Calcule as frequências harmônicas e os comprimentos de onda de uma onda estacionária em uma corda ou tubo (aberto ou fechado), a partir do comprimento e da velocidade da onda.
Entradas
eu
Comprimento da corda ou tubo.
m/s
Velocidade da onda no meio — 340 m/s para som no ar, muito menor para uma corda esticada.
1 = fundamental, 2 = segundo harmônico e assim por diante. 1 = fundamental, 2 = segundo harmônico e assim por diante.
Frequência Harmônica
—
Escolha um sistema e insira o comprimento, a velocidade da onda e um número harmônico acima.
Entradas
eu
Comprimento da corda ou tubo.
m/s
Velocidade da onda no meio.
Frequência Fundamental
—
Escolha um sistema e insira o comprimento e a velocidade da onda acima para ver os primeiros 8 harmônicos.
Harmônico (n)
Harmônico
Frequência (Hz)
Comprimento de onda (m)
Entradas
eu
Comprimento da corda ou tubo.
m/s
Velocidade da onda no meio.
1 = fundamental, 2 = segundo harmônico e assim por diante. 1 = fundamental, 2 = segundo harmônico e assim por diante.
comprimento de onda harmônico
—
Escolha um sistema e insira o comprimento, a velocidade da onda e um número harmônico acima.
5 min de leitura3 etapas7 termos3 exemplos6 perguntasfn = n · v / (2L), n = 1, 2, 3, 4, …
Uma corda de violão, uma flauta e um tubo de órgão emitem som da mesma maneira fundamental: uma onda se reflete dentro de um comprimento fixo, e apenas frequências específicas cabem nesse comprimento sem se anularem.
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Etapas
Como usar esta calculadora
3 etapas▸
1
Escolha um sistema e insira o comprimento e a velocidade da onda
Na guia Harmônico, escolha se você está modelando uma corda fixa em ambas as extremidades, um tubo aberto em ambas as extremidades ou um tubo fechado em uma extremidade. Insira o comprimento da corda ou tubo (em metros) e a velocidade da onda (em m/s — 340 m/s para som no ar à temperatura ambiente, ou um valor inferior calculado a partir da tensão e massa de uma corda por unidade de comprimento). A calculadora é atualizada instantaneamente conforme você digita.
2
Escolha um número harmônico para ver sua frequência e comprimento de onda
Insira um número harmônico n (1 = fundamental, 2 = segundo harmônico e assim por diante). A calculadora retorna a frequência e o comprimento de onda desse harmônico imediatamente. Tubos fechados suportam apenas harmônicos ímpares (1º, 3º, 5º…) — se você inserir um número par para um tubo fechado, a calculadora se ajusta ao harmônico ímpar válido mais próximo e mostra uma nota explicando o porquê.
3
Mude para Overtone Series para obter o gráfico completo da série harmônica
A guia Overtone Series mostra os primeiros 8 harmônicos válidos para o sistema selecionado como um gráfico de barras e uma tabela, sem a necessidade de escolher um número de harmônico específico. Use a guia Comprimento de onda quando quiser avançar com comprimento de onda em vez de frequência para as mesmas entradas.
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Referência
Fórmula e metodologia
3 fórmulas▸
String (fixo em ambas as extremidades) ou tubo aberto (ambas as extremidades abertas)
fn = n · v / (2L), n = 1, 2, 3, 4, …
Todo número inteiro positivo n é um harmônico válido. fn é a frequência do enésimo harmônico em hertz (Hz), v é a velocidade da onda em metros por segundo (m/s) e L é o comprimento da corda ou tubo em metros (m). Uma corda fixada em ambas as extremidades e um tubo aberto em ambas as extremidades compartilham a mesma fórmula porque ambas as condições de contorno forçam um padrão antinodo a antinodo (ou nó a nó) que ajusta um número inteiro de meios comprimentos de onda ao comprimento.
Tubo fechado (uma extremidade fechada, uma extremidade aberta)
fn = n · v / (4L), n = 1, 3, 5, 7, … (odd only)
Existem apenas harmônicos ímpares para um tubo fechado em uma extremidade. A extremidade fechada deve ser um nó (deslocamento zero) e a extremidade aberta deve ser um antinó, que cabe apenas um quarto de comprimento de onda (mais meios comprimentos de onda inteiros) no tubo - portanto, o 2º, 4º, 6º, etc. No mesmo comprimento e velocidade de onda, a fundamental de um tubo fechado é exatamente metade da frequência da fundamental de um tubo aberto.
Comprimento de onda harmônico
λn = 2L / n (string/open pipe) or λn = 4L / n (closed pipe, odd n)
O comprimento de onda do enésimo harmônico segue diretamente da mesma relação comprimento e condição de contorno usada para frequência - não depende da velocidade da onda, apenas do sistema, do comprimento e do número harmônico.
