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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA SEMESTRE 2021.2 PRÁTICA 06 – VELOCIDADE DO SOM ALUNA: Victória Emily Rodrigues Sousa MATRÍCULA: 516451 CURSO: Engenharia Ambiental TURMA: 26 PROFESSORA: Edine Silva OBJETIVOS - Determinar a velocidade do som no ar com uma aplicação de ressonância. - Determinar uma frequência desconhecida. MATERIAL - Para uma simulação real dessa prática virtual, acessei o vídeo “Ressonância Tubo” no link a seguir: https://www.youtube.com/watch?v=AxtVGqGETOM - Para uma simulação onde a cavidade ressonante é variada pelo nível da água dentro do cano, acessei o site a seguir: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=kv_rezonance&l =pt - Para a realização dos procedimentos dessa prática, acessei o site a seguir: https://www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/ressonancia-com-uma-cavidade-com-ar. FUNDAMENTOS RESSONÂNCIA Sendo um fenômeno físico, a ressonância ocorre quando, em um sistema, aplica-se uma força com frequência igual ou muito próxima da frequência fundamental desse mesmo sistema, ocasionando um aumento na amplitude de oscilação maior do que ocasionado por outras frequências (HELERBROCK, c2021). Podemos encontrar esse fenômeno na Mecânica, na Ótica etc. Na ressonância sonora, uma fonte de emissão consegue emitir ondas em frequências muito próximas à frequência de oscilação natural de um receptor, interferindo sobre elas mesmas e aumentando sua amplitude. Devido a isso, se um corpo estiver em repouso e sobre ele incidir uma onda com frequência igual a uma das suas frequências naturais de vibração, esse mesmo corpo irá começar a vibrar com a frequência considerada (DIAS, c2021). TUBO SONORO Chamamos de tubo sonoro a toda massa de ar, sendo esta limitada por uma superfície cilíndrica fechada, que, quando é posta a vibrar, produz um efeito sonoro. Existem dois tipos de tubos sonoros, os tubos abertos (onde ambas as extremidades são abertas) e os tubos fechados (onde uma extremidade é aberta e a outra é fechada) (DA SILVA, c2021). https://www.youtube.com/watch?v=AxtVGqGETOM https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=kv_rezonance&l=pt https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=kv_rezonance&l=pt https://www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/ressonancia-com-uma-cavidade-com-ar Figura 1 - Representação de ondas estacionárias em tubos sonoros: com duas extremidades abertas, e com uma extremidade fechada. Fonte: https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view. Acesso em: 20 de out. de 2021. É possível que a coluna de ar entre em ressonância e reforce o som produzido que é colocado na boca do cano quando varia a frequência. Nas extremidades abertas também há reflexão, ou seja, as ondas sonoras que penetram no tubo e essas ondas refletidas produzem uma onda estacionária. Na Figura 1 é possível observar as ondas estacionárias em tubos abertos (esquerda) e em tubos fechados (direita) e detectar a formação de nós (interferência destrutiva) e de ventres (interferência construtiva) (DIAS, c2021). Na ressonância sonora, em uma extremidade aberta o som reflete-se em fase, formando um ventre, e em uma extremidade fechada se tem a reflexão com inversão de fase, gerando um nó. Na Figura 2 estão representados os nós e os ventres de um tubo sonoro fechado (SÓ FÍSICA, c2021). Figura 2 - Representação de uma onda estacionária, mostrando os nós e os ventres. Fonte: https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view. Acesso em: 20 de out. de 2021. VELOCIDADE DO SOM Através da ressonância, somos capazes de medir a velocidade do som