura para a música, o que chamamos de pitch. Ele obteve sua nota a partir de uma haste de bambu.

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Som sendo captado pelo ouvido humano

Já na Grécia, muitas foram as pesquisas relacionadas a acústica, que para Pitágoras e seus discípulos, refere-se a natureza do som e a teoria matemática da escala. A Escola Pitagórica determinou a escala a partir dos números inteiros pequenos, com base nos acordes produzidos por cordas vibrantes. Para Euclides, a altura do som aumenta com o número de movimentos produzidos. Ele admite também que o número das vibrações é inversamente proporcional ao comprimento da corda em vibração. Arquimedes de Siracusa determinou a lei do inverso do quadrado da distância para a intensidade acústica e Héron sugeriu que o ângulo de incidência do som em um sólido é igual ao ângulo de reflexão, de modo que assim, foram determinados os dois princípios fundamentais da acústica geométrica, base fundamental da arquitetura dos teatros gregos.

Guido D’Arezzo foi um monge beneditino italiano que regia o coro da Catedral de Arezzo. Ele foi o responsável por atribuir as notas musicais pelas sílabas ut, re, mi, fa, sol, la, que coincidem com as iniciais dos versos que compõe o hino de São João Batista. A nota si só aparece no século XVI. Em 1673, surge a sílaba do que substitui ut.

Na Idade Média, as primeiras catedrais possuíam suas condições acústicas totalmente inadequadas. As abóbadas e cúpulas provocam uma série de reflexões e concentrações de som que dificultam a audição, problema que foi aumentado com o estilo gótico, pois as distâncias percorridas pelo som aumentaram e consequentemente, as reflexões também, de modo a aparecerem os ecos. Esse fenômeno favorecia o canto gregoriano, pois reforça a sensação de grandiosidade. A partir de 1600, surgem a melodia, a cadenza e o compasso, aumentando as possibilidades musicais.

Galileu Galilei, famoso representante do pensamento moderno, verificou que a sensação de altura musical é diretamente relacionada à frequência. Isso marca o início da física da música em sua concepção atual.

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Ondas longitudinais e transversais

Hoje sabemos que o som nada mais é do que ondas mecânicas, sendo a onda uma variação espacial, caracterizada pelo transporte de energia. Existem dois tipos de onda, as longitudinais, onde o movimento de oscilação é na mesma direção de propagação da onda, e as transversais, onde o movimento de oscilação é na direção ortogonal a direção de propagação da onda. O som é uma onda longitudinal.

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História da ótica

Desde os tempos mais remotos, a ótica tem despertado interesse na humanidade e começamos com a questão mais fundamental: o que é a luz? Há muito os homens tentam responder essa pergunta, a começar pelos gregos, que acreditavam que os seres vivos têm uma tênue chama dentro dos olhos. Não demorou muito para essa ideia parecer absurda, então Aristóteles sugeriu que  não seria nem fogo, nem algo material, mas sim um estado do meio, de modo que a luz sai dos corpos e precisa de um meio para se propagar. Essa teoria foi evoluindo de modo que não havia mais a ideia de “fogo visual”, mas sim pequenas perturbações no meio que são detectadas pelo olho. Foi então com Euclides que a ideia de raio e ângulo foi introduzida; era necessário explicar como objetos muito maiores que o olho eram introduzidos nele.

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Experimento de ótica feito por Newton

Na Idade Média, Kepler introduz uma nova definição para a luz: emanação não material e divina. Entretanto, com o início do pensamento moderno, o mundo passou a ser visto com os olhos da razão, de modo que os pensadores abraçam as ideias de Kepler, porém abandonam sua parte “divina”. No século XVIII, pensadores como Newton e Copérnico passaram a explicar o fenômeno óptico através da associação ao modelo mecânico, que aflorara nesse período. Segundo Descartes, a luz é “perturbação transmitida por meio mecânico”.

Robert Boyle, cientista considerado experimentalista, foi o responsável por deixar a divisão entre dois conceitos muito importantes para a física bem clara: o fato e o modelo. O fato se define pela observação da natureza, pelo fenômeno em si, enquanto que o modelo vem depois do experimento, de modo a tentar explicar o fenômeno. Esses dois conceitos devem ser bem separados, pois assim o desenvolvimento da ciência se dá de forma mais rápida, já que, se o modelo estiver errado, pode-se partir novamente direto do fato, que não muda, e não desde o princípio. Gaston Pardies, introdutor do conceito de vibração, baseou-se no experimento de Boyle da bomba de vácuo e concluiu que como o som não se propaga no vácuo, logo a luz também precisa de meio para se propagar, sendo considerado o éter esse meio.

Durante o século XVII, Huygens, principal defensor do modelo ondulatório, acreditava que a luz era uma onda que se propaga através de um meio, o éter, pensamento oposto de Newton, que era defensor do modelo corpuscular, no qual a luz seria composta de partículas, conforme a publicação de sua obra “Óptica”, em 1704.

Com o século IXX, o modelo ondulatório ascendeu enquanto que o corpuscular declinou, por conta da detecção dos fenômenos de interferência e difração, característicos das ondas, na luz, de modo a concluir que esta só poderia ser onda. Ainda no século IXX, um grande passo na história da ótica é dado por Maxwell. Agora, ótica e eletromagnetismo não são mais duas áreas distintas do campo da física, mas sim a mesma. Maxwell provou na teoria que a luz é uma onda eletromagnética e possui velocidade de propagação definida. Essa velocidade foi medida experimentalmente por Hertz, que comprovou que a teoria de Maxwell estava certa. A ideia de o éter ser o meio de propagação da luz nunca foi constatada, de modo a ter sido abandonada.

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Decomposição da luz por um prisma pelo fenômeno de dispersão

Entretanto, com o caminhar da ciência, foram aparecendo problemas que a ótica ondulatória não consegue explicar. Agora, segundo Einstein, a luz não precisa de meio para se propagar e está relacionada a uma quantidade finita. É introduzido então o conceito de fóton, a quantização de energia. Com o modelo ondulatório, tínhamos uma absorção de energia linear: o elétron absorvia o quanto achasse necessário. Agora, no século XX, a absorção de energia é diferente: o elétron a absorve em pacotes, não mais uma quantidade arbitrária, mas sim um valor definido de energia.

Heisenberg se perguntou sobre como a luz podia se comportar de dois modos diferentes, ora como partícula, ora como onda, simultaneamente e vemos aqui um fim para o conceito dual da luz: nem onda, nem partícula, mas uma excitação quantizada dos modos normais do campo eletromagnético, ou seja, uma propagação de “nível energético”, energia.

Há muita coisa para se descobrir ainda a respeito da natureza da luz, toda a evolução desse conceito que vimos até então não passa da ponta do iceberg. Entretanto, como pudemos observar através da história, o progresso da ciência não para, de modo que ainda veremos a natureza física da ótica ser explicada de forma diferente e cada vez mais clara.