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Laboratorio de Ondas y Calor Calor
PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 06 VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE. 1. OB OBJE JETI TIV VOS 1) Medi Medirr exper xperim imen enta talm lme ente nte la lon lonit it!d !d de onda onda en !na !na "ol! "ol!mn mna a "errada y abierta de resonan"ia de aire. #) $etermin $eterminar ar la %elo"ida %elo"idad d del sonido sonido en en el aire. aire. &) Calibrar Calibrar !n diapas' diapas'n n de (re"!e (re"!en"ia n"ia "ono"id "ono"ida. a.
2. MATE MATERI RIAL ALES ES -
CapstoneTM Comp Comp!t !tad ador ora a pers person onal al "on "on pro prora rama ma PASCO Capstone instalado nter(ase US* Lin+ Sensor de sonido. $iapas'n T!bo T!bo de resonan"ia resonan"ia ,enerador de ondas Parlante Open Spea"+er Cables
. !"NDAM !"NDAMENT ENTO O TE#RIC TE#RICO O .1. On$as en t%&os. Si !n diapas'n es p!esto en %ibra"i'n y sostenido sobre !na "ol!m ol!mna na de air aire- s! sonor onorid idad ad experi perim menta ntar !n a!me !mento nto "onsiderable- si la "ol!mna de aire es de tal lonit!d "omo para %ibrar en a/nidad "on el diapas'n. Tal "ol!mna de aire se di"e 0!e esta en resonan"ia "on el diapas'n. Las ondas "olo"adas en la "ol!mna de aire son llamadas ondas esta"ionarias. El t!bo "errado mas "orto "er"ano a !n extremo) 0!e dar reson resonan" an"ia ia es 2 de !na lonit!d lonit!d de onda 2 λ)- pero si el t!bo se 3a"e mas laro- la resonan"ia o"!rrir tambi4n en "!artos impares- es de"ir &56 λ- 756 λ y as8 s!"esi%amente. s!"esi%amente. Si f es la (re (re"! "!en en"i "ia a de la la (!en (!ente te y la lon lonit it!d !d de de onda onda esta"ionaria- enton"es la %elo"idad del sonido esta dado por9
'1(
V = λ ⋅ f
Una t!ber8a "errada "errada "ol!mna "ol!mna de aire) tiene !n nodo N en el extremo "errado y !n antinodo A en el extre tremo abie bierto rto. $esa(ort!nadamente- el antinodo no esta sit!ado exa"tamente en el extr extrem emo o abie abiert rtoo- pero pero si !n po"o po"o mas mas all all de 4l. 4l. Un Una a pe0! pe0!e: e:a a
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distan"ia es re0!erida para 0!e la "ompensa"i'n de presi'n sea posible. La distan"ia del antinodo sobre el extremo del t!bo es llamado el extremo de "orre""i'n y es aproximadamente ;.< %e"es el radio de la t!ber8a. $ebido al extremo de "orre""i'n la lonit!d de la t!ber8a en la /!ra en la /!ra &.1a) ser !n po"o menor 0!e 2 λ. Sin embarola distan"ia entre dos nodos mostrado en las /!ras &.1b) y &.1 ") darn el %alor exa"to de = λ. P!esto 0!e la distan"ia entre dos nodos es = λ- podemos obtener la lonit!d de onda - y si la (re"!en"ia de la (!ente es "ono"ida- la %elo"idad del sonido a temperat!ra ambiente p!ede ser obtenida mediante la e"!a"i'n 1). $e este %alor "orre"to de = λ- el %alor "orre"to de 2 λ es "ono"ido y restando la lonit!d de la t!ber8a en a) de 2 λ la "orre""i'n del extremo es obtenido. S) e* t%&o $e +esonan,)a est- a&)e+to en a&os e/t+eos "omo en la /!ra &.1 d) debe ser obser%ado 0!e los antinodos apare"ern en ambos extremos. La lonit!d del t!bo en este "aso es !na lonit!d de onda. El t!bo mas "orto 0!e resonar8a tiene !na lonit!d de = λ- !n nodo en el "entro y !n antinodo en "ada extremo.
!)%+a. .1. $iaramas de resonan"ia para di(erentes lonit!des de "ol!mna de aire. En el "aso 0!e tenamos e* t%&o a&)e+to abierto en ambos extremos) este "!mple 0!e las resonan"ias de la misma manera "omo se "omporta !na "!erda %ibrante- "on la >ni"a di(eren"ia 0!e los patrones de os"ila"i'n son los 0!e m!estra la /!ra &.#.
