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VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE

EDELBERTO MAESTRE JOSE HINOJOSA

DOCENTE: FREDY OÑATE

UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR VALLEDUPAR- CESAR 2017

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Introducción

En el siguiente informe se demostrarán los comportamientos de la velocidad del sonido en el aire, estos resultados obtenidos al momento de hacer sonar el diapasón con el mazo de caucho en la punta obteniendo un sonido que viaja a través del aire 

Objetivos

 Estudiar el fenómeno de la resonancia  Determinar la velocidad del sonido en el aire  Medir las longitudes de ondas en una onda de sonido 

Materiales

        

Diapasón de 440 Y 512 Hz. Macito Probeta graduada de 250ml. Cinta métrica. Un termómetro Beaker Calibrador (Verniel) Pipeta 9ml Agua

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Marco teórico

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La velocidad del sonido

Es la velocidad de propagación de las ondas mecánicas longitudinales, producidas por variaciones de presión del medio. Estas variaciones de presión generan en el cerebro la sensación del sonido. 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. Aparte del interés del estudio del propio sonido, su propagación en un medio puede servir para estudiar algunas propiedades de dicho medio de transmisión. Aunque la velocidad del sonido no depende del tono (frecuencia) ni de la longitud de onda de la onda sonora, sí es importante su atenuación. Este fenómeno se explica por ley cuadrática inversa, que explica que cada vez que se aumenta al doble la distancia a la fuente sonora, la intensidad sonora disminuye. La velocidad del sonido varía dependiendo del medio a través del cual viajen las ondas sonoras. La velocidad del sonido varía ante los cambios de temperatura del medio. Esto se debe a que un aumento de la temperatura se traduce en que aumenta la frecuencia con que se producen las interacciones entre las partículas que transportan la vibración y este aumento de actividad hace que aumente la velocidad. Por ejemplo. sobre una superficie nevada, el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Esto es posible gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad.

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Velocidad de sonido en el aire

Entre la velocidad de propagación v de una onda, su longitud de onda,  y su frecuencia f existe la relación V  λf

(1)

de modo que, si somos capaces de medir  y f, podremos calcular la velocidad de propagación V.

Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales, que pueden propagarse en los medios materiales (sólidos, líquidos y gases). Si el medio en que se propaga la onda sonora es un gas, tal como el aire, la velocidad de propagación viene dada por

V

β ρ

(2)

siendo β el módulo de compresibilidad del medio y ρ su densidad.

Si admitimos que las transformaciones que acompañan a la propagación del sonido en el aire (es decir, las compresiones y enrarecimientos) tienen carácter adiabático (ya que son muy rápidas) y que el aire se comporta como un gas ideal, entonces podremos escribir

β  γP

(3)

donde  es el llamado coeficiente adiabático y representa el cociente entre los calores molares a presión y a volumen constante ( = Cp/Cv) y P es la presión del gas (la presión atmosférica)

Sustituyendo la expresión (3) en la (2) y utilizando la ecuación de estado del gas ideal (pV = nRT) obtenemos

V

γRT M

(4)

donde R es la constante universal de los gases, M es la masa molecular del gas (la masa molecular media del aire es 28,9 g/mol) y T su temperatura absoluta.

Conocida la velocidad v del sonido en el aire a la temperatura ambiente T(K), podemos calcular el valor de la velocidad vo a 0 ºC, utilizando dos veces la expresión anterior y dividiendo miembro a miembro. Obtenemos entonces:

V  V0

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Clases de ondas

 Ondas mecánicas

T0 T

(5)

Una onda mecánica es una perturbación física en un medio elástico, es decir un medio que puede oscilar. Estas ondas se propagan en un medio material, que puede ser un sólido, un líquido o un gas. El sonido es un ejemplo de onda mecánica que se propaga a través del aire. Así mismo, las olas del mar son ondas mecánicas que viajan a través del agua y las ondas sísmicas se propagan por un medio sólido como son las orcas. Algunas características del medio, como la temperatura y la densidad, influyen en la velocidad y en la propagación de las ondas mecánicas.

