CURSO: FISICA I LABORATORIO 6
“VELOCIDAD “VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE”
Chara Surco Elizabeth Alumno (s):
Choque Ninacondor Danny Miguel Guillen ChaconYilmar Choque Are Juan Victor
Grupo
: A
Especialidad: Especialidad:
Profesor
: Juan Carlos Grande
Fecha de entrega
: 05 11 12 Mesa: 2
C-3
Nota:
VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE
1. INTRODUCCION.
De todas las ondas mecánicas que se dan en la naturaleza, las más importantes en nuestra vida diaria son las ondas longitudinales en un medio, usualmente aire, llamadas ondas sonoras. La razón es que el oído humano es muy sensible y puede detectar ondas sonoras incluso de muy baja intensidad. Además de su uso en la comunicación verbal, nuestros oídos nos permiten captar una multitud de indicios acerca de nuestro entorno, desde el grato sonido de la preparación de alimentos, hasta el sonido de advertencia de un vehículo que se acerca. La capacidad para escuchar a un depredador nocturno fue fundamental para la supervivencia de nuestros antepasados, así que no es exagerado decir que los seres humanos debemos la existencia a nuestro sentido del oído altamente evolucionado.
2. OBJETIVOS. Medir experimentalmente la longitud de onda en una columna cerrada y abierta de resonancia de aire. Determinar la velocidad del sonida en el aire. Calcular el diapasón de frecuencia desconocida. 3. Materiales Computadora personal con programa data studio instalado.
Sensor de sonido.
Diapasones.
Tobo de resonancia.
Generador de funciones.
Parlante Open Speacker.
Cables.
Implementos de seguridad de uso obligatorio
Lentes de seguridad
Casco de protección
Cinturón de seguridad
Zapatos de protección
Uniforme de seguridad
Análisis de trabajo seguro (ATS)
N 1 2
3
TAREA reconocimiento del lugar de trabajo Instalar la computadora al programa Data Studio Realizar el montaje del equipo
4
Dar la amplitud adecuada al generador de ondas
5
Determinación de la frecuencia de resonancia
6
Darle datos al software Data Studio Trabajar en el laboratorio
7
8
Devolución de materiales
9
Salir del laboratorio
RIESGOS IDENTIFICADOS que estén en desorden y nos podamos tropezar y caer Que al momento de dar datos se pueda apagar por una mala conexión Que el sensor de sonido no esté bien ubicado y por ende no daría buenos datos Si la amplitud es muy grande se va a producir un ruido que malograra al generador de funciones Que aparezcan ruidos extraños que no sean del experimento provocara malos datos Que no le pongamos las medidas a los tubos correspondientes. Hacer caer los tubos de resonancia al pasar por las mesas ya que son largos Que se puedan caer y malograse al llevarlos todos a la ves Dejarlo en desorden y sucio
MEDIDAS DEL CONTROL DEL RIESGO Ordenar el lugar de trabajo Verificar que estén bien conectado los cables de la fuente de alimentación
Sujetar al sensor de sonido con las varillas Ver que al momento de darle la amplitud no sea muy grande y no se muy perturbador Al empezar el experimento tratar de no hacer nada de bulla para que saquen buenos datos Estar atento con la explicación del profesor como se tiene que crear el experimento y darle datos al programa Ubicar a los tubos en lugar seguro y tener cuidado al pasar cerca de ellos Trasladarlos con mucho cuidada y con mucha precaución ,llevar un material a la ves Antes de abandonar el laboratorio tenemos que ordenarlo y limpiarlo
4. FUNDAMENTO TEORICO. 4.1. Ondas en tubos.
Si un diapasón es puesto en vibración y sostenido sobre una columna de aire, su sonoridad experimentará un aumento considerable, si la columna de aire es de tal longitud como para vibrar en afinidad con el diapasón. Tal columna de aire se dice que está en resonancia con el diapasón. Las ondas colocadas en la columna de aire son llamadas ondas estacionarias.
El tubo cerrado más corto (cercano a un extremo) que dará resonancia es ¼ de una longitud de onda (¼ λ), pero si el tubo se hace más largo, la resonancia ocurrirá también en cuartos impares, es decir 3/4 λ, 5/4 λ y así sucesivamente.
Si f es la frecuencia de la fuente y λ la longitud de onda estacionaria, entonces la velocidad del sonido está dado por:
(1)
Una tubería cerrada (columna de aire) tiene un nodo N en el extremo cerrado y un antinodo Aen el extremo abierto. Desafortunadamente, el antinodo no está situado exactamente en el extremo abierto, pero si un poco más allá de él. Una pequeña distancia es requerida para que la compensación de presión sea posible.
La distancia del antinodo sobre el extremo del tubo es llamado el extremo de corrección y es aproximadamente 0.6 veces el radio de la tubería.