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!)%+a. .2. $iaramas de resonan"ia para el t!bo abierto. P!ede ser demostrado 0!e la %elo"idad V del sonido en el aire es9 V =
1.40 ⋅ P
'2(
ρ
$onde P es la presi'n del aire- es la densidad del aire en este experimento- y 1.6; es la ra?'n del "alor espe"8/"o del aire a presi'n "onstante al "alor espe"i/"o del aire a %ol!men "onstante. P!esto 0!e la densidad del aire es propor"ional a la presi'n- la %elo"idad del sonido es independiente de los "ambios de presi'n del aire. Sin embaro la densidad del aire es in%ersamente propor"ional a s! temperat!ra absol!ta. $e este modo la %elo"idad del sonido en el aire es propor"ional a la ra8? "!adrada de la temperat!ra absol!ta. @dems si la %elo"idad del sonido a !na temperat!ra es determinadas! %alor a "!al0!ier otra temperat!ra p!ede ser obtenida en la e"!a"i'n9 V1 V2
=
T1 T2
'(
$onde V1 y V2 son las %elo"idades del sonido a las temperat!ras absol!tas "orrespondientes del aire- T1 y T2. Si !na de estas temperat!ras es ; AC- enton"es la e"!a"i'n &) p!ede ser desarrollada en series de Taylor- y el res!ltado aproximado por9 V
=
V0
+
0.61 ⋅ T
'(
$onde V0 es la %elo"idad del sonido en el aire expresado en m5s a ; AC y V la %elo"idad del sonido en el aire a !na temperat!ra de T rados "ent8rados.
. PROCEDIMIENTO Dete+)na,)n $e *a 3e*o,)$a$ $e* son)$o.
7&
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Re"ono?"a los e0!ipos y reali"e el montaBe de la /!ra 6.1- el e0!ipo es alimentado por "orriente @C- es de"ir no tiene polaridad. @ntes de "omen?ar %eri/0!e 0!e el sele"tor de amplit!d se en"!entre al m8nimo. Por de(e"to ini"iara en 1;; ?- red>?"alo a 7 ? y se!idamente "olo0!e el sele"tor de amplit!d en el "entro de s! "apa"idad. Obser%e el detalle del montaBe de la /!ra 6.#.
!)%+a. .1 MontaBe experimental
!)%+a. .2 $etalle del montaBe. Es !n 3e"3o "ono"ido 0!e en estas "on/!ra"iones 3abr !n error prod!"ido por el De(e"to de borde el "l"!lo nos indi"a 0!e se debe in"l!ir esto al medir la distan"ia9 $istan"ia distan"ia medida G ;.< H Radio del t!bo) Complete la tabla 6.1- ra/0!e estos datos en $ata St!dio en la op"i'n Dntrod!"ir datos y por !tili?ando el aB!ste respe"ti%o determine la %elo"idad del sonido. Tome la le"t!ra se>n lo indi"a la /!ra 6.&.
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!)%+a. .. Forma de tomar la lonit!d. TABLA .1. T!bo "errado de lonit!d %ariable L '( 1.0 1.20 1.10 1.00 0.80 0.90 0.:0
4 '5(
'(
V son)$o '7s(
Tepe+at%+a a&)ente
ºC
Ve*o,)$a$ $e* son)$o e/pe+)enta*
7s
Ve*o,)$a$ $e* son)$o te+),a
7s
E++o+ po+,ent%a*
;
Complete la si!iente tabla- soli"ite al pro(esor la lonit!d del t!bo "errado a trabaBar.
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TABLA .2. T!bo "errado de (re"!en"ia %ariable Lon)t%$ $e* t%&o ,e++a$o< Resonan,)a 7 = 7 = > 7 = : 7 = 8 7 =
'(
1.20
4 '5(
V son)$o '7s(
Ve*o,)$a$ $e* son)$o e/pe+)enta*
7s
E++o+ Po+,ent%a*
;
Complete las tablas 6.& y 6.6 tomado "omo pre"edente lo reali?ado en las tablas 6.1 y 6.#. Para "on%ertir el t!bo "errado en t!bo abierto sa0!e la tapa "omo lo m!estra la /!ra 6.1.6.
