Conteúdos
Ondas sonoras e mecanismo da audição
Habilidades
Analisar o funcionamento da audição humana e discutir as características físicas que nos permitem distinguir sons
Tempo sugerido
Três aulas
A reportagem de VEJA proporciona um excelente ponto de partida para rever ou introduzir os conceitos básicos da acústica. Mas muito mais abrangente e proveitosa pode ser uma discussão nas aulas de Física sobre os mecanismos envolvidos na percepção dos sons e no reconhecimento e diferenciação de parte deles como o que chamamos de sons musicais. Em Biologia, por outro lado, é possível aproveitar o tema para propor uma análise comparada sumária do provável papel da audição (a detecção pelos seres vivos de ondas mecânicas no ar, na água ou no solo) na evolução das espécies.
Atividades
1ª aula: Física - Após a leitura do texto, converse com a garotada a respeito dos fenômenos interativos dos seres vivos com o meio em que se encontram. Para começar, assinale que, quando um evento ocorre, há necessariamente a mudança de estado físico de algum sistema (sempre um subsistema do universo). Pode ser a queda de uma pedra, o choque entre dois elétrons ou a explosão de uma estrela. Qualquer alteração ocasiona uma sequência de outros eventos menores, devido à Segunda Lei da Termodinâmica, que podem ser detectados em espaços e tempos distintos e - alguns deles - interpretados e estudados como ondas.
Ressalte os três tipos básicos de interações possíveis entre quaisquer porções do Universo: gravitacional, eletrofraca e eletroforte. Os seres vivos são sistemas que se caracterizam pela grande interação com o meio, principalmente em seus entornos. A chamada percepção nada mais é do que a recepção e interpretação de informações mediante interações físicas dos indivíduos com aquilo que os cerca. Não se conhecem nos seres vivos mecanismos capazes de interpretar interações gravitacionais e eletrofortes. Apenas parte das interações eletrofracas, as eletromagnéticas, são utilizadas pelas espécies de todos os reinos, dos vírus às onças. Os sentidos humanos, como paladar, olfato, audição, visão e tato, são fruto de sofisticados usos de ações eletromagnéticas recíprocas que ocorrem nos órgãos dos sentidos. Do ponto de vista estritamente físico, a interação eletromagnética, e mais especificamente a interação elétrica, é a única de que dispomos, assim como os demais viventes do planeta.
2ª aula: Escalas e Notas musicais - Explique à garotada que a escala tonal temperada (tom, tom, semitom, tom, tom, tom, semitom) é fruto das dimensões físicas e da sensibilidade diferenciada das fibras da membrana basilar. Experimentos mostram que alguns conjuntos de neurônios especializados, quando excitados por uma certa frequência pura (onda senoidal), são os mesmos estimulados por sons cujas frequências são sua metade ou seu dobro. Assim, sons de 220, 440, 880 ou 1760 hertz são identificados num mesmo grupo do cérebro. Daí surgem as notas musicais conhecidas: dó, ré, mi, fá, sol, lá e si são os nomes que damos à sequência de sons que mantêm entre si razões próximas às formadas com números inteiros pequenos.
Distribua a tabela "Escala Tonal Temperada" (abaixo) para a classe e comente, em seguida, que na escala temperada, usada atualmente, entre duas notas de mesmo nome - por exemplo entre dois dós - temos uma seqüência de 12 sons distintos, de modo que a razão entre dois sons sucessivos é constante (21/12, ou, aproximadamente 1,059463). Essa divisão exata em 12 semitons é fruto do fato de 27/12 ser muito próximo de 3/2, uma razão simples, com números inteiros pequenos. Nenhuma outra configuração, com 10, 13 ou 15 semitons se aproximaria tanto de uma razão simples. Como a diferença entre as razões das frequências dos semitons e das razões simples (27/12 e 3/2, por exemplo) está abaixo da percepção da audição humana, em qualquer faixa de frequência, a escala temperada é possível e consequente.
As consonâncias e dissonâncias musicais também têm origem na conformação física da membrana basilar e nas razões entre as frequências das notas musicais. De modo geral, os sons compostos que podem ser interpretados pela orelha humana são consoantes e os demais são dissonantes.
Após essas explicações, distribua o quadro "Mecanismo de Audição"(abaixo) para os alunos. No esquema, eles vão perceber que o ouvido é um complexo transdutor seletivo de ondas sonoras. Além de detectar o som, ele o identifica, em intensidade (amplitude ou volume), frequência (altura) e qualidade (timbre), permitindo a distinção dos harmônicos - múltiplos da frequência principal - que o compõem. Essas ondas mecânicas de pressão são transformadas, no final do processo, em impulsos elétricos nos neurônios cerebrais.