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Glossário
Principais termos explicados
7 termos▸
Onda estacionáriaUm padrão de onda que parece estacionário, formado quando duas ondas da mesma frequência viajam em direções opostas e interferem – normalmente uma onda refletida em um limite fixo ou aberto e interferindo consigo mesma. O resultado é um padrão fixo de nós e antinodos, em vez de uma onda que se propaga visivelmente.
HarmônicoUma das frequências discretas nas quais um sistema forma naturalmente uma onda estacionária, numerada n = 1, 2, 3,… (ou n = 1, 3, 5,… para um tubo fechado). Cada harmônico ajusta um número inteiro ou meio específico de comprimentos de onda ao comprimento da corda ou tubo.
FundamentalO primeiro harmônico (n = 1) — a frequência mais baixa possível na qual uma onda estacionária pode se formar em uma determinada corda ou em um determinado tubo. É o tom mais baixo e geralmente mais alto que o sistema produz.
HarmônicoQualquer harmônico acima do fundamental. O 2º harmônico é o 1º sobretom, o 3º harmônico é o 2º sobretom e assim por diante - para um tubo fechado (apenas harmônicos ímpares), o 3º harmônico é o 1º sobretom, o 5º harmônico é o 2º sobretom, etc.
NóUm ponto fixo ao longo da onda estacionária onde o deslocamento é sempre zero. Uma string fixada em ambas as extremidades possui um nó em cada extremidade; um tubo fechado em uma extremidade possui um nó na extremidade fechada.
AntinodoUm ponto fixo ao longo da onda estacionária onde o deslocamento oscila com amplitude máxima. A extremidade aberta de um tubo é sempre um antinó, assim como o ponto médio de uma corda vibrando em seu modo fundamental.
Tubo aberto vs. tubo fechadoUm tubo aberto tem ambas as extremidades abertas ao ar (ambas as extremidades são antinodos) e se comporta como uma corda fixada em ambas as extremidades - todos os harmônicos inteiros existem. Um tubo fechado tem uma extremidade selada (um nó) e uma extremidade aberta (um antinodo), o que o restringe apenas a harmônicos ímpares e reduz pela metade sua frequência fundamental em comparação com um tubo aberto do mesmo comprimento.
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Situações comuns
Exemplos práticos
3 exemplos▸
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Estudante de música
Frequência fundamental de uma corda de 1 metro
Sistema String (fixo em ambas as extremidades)Comprimento 1 metroVelocidade da onda 340m/sNúmero harmônico 1
f1 = 1 × 340 / (2 × 1) = 170 Hz. Esta é a nota fundamental – a nota mais baixa que a corda pode produzir neste comprimento e velocidade de onda. Dobrar a velocidade da onda (aumentando a tensão) ou reduzir pela metade o comprimento duplicaria a frequência fundamental.
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Construtor de instrumentos de banda
Harmônicos de tubo fechado só vêm em números ímpares
Sistema Tubo fechado (uma extremidade fechada)Comprimento 1 metroVelocidade da onda 340m/sNúmero harmônico 3
A fundamental é f1 = 1 × 340 / (4 × 1) = 85 Hz - metade da corda/tubo aberto fundamental no mesmo comprimento, porque a extremidade fechada força um comprimento de onda efetivo mais longo. O terceiro harmônico (o primeiro harmônico que este tubo pode realmente produzir) é f3 = 3 × 340 / (4 × 1) = 255 Hz. Não há segundo harmônico em 170 Hz para um tubo fechado - inserir um número harmônico par passa para o próximo ímpar.
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Estudante de física
Resolvendo comprimento de onda em vez de frequência
Sistema String (fixo em ambas as extremidades)Comprimento 1 metroNúmero harmônico 2
λ2 = 2 × 1/2 = 1m. O segundo harmônico em uma corda de 1 metro tem comprimento de onda igual ao comprimento total da corda – um ciclo de onda completo cabe ao longo da corda, com um nó em cada extremidade e um no meio.
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Referência
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APA e MLA▸
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Análise detalhada
Por que as ondas estacionárias soam apenas em certas frequências
Uma corda de violão, uma flauta e um tubo de órgão emitem som da mesma maneira fundamental: uma onda se reflete dentro de um comprimento fixo, e apenas frequências específicas cabem nesse comprimento sem se anularem. Esta calculadora encontra essas frequências — os harmônicos — para uma corda fixada em ambas as extremidades, um tubo aberto em ambas as extremidades ou um tubo fechado em uma extremidade, e mostra como o caso do tubo fechado difere dos outros dois.
