LABORATORIO DE FÍSICA II N°04: VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE FRECUENCIA DE SONIDOS
ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA DOCENTE: ALEX YOUN ARO HUANACUNI GRUPO: 224 ESTUDIANTE: JORGE ALONSO FLORES CHACOLLA CÓDIGO: 161086
Puno - Perú 2016
EXPERIMENTO N°4
VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE FRECUENCIA DE SONIDOS I.
OBJETIVOS
II.
Determinar la velocidad de propagación del sonido en el aire y analizar la de forma de ondas sonoras estacionarias en el Tubo. Determinar la frecuencia de sonidos de las notas musicales.
FUNDAMENTO TEORICO
La velocidad del sonido es distinta a través de diferentes materiales. La velocidad del sonido depende de la elasticidad y la densidad del material. Por ejemplo, la elasticidad del helio es casi igual que la elasticidad del aire, pero su densidad es mucho menor. Como consecuencia la velocidad del sonido en el helio es unas tres veces más rápida que en el aire. En los gases, la velocidad del sonido depende de la temperatura. En el aire, la velocidad aumenta aproximadamente 0.60 por cada grado Celcius de aumento de la temperatura.
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Teóricamente, se puede calcular la velocidad del sonido partiendo de la distancia que recorre y el tiempo en que recorre esta distancia. En la práctica el cálculo se basa a menudo en el intervalo de tiempo que hay entre el sonido producido y su eco. La velocidad del sonido es igual al doble de la distancia dividido entre el tiempo total. Una onda sonora es una onda longitudinal que transmite lo que asocia con sonido. Si se propaga en un medio elástico y continuo genera variación local de presión o densidad, que se transmite en forma de onda esférica periódica o cuasi periódica. Mecánicamente las ondas sonoras so un tipo de onda elástica. Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada molécula transmite la vibración a las que se encuentren en su vecindad, provocando un movimiento en cadena. Esa propagación del movimiento de las moléculas del medio, producen en el oído humano una sensación descrita como sonido. La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20°C) es de 343 En el aire, a 0°C, el sonido viaja a una velocidad de 331.5 .
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III.
MATERIALES NECESARIOS
IV.
Tubo de cartón Base y soporte Cinta adhesiva Cinta Métrica
Sensor de sonido Software DataEstudio Abrazadera, tres dedos
METODOLOGÍA 4.1. ESQUEMA DEL EXPERIMENTO Tape un extremo del tubo con cinta adhesiva.
Utilice un soporte y una abrazadera para montar el sensor de Sonido en el centro del extremo abierto del tubo.
Ubicación del sensor en uno de los del tubo. Chasquee sus dedos frente a extremos la parte abierta del tubo.
Gráfica a obtener con el sensor de sonido. La gráfica será mejor cuando los intervalos de tiempo de la toma de datos.
4.2. DATOS EXPERIMENTALES ACTIVIDAD 1. (Velocidad del Sonido) Por el esquema del experimento Figura (1), obtenemos a gráfica de la Figura (2), mediante el software DataStudio, donde se realiza los análisis para obtener el tiempo que demora el sonido en ir del punto de sensor de sonido y su retorno al mismo punto. TABLA N°1 Valor
Unidades
TIEMPO (T) TEMPERATURA (T°)
0.0156 23.5
S °C
DISTANCIA DEL TUBO (d)
2.37
m
ACTIVIDAD 2. (Frecuencia de notas musicales) Con ayuda de un instrumento música (guitarra, quena, piano, zampoña, etc), determine la frecuencia de las notas musicales (Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si), para ello realice el mismo procedimiento que la actividad 1. Y registre los datos en la siguiente tabla. TABLA N°2 NOTA MUSICAL DO RE MI FA LA SI
PERIODO
TEMPERATURA
0.0036 s 0.0026 s 0.0030 s 0.0022 s -
23.5 °C 23.5 °C 23.5 °C 23.5 °C -
V.
CUESTIONARIO: 1. Realizar el análisis de la gráfica para determinar el tiempo transcurrido entre el primer pico y el segundo pico de leco. Y realice una interpretación física de la gráfica. (no hubo datos) 2. Determine la velocidad del sonido con los datos del experimento. Por la fórmula: Obtenemos
2= =2(2.237) = 0.0156 =303.85 /
3. Compare el valor experimental obtenido de la velocidad del sonido con el valor comúnmente aceptado para la temperatura del experimento. Calcular error porcentual y explique si el error cometido es aceptable. Error porcentual:
(%)=|343|––303.|8100 (%)= 343 5| 100 (%)=11.41%
La velocidad del sonido puede variar cuando se experimenta dentro de un sólido, incluso varía conforme a la temperatura. Se dice que también que los materiales elásticos permiten mayores velocidades de onda. 4. Calcular la velocidad del sonido en el aire para otras temperaturas (5 casos). Como sabemos la velocidad del sonido es la velocidad de propagación de las ondas sonoras. En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura). La velocidad del sonido varía en función del medio en el que se trasmite. La velocidad de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. Y como sabemos por cada °C que se añada desde 0°C, se le aumenta 0.6 m/s a la velocidad del sonido. 5. Cuál es la explicación física para la variación de la velocidad del sonido, con respecto a la temperatura.
VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL SONIDO CON LA TEMPERATURA La velocidad del sonido en un gas no es constante, sino que depende de la temperatura.
= √ = = == = De la ecuación de un gas ideal
o bien,
La fórmula de la velocidad del sonido se expresa en función de la temperatura t del gas en grados centígrados.