Além dos processos físicos e fisiológicos do ouvido humano, há também processos cerebrais que atuam na percepção dos sons. Assim, o cérebro dispõe de mecanismos para "filtrar" frequências indesejáveis ou para ignorar sons repetitivos e ruídos. O tic-tac constante dos relógios mais antigos incomoda quando esse tipo de filtro "cerebral" falha. Por isso, há momentos em que nem percebemos o tic-tac e dormimos normalmente. O gotejar de uma torneira ou o barulho de ondas do mar quebrando na praia também são fenômenos comuns nos quais esses mecanismos de audição "cerebral" entram em ação.
Ao longo do século passado, o homem usou ruídos dos mais variados em composições musicais, mesmo em eruditas. Canhões, máquinas de escrever, torneiras jorrando água, sintetizadores e sampleadores "participam" de composições para criar efeitos e ambientações sonoras. Nesse contexto, o ruído, por definição um som complexo caótico, não musical, se torna um elemento essencial da música. O que a moçada acha: ruído, afinal, pode ser também música?
Ilustração: Beto Uechi/Pingado
A audição humana se processa basicamente na seguinte sequência de eventos:
1. Ondas de pressão atingem as orelhas, inicialmente na orelha externa (aurículo e canal auditivo externo) e também, diretamente, o tímpano (membrana timpânica), já na orelha média.
2. A vibração do tímpano é transmitida aos três ossículos: martelo, bigorna e estribo. Ali, a amplitude é diminuída e a pressão aumentada dezenas de vezes, mantendo a frequência das oscilações. O martelo é ligado mecanicamente ao tímpano.
3. O estribo é conectado mecanicamente à membrana da janela oval, atrás da qual há o líquido coclear, já no ouvido interno. As vibrações mecânicas são transmitidas a esse líquido, amplificadas em pressão e atenuadas em amplitude cerca de 42 vezes.
4. As ondas de pressão no líquido coclear chegam à membrana basilar e ao órgão de Corti, onde células nervosas ciliares especializadas são estimuladas e geram impulsos elétricos que são enviados através do nervo auditivo para o cérebro. A membrana basilar contém uma sequência de fibras transversais que oscilam diferencialmente à excitação por diferentes frequências das ondas de pressão no líquido coclear.
5. O cérebro processa e interpreta as informações associando-as e classificando-as.
Habilidades
Analisar o funcionamento da audição humana e discutir as características físicas que nos permitem distinguir sons
Tempo sugerido
Três aulas
A reportagem de VEJA proporciona um excelente ponto de partida para rever ou introduzir os conceitos básicos da acústica. Mas muito mais abrangente e proveitosa pode ser uma discussão nas aulas de Física sobre os mecanismos envolvidos na percepção dos sons e no reconhecimento e diferenciação de parte deles como o que chamamos de sons musicais. Em Biologia, por outro lado, é possível aproveitar o tema para propor uma análise comparada sumária do provável papel da audição (a detecção pelos seres vivos de ondas mecânicas no ar, na água ou no solo) na evolução das espécies.
Atividades
1ª aula: Física - Após a leitura do texto, converse com a garotada a respeito dos fenômenos interativos dos seres vivos com o meio em que se encontram. Para começar, assinale que, quando um evento ocorre, há necessariamente a mudança de estado físico de algum sistema (sempre um subsistema do universo). Pode ser a queda de uma pedra, o choque entre dois elétrons ou a explosão de uma estrela. Qualquer alteração ocasiona uma sequência de outros eventos menores, devido à Segunda Lei da Termodinâmica, que podem ser detectados em espaços e tempos distintos e - alguns deles - interpretados e estudados como ondas.
Ressalte os três tipos básicos de interações possíveis entre quaisquer porções do Universo: gravitacional, eletrofraca e eletroforte. Os seres vivos são sistemas que se caracterizam pela grande interação com o meio, principalmente em seus entornos. A chamada percepção nada mais é do que a recepção e interpretação de informações mediante interações físicas dos indivíduos com aquilo que os cerca. Não se conhecem nos seres vivos mecanismos capazes de interpretar interações gravitacionais e eletrofortes. Apenas parte das interações eletrofracas, as eletromagnéticas, são utilizadas pelas espécies de todos os reinos, dos vírus às onças. Os sentidos humanos, como paladar, olfato, audição, visão e tato, são fruto de sofisticados usos de ações eletromagnéticas recíprocas que ocorrem nos órgãos dos sentidos. Do ponto de vista estritamente físico, a interação eletromagnética, e mais especificamente a interação elétrica, é a única de que dispomos, assim como os demais viventes do planeta.