Debido al extremo de corrección la longitud de la tubería en la figura en la primera figura (a) será un poco menor que ¼ . Sin embargo, la distancia entre dos nodos mostrado en las siguientes figuras (b) y (c) darán el valor exacto de ½ . Puesto que la distancia entre dos nodos es ½ , podemos obtener la longitud de onda , y si la frecuencia de la fuente es conocida, la velocidad del sonido a temperatura ambiente puede ser obtenida mediante la ecuación (1). De este valor correcto de ½ , el valor correcto de ¼ es conocido y restando la longitud de la tubería en (a) de ¼ la corrección del extremo es obtenido. Si el tubo de resonancia está abierto en ambos extremoscomo en la cuarta figura (d) debe ser observado que los antinodos aparecerán en ambos extremos. La longitud del tubo en este caso es una longitud de onda. El tubo más corto que resonaría tiene una longitud de ½ , un nodo en el centro y un antinodo en cada extremo.
En el caso que tengamos el tubo abierto (abierto en ambos extremos) este cumple que las resonancias de la misma manera como se comporta una cuerda vibrante, con la única diferencia que los patrones de oscilación son los que se muestran en la figura.
Puede ser demostrado que la velocidad V del sonido en el aire es:
√
Donde P es la presión del aire, es la densidad del aire en este experimento, y 1.40 es la razón del calor específico del aire a presión constante al calor especifico del aire a volumen constante. Puesto que la densidad del aire es proporcional a la presión, la velocidad del sonido es independiente de los cambios de presión del aire. Sin embargo la densidad del aire es inversamente proporcional a su temperatura absoluta. De este modo la velocidad del sonido en el aire es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. Además si la velocidad del sonido a una temperatura es determinada, su valor a cualquier otra temperatura puede ser obtenida en la ecuación:
Donde V1 y V2 son las velocidades del sonido a las temperaturas absolutas correspondientes del aire, T1 y T2. Si una de estas temperaturas es 0 ºC, entonces la ecuación (3) puede ser desarrollada en series de Taylor, y el resultado aproximado por:
Donde V0es la velocidad del sonido en el aire expresado en m/s a 0 ºC y V la velocidad del sonido en el aire a una temperatura de T grados centígrados
5. PROCEDIMIENTO. Determinación de la velocidad del sonido. Se realizó el montaje de la figura que se muestra a continuación y lo alimentaron con corriente AC. Luego, antes de empezar ubicaron el selector de amplitud al mínimo. Ahora por defecto se encuentra en muestreo de 100 Hz; entonces cambiaron A 5 Hz y seguidamente colocaron el selector de amplitud en el centro de su capacidad.
Es un hecho que en éstas configuraciones habrá un error producido por el “efecto borde”, para lo cual incluyeron el siguiente arreglo al medir las distancias:
Tomaron las lecturas de acuerdo como indica la figura siguiente: 5.1. Tabla de tubo cerrado de la longitud variable.
λ (m)
f (Hz)
1.20
Corrección L (m) 1.2456
4.986
66.8
1.10
1.1456
4.5824
71.8
325.35
1.00
1.0456
4.1824
77.5
324.13
0.90
0.9456
3.7824
83.9
317.34
0.80
0.8456
3.3824
91.4
309.15
0.70
0.7456
2.9824
99.4
296.45
0.60
0.6456
2.5824
107.6
277.87
0.50 0.5456 Temperatura ambiente.
2.1824
115.7
252.5
L (m)
(m/s)
333.06
23°C Velocidad del sonido experimental. 304.481 m/s Velocidad dol sonido teorica. 342 m/s Error porcentual. 10.97 %
Para hallar los datos anteriores se utilizaron la siguiente formulas:
()
Completa la siguiente tabla, solicite al profesor la longitud del tubo cerrado a trabajar. 5.2.
Tabla de tubo cerrado de frecuencia variable.
Longitud del tubo cerrado: m
Resonancia λ/4= 3λ/4
λ (m) 4 4/3
f (Hz) 77.5 234.4
310 312.53
5 λ/4 7 λ/4 9 λ/4
4/5 4/7 4/9
287.9 545.3 693.5
230.32 311.6 308.2
Velocidad del sonido experimental.
(m/s)
294.53 m/s
Error porcentual 13.8 %
Ahora lo siguiente convirtieron el tubo cerrado en un tubo abierto, para ello se sacaron la tapa como muestra la figura y completaron las tablas:
5.3.
Tabla de tubo de longitud variable.
L (m)
λ (m)
f (Hz)
2.10
4.2
78.5
2.00
4
82.6
330.4
1.90
3.8
86.4
328.32
1.80
3.6
90.9
327.24
1.70
3.4
95.6
325.04
1.60
3.2
101.11
323.55
1.50
3
107.4
322.2
1.40
2.8
114.4
320.32
Velocidad del sonido experimental
329.7
325.8 m/s
Error porcentual
5.4.
(m/s)
4.73 %
Tabla de tobo abierto de frecuencia variable.