 Ondas electromagnéticas Como su nombre lo indica, son ondas de naturaleza electromagnética. Estas ondas que no necesitan de un medio material para propagarse; es decir, pueden viajar en el vacío. También pueden desplazarse en medios materiales. La luz, las ondas de radio, las microondas, los rayos ultravioletas y los rayos x, son ejemplos de ondas electromagnéticas. Estas ondas viajan en el vacío a una velocidad de 300 000 km/s En segundo lugar, las ondas pueden clasificarse, de acuerdo a la coincidencia o no de la dirección en que se propagan:

 Ondas transversales Son aquellas que vibran en forma perpendicular a la dirección de la vibración de las partículas. Esto significa que, si una onda avanza en sentido horizontal, las partículas del medio oscilarán de arriba hacia abajo. Por ejemplo, si nos metemos al mar vemos que la onda (ola de mar) se propaga hacia la arena, pero cuando pasa por nosotros sentimos que nuestro cuerpo se mueve de abajo hacia arriba. Nuestro cuerpo, al igual que todas las moléculas de agua que lo rodean, tienen un movimiento perpendicular a la propagación de la ola. Las ondas que se producen en la superficie del agua, las ondas sísmicas y las ondas electromagnéticas son ejemplos de ondas transversales.

 Ondas longitudinales Son aquellas que vibran en la misma dirección en la cual vibran las partículas del medio material. Por ejemplo, en una fila de gente, si alguien empuja al vecino, éste se moverá hacia adelante empujando al vecino siguiente. El empujón o

perturbación hace que cada persona se mueva horizontalmente y la perturbación también se propaga en esa dirección. En el aire, el sonido se propaga de esta manera. Por ejemplo, las vibraciones de una cuerda de guitarra empujan las moléculas de aire más próximas, que a su vez también empujan a las siguientes moléculas y así sucesivamente. Las moléculas de aire oscilan en la misma dirección que avanza el sonido, dando lugar a las ondas longitudinales en el aire. 

Sonido

Para la física, el sonido implica un fenómeno vinculado a la difusión de una onda de características elásticas que produce una vibración en un cuerpo, aun cuando estas ondas no se escuchen. El sonido audible para los seres humanos está formado por las variaciones que se producen en la presión del aire, que el oído convierte en ondas mecánicas para que el cerebro pueda percibirlas y procesarlas. 

Elementos de una onda

 Cresta: es la parte más elevada de una onda.  Valle: es la parte más baja de una onda.  Elongación: es el desplazamiento entre la posición de equilibrio y la posición en un instante determinado.  Amplitud: es la máxima elongación, es decir, el desplazamiento desde el punto de equilibrio hasta la cresta o el valle.  Longitud de onda (l): es la distancia comprendida entre dos crestas o dos valles.  Onda completa: cuando ha pasado por todas las elongaciones positivas y negativas.  Período (T): el tiempo transcurrido para que se realice una onda completa.  Frecuencia (f): Es el número de ondas que se suceden en la unidad de tiempo.

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Procedimiento

 Preparamos todos los materiales a utilizar.  Llenamos de agua la probeta hasta quedar llena.  Utilizamos el diapasón y con el mazo de caucho lo golpeamos para que se produjera un sonido lo cual lo acercamos a la probeta.  Con una pipeta fuimos extrayendo agua para conseguir el punto inicial de resonancia hasta llegar al final.  Medimos la temperatura del lugar de trabajo.

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Análisis y resultados

La velocidad del sonido en el aire se determina a partir de la fórmula: V=331,5 + 0,6 t m/s Donde t es la temperatura ambiente expresada en grados Celsius. Muestra que la velocidad del sonido en el aire a 0°C es de 331.5 m/s y aumenta en 0.6 m/s por cada grado de aumento de la temperatura. Por ejemplo, a 20°C, la velocidad del sonido es de 343.5 m/s

1) Encuentre la diferencia relativa entre el valor teórico y el valor experimental de la velocidad del sonido en el aire.

Utilice la diferencia %=[(Teo – Exp)(100)]/Teo

Para una. Frecuencia

de 512 Hz:

Velocidad del sonido a 22°C:

√

V sonido ( 331.6 )= 1+

22 =344,702(m/sg) 273

Para una frecuencia

de 440 Hz:

Velocidad del sonido a 22°C:

√

V sonido ( 331.6 )= 1+

22 =344,702(m/sg) 273

Calculo del radio R=

D 2

R=

3.669 cm =1,834 cm 2

2)

Utilice el montaje experimental y demás elementos disponibles para producir un sonido en la boca del tubo y varíe la altura del agua hasta que encuentre el punto donde se escuche la mayor amplificación del sonido. ¿Qué representa dicho punto?