2ª aula: Escalas e Notas musicais - Explique à garotada que a escala tonal temperada (tom, tom, semitom, tom, tom, tom, semitom) é fruto das dimensões físicas e da sensibilidade diferenciada das fibras da membrana basilar. Experimentos mostram que alguns conjuntos de neurônios especializados, quando excitados por uma certa frequência pura (onda senoidal), são os mesmos estimulados por sons cujas frequências são sua metade ou seu dobro. Assim, sons de 220, 440, 880 ou 1760 hertz são identificados num mesmo grupo do cérebro. Daí surgem as notas musicais conhecidas: dó, ré, mi, fá, sol, lá e si são os nomes que damos à sequência de sons que mantêm entre si razões próximas às formadas com números inteiros pequenos.
Distribua a tabela "Escala Tonal Temperada" (abaixo) para a classe e comente, em seguida, que na escala temperada, usada atualmente, entre duas notas de mesmo nome - por exemplo entre dois dós - temos uma seqüência de 12 sons distintos, de modo que a razão entre dois sons sucessivos é constante (21/12, ou, aproximadamente 1,059463). Essa divisão exata em 12 semitons é fruto do fato de 27/12 ser muito próximo de 3/2, uma razão simples, com números inteiros pequenos. Nenhuma outra configuração, com 10, 13 ou 15 semitons se aproximaria tanto de uma razão simples. Como a diferença entre as razões das frequências dos semitons e das razões simples (27/12 e 3/2, por exemplo) está abaixo da percepção da audição humana, em qualquer faixa de frequência, a escala temperada é possível e consequente.
As consonâncias e dissonâncias musicais também têm origem na conformação física da membrana basilar e nas razões entre as frequências das notas musicais. De modo geral, os sons compostos que podem ser interpretados pela orelha humana são consoantes e os demais são dissonantes.
Após essas explicações, distribua o quadro "Mecanismo de Audição"(abaixo) para os alunos. No esquema, eles vão perceber que o ouvido é um complexo transdutor seletivo de ondas sonoras. Além de detectar o som, ele o identifica, em intensidade (amplitude ou volume), frequência (altura) e qualidade (timbre), permitindo a distinção dos harmônicos - múltiplos da frequência principal - que o compõem. Essas ondas mecânicas de pressão são transformadas, no final do processo, em impulsos elétricos nos neurônios cerebrais.
Além dos processos físicos e fisiológicos do ouvido humano, há também processos cerebrais que atuam na percepção dos sons. Assim, o cérebro dispõe de mecanismos para "filtrar" frequências indesejáveis ou para ignorar sons repetitivos e ruídos. O tic-tac constante dos relógios mais antigos incomoda quando esse tipo de filtro "cerebral" falha. Por isso, há momentos em que nem percebemos o tic-tac e dormimos normalmente. O gotejar de uma torneira ou o barulho de ondas do mar quebrando na praia também são fenômenos comuns nos quais esses mecanismos de audição "cerebral" entram em ação.
Ao longo do século passado, o homem usou ruídos dos mais variados em composições musicais, mesmo em eruditas. Canhões, máquinas de escrever, torneiras jorrando água, sintetizadores e sampleadores "participam" de composições para criar efeitos e ambientações sonoras. Nesse contexto, o ruído, por definição um som complexo caótico, não musical, se torna um elemento essencial da música. O que a moçada acha: ruído, afinal, pode ser também música?
Para seus alunos Escala tonal temperada
3ª aula: Biologia - Aguce a curiosidade dos alunos relatando o seguinte fato: Em 2004, um evento catastrófico com uma série de tsunamis matou quase 300 mil pessoas em países banhados pelo Oceano Índico. Houve vários relatos a respeito da fuga antecipada de animais para as regiões mais altas e afastadas da costa. Tal fato leva à hipótese de que muitos animais são capazes de perceber ondas mecânicas de baixa frequência propagadas através do solo.
Conte que o papel dos sentidos nos animais superiores, especialmente nos seres humanos, muito provavelmente foi moldado por processos evolucionários ao longo de milhões de anos. Leve a classe a imaginar um pré-hominídeo numa selva ou numa savana. Ruídos constantes e contínuos, sons repetitivos e familiares, monotonia e repetição sonora e mudanças apenas suaves, eram sinais de segurança. O rugido de um leão, a queda de uma árvore, a explosão de um vulcão ou uma manada em disparada eram fenômenos a temer.
Comente que a nossa audição, muito provavelmente, desenvolveu-se de modo a detectar os sons mais frequentes e de maior importância para nossa sobrevivência: os gerados pelas cordas vocais humanas, os dos principais predadores e presas etc. A possibilidade de comunicação pela emissão e recepção de sons certamente foi explorada ao extremo no desenvolvimento evolutivo, por todas as espécies animais. O choro de um bebê com frio ou fome, o grito de horror de uma fêmea sendo atacada por uma onça ou o urro de júbilo de um macho adulto ao vencer um oponente são expressões sonoras não exclusivas dos humanos. Os sons sempre tiveram e continuam tendo papel fundamental não apenas na interpretação simples de nosso entorno, mas principalmente na comunicação. Diferentes sonoridades remetem a distintos sentimentos. O que chamamos de música tampouco é um fenômeno exclusivo da espécie humana. Baleias, golfinhos, pássaros, macacos e outros executam sequências sonoras rítmicas, definidas e repetitivas. Ressalte, então, que a música humana é um fenômeno estritamente físico, intrínseca e finamente definido pela conformação anatômica e fisiológica do ouvido e da audição humanos.