1 √ √ = √ = √ (+) = + 2 Para obtener esta expresión aproximada, se han tomado los dos primeros términos del desarrollo de (1+t/T 0 )1/2por el binomio de Newton Sabiendo que ,
=273. 1 5 ° =1. 4 , =8. 3 14 /(·) = 28.95·10−3/, ≈331. 4 +0. 6 1·
Donde 331.4 m/s es la velocidad del sonido en el aire a 0ºC. Para temperaturas cercanas a la ambiente, la velocidad del sonido en el aire varía aproximadamente de forma lineal con la temperatura. 6. ¿Qué medidas se pueden tomar con el sensor de sonido? Para una mayor aproximación al verdadero valor de la velocidad del sonido, se debería de tomar medidas con respecto al medio en que se hace la prueba. Como por ejemplo, al momento de hacer la prueba varios de los compañeros conversaban e incluso obreros estaban haciendo ruido en el techo del lugar en el que realizaba el experimento, por lo que variaba. 7. Con los datos de la tabla 2 determine la frecuencia del sonido de las notas musicales (en la escala normal). Sabiendo el periodo de 4 de ellas hallamos su frecuencia:
=1/
DATOS EXPERIMENTALS DE ALGUNO DE ELLOS NOTA RE MI FA
FEECUENCIA (Hz)
277.78 Hz 384.61 Hz 333.33 Hz
LA
454.54 Hz
8. Compare los valores obtenido con los valores de la siguiente tabla, e indique, la variación porcentual mostrada. DATOS TEÓRICOS NOTA DO DO# RE RE# MI FA FA# SOL SOL# LA LA# SI DO’
Para RE:
Para MI:
Para FA:
FRECUENCIA (Hz)
261.63 Hz 277.18 Hz 293.66 Hz 311.13 Hz 329.63 Hz 349.23 Hz 369.99 Hz 392.00 Hz 415.30 Hz 440.00 Hz 466.16 Hz 493.00 Hz 523.25 Hz
| 100 (%)=|293.|66–– 277. (%)= 293.66 78| 100 (%)= 5.41% | 100 (%)=|329.|63–– 384. (%)= 329.63 61| 100 (%)= 16.68% | 100 (%)=|349.|23–– 333. (%)= 349.23 33| 100 (%)= 9.91%
Para LA:
–| 100 (%)=|440|–454. (%)= 440 54| 100 (%)=3.3%
9. Halle el error porcentual de la comparación de la pregunta anterior. Variación porcentual y el error porcentual son lo mismo, por lo que variación es: Para RE Er%=5.41% Para MI Er%= 16.68% Para FA Er%= 9.91% Para LA Er%= 3.3% 10. ¿Cómo puede calcular a qué distancia ocurre un trueno? Basta con contar los segundos que transcurren entre el momento en que vemos el relámpago del rayo y el trueno del mismo y multiplicar los segundos por 340, que es la velocidad aproximada en metros por segundo del sonido, para obtener la distancia en metros a la cual ha caído. 11. Mencione las velocidades para ocho sustancias distintas e indique en qué sustancia es más rápido y más lento el sonido. A continuación se mostrará un cuadro con diferentes sustancias y su respectiva velocidad.
Gases Material Hidrógeno (0°C) Helio (0°C) Aire (20°C) Aire (0°C)
velocidad (m/s) 1286 972 343 331
Líquidos a 25°C
Material Glicerina Agua marina Agua Mercurio Queroseno Alcohol metílico Tetracloruro de Carbono
velocidad (m/s) 1904 1533 1493 1450 1324 1143 926
Sólidos Material Diamante Cristal Pyrex Hierro Aluminio Bronce Cobre Oro Lucite Plomo Goma
velocidad (m/s) 12000 5640 5130 5100 4700 3560 3240 2680 1322 1600
Analizando el cuadro no damos cuenta que en el diamante la velocidad del sonido es mayor y en el aire es menor. 12. Explique otro método para calcular la velocidad del sonido en el aire y en otras sustancias. A. Yavuz, profesor de la Facultad de Educación de la universidad de Nigde, en Turquía ha presentado un experimento simple y barato para medir la velocidad del sonido en el aire usando teléfonos inteligentes. El material necesario para el experimento consta de: un teléfono smartphone (con una aplicación informática de generación de señales); un tubo de vidrio o plástico, abierto en los extremos; bandas de goma; regla métrica; y una garrafa llena de agua (vale un envase de agua embotellada de 5 litros). Un extremo del tubo se sumerge en agua, y la fuente de sonido (teléfono) se mantiene con la mano sobre el extremo abierto del tubo de vidrio.El sonido se produce mediante una aplicación, por ejemplo "Function generator" en el teléfono. Para evitar cálculos incorrectos, la frecuencia del sonido producido a través de la aplicación del teléfono, se puede controlar utilizando otra aplicación para teléfonos y tabletas,
SpectrumView. Este programa muestra un espectrograma con la que la intensidad del sonido y la frecuencia pueden medirse visualmente en la pantalla del dispositivo móvil. Cuando el tubo de vidrio se desplaza hacia arriba y abajo en el agua, en ciertos puntos (los nodos de las ondas de sonido) se escucha un sonido intenso. La distancia entre la parte superior del tubo de vidrio y el primer punto marcado es el primer cuarto de onda. Los nodos consecutivos corresponden a los múltiplos impares de cuartos de longitudes de onda. La velocidad del sonido se calcula a partir de la expresión velocidad = longitud de onda multiplicada por la frecuencia. En el experimento con frecuencias de sonido de hasta 2000 hercios, se lograron resultado muy próximos a los reales. 13. Realice gráficas de propagación de la onda de sonido y para el experimento.
Como podemos observar en la imagen el periodo, y por ende la frecuencia, se obtendrán en los picos de las ondas, pico se denomina a la máxima amplitud que puede obtener una onda.