As condições de limite decidem quais frequências sobrevivem
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Uma onda viajando ao longo de uma corda ou descendo por um cano é refletida quando atinge um limite. Se a onda refletida e a onda original se alinham perfeitamente - a crista combinando com a crista, a calha combinando com a calha - elas se reforçam mutuamente em um padrão estável e estacionário: uma onda estacionária. Se eles não se alinharem, a onda interfere destrutivamente e desaparece. O alinhamento de uma frequência depende inteiramente das condições de contorno em cada extremidade. Uma corda fixa em ambas as extremidades e um tubo aberto em ambas as extremidades compartilham a mesma regra: ambas as extremidades devem ser nós (string) ou antinodos (tubo aberto), o que só acontece quando o comprimento é igual a um número inteiro de meios comprimentos de onda - L = n·λ/2, dando fn = n·v/(2L) para cada número inteiro positivo n.
Por que um tubo fechado produz apenas harmônicos ímpares
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Um tubo fechado em uma extremidade tem condições de contorno incompatíveis: a extremidade fechada deve ser um nó (o ar não pode se mover ali) e a extremidade aberta deve ser um antinó (o ar se move livremente). Essa combinação ajusta apenas um quarto de comprimento de onda, mais qualquer número inteiro de meios comprimentos de onda adicionais, no comprimento do tubo - L = n·λ/4 apenas para n ímpares. Mesmo valores de n exigiriam que a extremidade aberta também fosse um nó, o que contradiz a condição de contorno físico, de modo que essas frequências simplesmente nunca se formam. O resultado prático: a fundamental de um tubo fechado é exatamente metade da frequência de um tubo ou corda aberta de comprimento idêntico, e pula completamente todos os harmônicos pares - o que é parte do motivo pelo qual os clarinetes (comportamento de tubo fechado em grande parte) soam diferentes das flautas (comportamento de tubo aberto), mesmo quando construídos com um comprimento semelhante.
Lendo nós, antinodos e harmônicos juntos
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Cada harmônico acima do fundamental é chamado de harmônico, e cada um adiciona outro par nó-antinodo ao longo do comprimento. O fundamental (n=1) tem o padrão mais simples – um único antinodo no meio de uma corda ou na extremidade aberta de um tubo. Instrumentos reais raramente produzem um único harmônico puro; eles produzem uma mixagem dominada pelo fundamental com tons progressivamente mais silenciosos em camadas no topo, e a força relativa desses tons é uma grande parte do que torna um violino diferente de uma flauta tocando exatamente o mesmo tom fundamental. A guia Overtone Series desta calculadora mostra a pilha completa de frequências harmônicas que seu sistema pode produzir, que é o ponto de partida para entender aquele som mais rico do mundo real.
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Perguntas
Perguntas frequentes
6 perguntas▸
Qual é a frequência fundamental?+
A fundamental é o primeiro harmônico, n = 1 – a frequência mais baixa na qual uma onda estacionária pode se formar em uma determinada corda ou em um determinado tubo. Qualquer outro harmônico é um múltiplo de número inteiro da fundamental para uma corda ou tubo aberto, ou um múltiplo de número inteiro ímpar para um tubo fechado.
Qual é a fórmula para uma corda ou tubo aberto?+
fn = n·v/(2L), onde n é qualquer número inteiro positivo (1, 2, 3, …), v é a velocidade da onda e L é o comprimento. Uma corda fixada em ambas as extremidades e um tubo aberto em ambas as extremidades usam a fórmula idêntica porque ambas as condições de contorno requerem o mesmo espaçamento nó/antinodo.
Por que um tubo fechado só possui harmônicos ímpares?+
Um tubo fechado em uma extremidade deve ter um nó na extremidade fechada e um antinó na extremidade aberta. Essa condição de limite incompatível ajusta apenas um número ímpar de quartos de comprimento de onda no comprimento do tubo, então a fórmula é fn = n·v/(4L) restrita a n = 1, 3, 5, 7,… - harmônicos pares são fisicamente impossíveis para esta configuração.
O que são nós e antinodos?+
Um nó é um ponto fixo na onda estacionária onde o deslocamento é sempre zero (como as duas extremidades fixas de uma corda de violão). Um antinodo é um ponto fixo onde o deslocamento oscila em amplitude máxima (como a extremidade aberta de um tubo ou o meio de uma corda vibrando em sua fundamental).
Quais unidades esta calculadora usa?+
O comprimento está em metros (m), a velocidade da onda está em metros por segundo (m/s), os resultados de frequência estão em hertz (Hz) e os resultados de comprimento de onda estão em metros (m). Use 340 m/s como um padrão razoável para a velocidade do som no ar à temperatura ambiente se estiver modelando um instrumento de sopro ou tubo.
Qual é a diferença entre um harmônico e um sobretom?+
Os harmônicos são numerados a partir do fundamental como harmônico 1. Os harmônicos são numerados a partir da primeira frequência acima do fundamental - então o 2º harmônico é o 1º sobretom, o 3º harmônico é o 2º sobretom e assim por diante (para uma sequência ímpar de tubo fechado, o 3º harmônico é o 1º sobretom, o 5º é o 2º sobretom).
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