Para finalizar, revele uma constatação emergente de alguns experimentos com recém- nascidos: quando expostos a sons dissonantes, eles assumem expressões faciais de tensão, afastam-se da fonte sonora. Ao contrário, no caso de sons consoantes, eles se aproximam da fonte e sorriem. Bebês, obviamente, não são submetidos a estudos de teoria musical ocidental e, portanto, não agem por condicionamento auditivo cultural ou comportamental. Fazem isso porque reproduzem um comportamento transmitido por nossos ancestrais.
Conte que o papel dos sentidos nos animais superiores, especialmente nos seres humanos, muito provavelmente foi moldado por processos evolucionários ao longo de milhões de anos. Leve a classe a imaginar um pré-hominídeo numa selva ou numa savana. Ruídos constantes e contínuos, sons repetitivos e familiares, monotonia e repetição sonora e mudanças apenas suaves, eram sinais de segurança. O rugido de um leão, a queda de uma árvore, a explosão de um vulcão ou uma manada em disparada eram fenômenos a temer.
Comente que a nossa audição, muito provavelmente, desenvolveu-se de modo a detectar os sons mais frequentes e de maior importância para nossa sobrevivência: os gerados pelas cordas vocais humanas, os dos principais predadores e presas etc. A possibilidade de comunicação pela emissão e recepção de sons certamente foi explorada ao extremo no desenvolvimento evolutivo, por todas as espécies animais. O choro de um bebê com frio ou fome, o grito de horror de uma fêmea sendo atacada por uma onça ou o urro de júbilo de um macho adulto ao vencer um oponente são expressões sonoras não exclusivas dos humanos. Os sons sempre tiveram e continuam tendo papel fundamental não apenas na interpretação simples de nosso entorno, mas principalmente na comunicação. Diferentes sonoridades remetem a distintos sentimentos. O que chamamos de música tampouco é um fenômeno exclusivo da espécie humana. Baleias, golfinhos, pássaros, macacos e outros executam sequências sonoras rítmicas, definidas e repetitivas. Ressalte, então, que a música humana é um fenômeno estritamente físico, intrínseca e finamente definido pela conformação anatômica e fisiológica do ouvido e da audição humanos.
Para finalizar, revele uma constatação emergente de alguns experimentos com recém- nascidos: quando expostos a sons dissonantes, eles assumem expressões faciais de tensão, afastam-se da fonte sonora. Ao contrário, no caso de sons consoantes, eles se aproximam da fonte e sorriem. Bebês, obviamente, não são submetidos a estudos de teoria musical ocidental e, portanto, não agem por condicionamento auditivo cultural ou comportamental. Fazem isso porque reproduzem um comportamento transmitido por nossos ancestrais.
Para seus alunos Mecanismo de Audição
Ilustração: Beto Uechi/Pingado
A audição humana se processa basicamente na seguinte sequência de eventos:
1. Ondas de pressão atingem as orelhas, inicialmente na orelha externa (aurículo e canal auditivo externo) e também, diretamente, o tímpano (membrana timpânica), já na orelha média.
2. A vibração do tímpano é transmitida aos três ossículos: martelo, bigorna e estribo. Ali, a amplitude é diminuída e a pressão aumentada dezenas de vezes, mantendo a frequência das oscilações. O martelo é ligado mecanicamente ao tímpano.
3. O estribo é conectado mecanicamente à membrana da janela oval, atrás da qual há o líquido coclear, já no ouvido interno. As vibrações mecânicas são transmitidas a esse líquido, amplificadas em pressão e atenuadas em amplitude cerca de 42 vezes.
4. As ondas de pressão no líquido coclear chegam à membrana basilar e ao órgão de Corti, onde células nervosas ciliares especializadas são estimuladas e geram impulsos elétricos que são enviados através do nervo auditivo para o cérebro. A membrana basilar contém uma sequência de fibras transversais que oscilam diferencialmente à excitação por diferentes frequências das ondas de pressão no líquido coclear.
5. O cérebro processa e interpreta as informações associando-as e classificando-as.
Roteiro sugerido por Renato da Silva Oliveira
Professor de Física e coordenador do Planetário Móvel AsterDomus, de São Paulo
Professor de Física e coordenador do Planetário Móvel AsterDomus, de São Paulo
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