El sonido producido por el diapasón, de una determinada frecuencia, entra en el tubo por el extremo abierto. Este tren de ondas se refleja en extremo cerrado del tubo. Resulta así, en el interior del tubo, una combinación de ondas incidentes y reflejadas que, para determinadas longitudes del tubo, producen ondas estacionarias, con un nodo en el extremo cerrado y un antinodo, o amplitud máxima, cerca del extremo abierto del tubo. El tubo entra entonces en resonancia y se produce una intensificación considerable del sonido emitido. 3) Enumere las diferentes fuentes de error que se presentaron durante el desarrollo de la práctica y proponga un método para minimizarlas.

 des calibración en los materiales  error humano al tomar las medidas.  error al tomar la temperatura del medio 4) ¿Qué diferencia existe entre una onda sonora y una onda luminosa?  ONDAS LUMINICAS. La luz está formada por ondas, se propaga en todas direcciones y siempre en línea recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a través del vacío y se llaman ondas electromagnéticas. El hombre sólo puede ver algunas de estas ondas, las que forman el espectro luminoso visible. El sol es la fuente luminosa natural de la Tierra. Los objetos que reciben la luz se llaman cuerpos iluminados. Como la luz blanca en realidad está compuesta por siete colores, de acuerdo al tipo de luz que absorben y que reflejan vemos los objetos de diferentes colores.  ONDAS SONORAS. Hemos definido el sonido como una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico. Éste es una definición amplia que no impone restricciones a ninguna frecuencia del sonido. Los fisiólogos se interesan principalmente en las ondas sonoras que son capaces de afectar el sentido del oído. Por lo tanto, es conveniente dividir el espectro del sonido de acuerdo con las siguientes definiciones. Sonido audible es el que corresponde a las ondas sonoras en un intervalo de frecuencias de 20 a 20 000 Hz. Las ondas sonoras que tienen frecuencias por debajo del intervalo audible se denominan infra sónicas. Las ondas sonoras que tienen frecuencias por encima del intervalo audible se llaman ultrasónicas. 5) ¿Podría realizarse este experimento en la Luna? ¡Explique por qué! No, ya que en la luna no hay medio material en donde se pueda propagar esta onda. 6) Explique por qué en medios materiales la velocidad del sonido es mayor cuando aumenta la densidad del material, mientras que en los gases es más veloz a menor densidad del gas. El sonido viaja a mayor velocidad en los sólidos que en los líquidos o gases. Esto se debe a que la velocidad de las ondas mecánicas la determina una relación entre las propiedades elásticas del medio en que se propagan y la masa por unidad de volumen de éste (densidad).

Los materiales sólidos rígidos tienen un alto módulo de elasticidad; por tanto, cuando se les aplica una fuerza externa se recuperan rápidamente (mucho más rápido que los gases y los líquidos) sin deformarse. La densidad es mayor pero gana el factor de la elasticidad y por eso se propaga más rápido el sonido. La velocidad de propagación de las ondas sonoras en un medio depende de la distancia promedio entre las partículas de dicho medio, por tanto, es en general mayor en los sólidos que en los líquidos y en estos, a su vez, que en los gases. La velocidad de propagación de las ondas sonoras en los gases no es más veloz porque mientras más denso en estos, mayor será la masa de las moléculas, si se considera un mismo volumen, lo que implica que el sonido se trasmite más lentamente. Esto se debe a que las ondas de sonido trasportan energía, que es la responsable de la vibración de un medio, y se necesita más energía para hacer vibrar las moléculas grandes que la requerida para hacer vibrar moléculas más pequeñas. Por esto, el sonido viaja más lento en un objeto más denso, si ambos tienen la misma propiedad elasticidad. 7) Si el mismo experimento se realizara en la ciudad de Bogotá, ¿Qué diferencia sustancial obtendría? Debido a que este experimento se trata de medir la velocidad del sonido a través de un medio gaseoso, en este caso el aire puede cambiar de forma sustancial debido a que la rapidez del sonido varía muy poco con la temperatura en los sólidos y líquidos, sin embargo en los gases, aumenta con la temperatura porque se incrementa la probabilidad de los choques entre las moléculas.

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Conclusión

 Luego de realizar este experimento de laboratorio, se concluye que la velocidad del sonido varía debido a la temperatura del ambiente (en este caso la temperatura del laboratorio) y también por la humedad.  La toma de datos en la experiencia debe ser lo más minuciosamente posible para así evitar que los resultados salgan fuera de los parámetros.