!). .1.>. T!bo "errado a t!bo abierto. TABLA .. T!bo abierto de lonit!d %ariable L '(
! '5(
'(
V son)$o '7s(
#.#; #.1; #.;; 1.I; 1.J; 1.K; 1.<;
Ve*o,)$a$ $e* son)$o e/pe+)enta*
7s
E++o+ po+,ent%a*
;
7<
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TABLA .. T!bo abierto de (re"!en"ia %ariable Lon)t%$ $e* t%&o a&)e+to< Resonan,)a 72 = = 72 = 2 = > 72 =
'(
2.00
4 '5(
V son)$o '7s(
Ve*o,)$a$ $e* son)$o e/pe+)enta*
7s
E++o+ Po+,ent%a*
;
Dete+)na,)n $e *a 4+e,%en,)a pa+a %n $)apasn. Si!iendo los pasos dados en 6.1 y "on el mismo montaBe a3ora determinar la (re"!en"ia de !n diapas'n Dproblema- !tili"e la %elo"idad del sonido promedio 3allada en 6.1 para tal /n. Llene la tabla 6.7 y determine la (re"!en"ia des"ono"ida
TABLA .>. T!bo "errado "on diapas'n Resonan,)a
Lon)t%$ $e on$a
/
Fe/pe+)enta*
'5(
7 = Lon)t%$ $e on$a p+oe$)o
!+e,%en,)a $e* $)apasn e/pe+)enta* p+oe$)o
5
!+e,%en,)a $e* $)apasn te+),a
5
E++o+ po+,ent%a*
;
>. C"ESTIONARIO 7K
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>.1 "san$o e* p+o,eso $e $ete+)na,)n $e *a 3e*o,)$a$ $e* son)$o +espon$a< 7.1.1 $e las tablas 6.1 al 6.6 determina el %alor promedio de la %elo"idad del sonido en el laboratorio. !4 (a"tores inN!yen para 0!e 3aya !na %aria"i'n "on el %alor te'ri"o de &6# m5s Expli"a.
7.1.# @ !na temperat!ra de #7 AC C!l es la (re"!en"ia del tono (!ndamental en !n t!bo "errado de 1m de lonit!d
7.1.& $e los ensayos 0!e 3as e(e"t!ado en este experimento se p!ede ded!"ir 0!e la %elo"idad del sonido en el aire depende ya sea de la (re"!en"ia o de la lonit!d de onda en las ondas prod!"idas por el parlante- expli0!e s! resp!esta. Si no es as8 - de 0!e (a"tores depende. Expli0!e.
7.1.6 $e t!s res!ltados !4 %alor obtendr8as para s a 67 QC
>.2 "san$o e* p+o,eso $e $ete+)na,)n $e *a 4+e,%en,)a pa+a %n $)apasn +espon$a< 5.2.1
Si la temperat!ra del aire en el t!bo de resonan"ia (!ese <; AC !4 (re"!en"ia de diapas'n seria re0!erida para prod!"ir resonan"ia en las mismas "ondi"iones 0!e en"ontraste en este experimento para el diapas'n
7.#.# !4 otros (a"tores inN!yen en la %elo"idad del sonido
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PROBLEMAS 6.1 Una %arilla lara y delada de al!minio esta sostenida por !na mano "er"a del p!nto medio de la %arilla. La %arilla es p!lsada "on la otra mano. Con !n po"o de pr"ti"a- se p!ede lorar 0!e la %arilla D"ante- o emita !n sonido "laro e intenso. Para !na %arilla de J; "m de laro9 a) "!l es la (re"!en"ia (!ndamental del sonido b) C!l es s! lonit!d de onda en la barra- y ") "!l es la lonit!d de onda sonora 0!e %iaBa en el aire a &;QC
6.2 @s s3on in Fi!re- ater is p!mped into a tall %erti"al "ylinder at a %ol!me No rate R. T3e radi!s o( t3e "ylinder is and at t3e open top o( t3e "ylinder a t!nin (or+ is %ibratin it3 a (re0!en"y @s t3e ater rises- 3o m!"3 time elapses beteen s!""essi%e resonan"es
:
(.
APLICACI#N @ L@ ESPEC@L$@$ Se presenta dos apli"a"iones del tea +ea*)a$o- apli"ados a s! espe"ialidad). K.1
K.#
9
r-
OBSERVACIONES J.1
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J.#
8
CONCL"SIONES I.1 I.#
10 BIBLIO?RA!IA 'se@n 4o+ato $e *a APA(
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