Longitud del tubo abierto 1.60 m Resonancia
(m)
f (Hz)
3.29
101.1
λ
1.64
204.4
331.42
3 λ/2=
1.09
303.9
333.39
2 λ=
0.82
404.8
333.06
5λ/2= 0.65 Velocidad del sonido experimental
504.8
332.27 332.5 m/s
λ/2=
Error porcentual
(m/s)
332.74
2.77 %
5.1.1. de las tablas 5.1 al 5.4. determinar el valor promedio de la velocidad del sonido en el laboratorio. ¿Qué factor influyen para que haya una variación con el valor teorico de 342 m/s? Explica.
Algunos de los factores que influyeron en la variación del valor experimental con el valor teórico de la velocidad del sonido fueron primero la temperatura del ambiente en el cual se realizó la experiencia, segundo los sonidos de otras mesas que se filtraban en el sensor y por último el estado de los materiales que se usaron, éstos fueron los factores más importantes que encontramos 5.1.2. ¿a una temperatura de 20°C ¿Cuál es la frecuencia fundamental del tono fundamental en un tubo cerrado de 1m de longitud?
5.1.3. ¿de los ensayos que has efectuado en este experimento se puede deducir que la velocidad del sonido en el aire depende ya sea de la frecuencia o de la longitud de onda producida por el parlante?, explique su respuesta.
Bueno es cierto que la velocidad del sonido depende de la frecuencia o de la longitud, pero esta depende más aún de la temperatura ambiente en que nos encontramos, ya que si la temperatura es más baja la velocidad del sonido va a ser menor y si es más alta esta va a ser mayor. Lo podemos comprobar de la siguiente manera: Tomamos dos temperaturas diferentes y lo reemplazamos en la siguiente fórmula:
V = + 0.61T V = 331.6 + 0.61(10) V = 337.7 m/s
V = + 0.61T V = 331.6 + 0.61(30) V= 349.9 m/s
Como podemos apreciar la velocidad del sonido tiende a cambiar dependiendo de la temperatura
5.1.4. De tus resultados ¿Qué valor obtendrías para
a 0.5°C?
Determinación de la frecuencia para un diapasón.
Con el mismo montaje seguido hasta ahora determinaron la frecuencia de un diapasón, utilizando la velocidad promedio hallada. Se haló la frecuencia desconocida y llenaron la siguiente tabla: 5.5.
Resonancia
Tabla de tubo cerrado con diapasón. Longitud de onda
(Hz)
λ/4=
0,23
3 λ/4=
0,65
0,87
5 λ/4=
0,73
0,58
7 λ/4=
0,97
0,55
9 λ/4=
1,15
0,51
Longitud de onda promedio
Frecuencia del diapasón experimental promedio.
Frecuencia del diapasón teorica.
Error porcentual.
0,92
0,686
331,46 Hz
341,3 Hz
3,55 %
5.2.1. si la temperatura del aire en el tubo de resonancia fuese 70°C ¿Qué frecuencia de diapasón seria requerida para producir resonancia en las mismas condiciones que encontraste en este experimento para el diapasón?
5.2.2. ¿la velocidad del sonido depende de la presión atmosférica? La dependencia se ve más claramente desde un punto de vista más indirecto. La presión atmosférica aumenta al disminuir la altitud, es decir, al nivel del mar la presión atmosférica es mucho mayor que en la cima de una montaña y la temperatura disminuye al aumentarla altitud. Al haber una menor temperatura, las moléculas de aire poseen menos energía cinetica, lo cual hace que sea un poco más difícil que ocurran choques entre ellas, y eso es lo que produce la propagación del sonido. Desde este punto de vista, la velocidad del sonido disminuye al disminuir la presión atmosférica.
6. OBSERVACIONES.
Para realizar una buena medición con el sensor de sonido este deberá estar colocado a una distancia apropiada del tubo de resonancia. En este laboratorio se tuvo un mayor grado de dificultad debido que en el momento de realizar los experimentos no se podía escuchar bien los sonidos ya que había una perturbación de muchos de ellos por eso resulto poco dificultoso. Se debe tener mucha cautela a la hora de experimentar con el tubo ya que se puede dañar, por eso es necesario realizarlo con un punto de apoyo El valor más alto que obtengamos en la grafica con el Data Studio al probar diferentes frecuencias, será la adecuada para dicha medición. Cualquier sonido provocado por otras mesas puede alterar nuestra toma de datos.
7. CONCLUSIONES.
Se comprobó la ecuación para hallar la velocidad . La frecuencia de un sonido determina el tono. Para hallar el valor de la distancia le sumaremos a esta el valor del radio del tubo por una cantidad pequeña:
Se llego a medir la velocidad del sonido el cual se diferencio del valor teórico en un rango de 2% a 3% . Se logro poner en práctica la teoría aprendida en clases.
8.
BIBLIOGRAFIA.