no ar. Para determiná-la, é necessário variar o comprimento de uma coluna de ar dentro de um tubo fechado, igual na Figura 2. Para essa prática, utiliza-se um cano de PVC (Figura 3) onde o comprimento de ar pode ser alterado movendo o êmbolo que fica localizado no seu interior. https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view Figura 3 - Fotografia do equipamento utilizado no laboratório para a determinação da velocidade do som no ar; na extremidade aberta está posicionado um celular como fonte sonora. Fonte: https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view. Acesso em: 20 de out. de 2021. Para produzir uma frequência bem definida, usa-se um diapasão ou um celular, com um aplicativo próprio para isso, na boca do tubo. Partindo do êmbolo na boca e aumentando progressivamente o comprimento da coluna de ar dentro do cano, em uma distância h1 (Figura 4) da boca percebe-se que o som atinge uma intensidade máxima, onde a onda estacionária apresenta um ventre na boca do cano e um nó na superfície do êmbolo (extremidade fechada) (DIAS, c2021). Figura 4 – Posições onde ocorrem ressonâncias. Fonte: https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view. Acesso em: 20 de out. de 2021. Aumentando gradativamente o comprimento da coluna de ar, em um certo tempo a intensidade do som irá atingir um outro máximo com o êmbolo a uma distância h2 da boca (Figura 4). Nessa situação, teremos um nó na superfície do êmbolo (em h2) e um outro nó a uma mesma distância h1 da boca do cano (DIAS, c2021). Sabendo que λ é o comprimento da onda do som no ar e a distância entre os dois nós consecutivos é meio comprimento de onda, concluímos que h2 – h1 = λ 2 (1) https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view Como v = λf, podemos substituir λ pela equação (1). Determinando v, temos, portanto v = 2(h2 – h1) f onde f é a frequência, podendo ser determinada ou sendo conhecida, pois é a frequência da fonte (diapasão ou celular), e h1 h2 também sendo conhecidos, pois podem ser medidos (DIAS, c2021). CORREÇÃO DE EXTREMIDADE Na prática, o ventre formado na boca do cano não está localizado exatamente na posição indicada, mas sim um pouco para fora, com uma distância chamada “correção de extremidade”. Essa distância tem cerca de 0,6 do raio interno do cano e influência na distância h1, sendo esta menor que λ 4 , ou melhor dizendo, λ 4 = h1+ 0,6R. Porém, a distância entre dois nós consecutivo sempre será λ 2 (DIAS, c2021). PROCEDIMENTO Para a realização desse procedimento, acessei a simulação “Ressonância com uma Cavidade com Ar” no link a seguir: www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/ressonancia-com- uma-cavidade-com-ar. Segue o passo a passo de toda a minha realização da prática. PROCEDIMENTO 1: Determinação da velocidade do som no ar para uma frequência de 700 Hz. - Primeiro acionei o ícone “ON” na página inicial e ajustei a frequência do Gerador de Frequência (alto-falante) para, exatamente, 700 Hz. - Em seguida, utilizei o controle “Êmbolo” para controlar o comprimento da coluna de ar no tubo, observando a intensidade sonora no decibelímetro digital. - Após a intensidade atingir um máximo de 45 decibéis (dB), anotei o primeiro comprimento h1, repetindo o procedimento até obter h2 e h3. Tabela 1 – Posições de ressonância para a frequência de 700 Hz. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) 10,3 35,1 60,0 Fonte: Elaborada pela autora. (2) http://www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/ressonancia-com-uma-cavidade-com-ar http://www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/ressonancia-com-uma-cavidade-com-ar PROCEDIMENTO 2: Determinação da velocidade do som no ar para uma frequência de 800 Hz - Primeiramente, ajustei a frequência do Gerador de Frequência para 800 Hz. - Em seguida, utilizei o controle “Êmbolo” para controlar o comprimento dacoluna de ar no tubo, observando a intensidade sonora no decibelímetro digital. - Após a intensidade atingir um máximo de 45 decibéis (dB), anotei o primeiro comprimento h1, repetindo o procedimento até obter h2 e h3. Tabela 2 – Posições de ressonância para a frequência de 800 Hz. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) 9,0 30,6 52,2 Fonte: Elaborada pela autora. PROCEDIMENTO 3: Determinação de frequências desconhecidas. - Repetindo o mesmo procedimento anterior, agora usei as Frequências X, Y e Z para obter os valores de h1, h2 e h3. Como o valor para h3 não foi possível determinar, preenchi a célula da tabela com “xxxx”. Tabela 3 – Posições de ressonância para as frequências desconhecidas. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) Frequência X 10,0 33,0 56,0 Frequência Y 23,0 72,2 xxxx Frequência Z 15,0 50,0 84,8 Fonte: Elaborada pela autora. QUESTIONÁRIO 1. Determine a velocidade (média dos 4 valores obtidos) do som como indicado na tabela abaixo: Velocidade do Som, V (m/s) 700 Hz 800 Hz A partir dos valores de h1 e h2 347,2 345,6 A partir dos valores de h2 e h3 348,6 345,6 Valor médio 346,8 - Para 700 Hz: I) h1 = 10,3 cm = 0,103 m; h2 = 35,1 cm = 0,351 m; h3 = 60,0 cm = 0,600 m. v1 = 2(h2 – h1) f v1 = 2(0,351 – 0,103) 700 v1 = 347,2 v2 = 2(h3 – h2) f v2 = 2(0,600 – 0,351) 700 v2 = 348,6 - Para 800 Hz: I) h1 = 9,0 cm = 0,090 m; h2 = 30,6 cm = 0,306 m; h3 = 52,2 cm = 0,522 m. v1 = 2(h2 – h1) f v1 = 2(0,306 – 0,090) 800 v1 = 345,6 v2 = 2(h3 – h2) f v2 = 2(0,522 – 0,306) 800 v2 = 345,6 - Valor Médio: v = (347,2 + 348,6 + 345,6 + 345,6) 4 v = 346,75 = 346,8 m/s 2. A simulação considera a temperatura ambiente local 25 ºC. Calcule a velocidade teórica do som no ar utilizando a equação termodinâmica para essa temperatura: 𝑉 = 331 + 2 3 𝑇 (𝑒𝑚 𝑚/𝑠) onde T é a temperatura ambiente, em graus Celsius durante o experimento. (A velocidade do som no ar a 0 ºC vale 331 m/s. Para cada grau Celsius acima de 0 º C, a velocidade do som aumenta 2/3 m/s). Para calcularmos a velocidade teórica do som no ar, basta substituirmos a temperatura dada no enunciado da questão (25 ºC) na fórmula: V = 331 + 2 3 (25) => V = 347,6 m/s. 3. Calcule o erro percentual entre o valor da velocidade de propagação do som no ar obtido experimentalmente (Questão 1, valor médio) e o calculado teoricamente (Questão 2). I) Determinando o Erro Absoluto 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙| 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |347,6 − 346,8| = 0,8 II) Determinando o Erro Relativo 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 / 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = 0,8/ 347,6 III) Determinando o Erro Percentual 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑥 100% 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = (0,8/347,6) 𝑥 100% = 0,23% Concluímos, então, que houve um erro percentual de 0,23% 4. Considere o diâmetro interno do cano/tubo 6,0 centímetros. A partir dos valores medidos de h1, determine a velocidade do som para as duas frequências (700 e 800 Hz) com e sem a CORREÇÃO DE EXTREMIDADE. Velocidade do Som, V (m/s) 700 Hz 800 Hz SEM CORREÇÃO DE EXTREMIDADE 347,9 345,6 COM CORREÇÃO DE EXTREMIDADE 338,8 345,6 Fonte: Elaborado pela autora Sabendo que R = 0,03 m e a fórmula para fazer a correção de extremidade é λ 4 = h1 + 0,6R - Para a frequência de 700 Hz I) Encontrando λ a partir de h1 = 0,103 m. λ 4 = 0,103 + 0,6x0,03 λ 4 = 0,103 + 0,018 λ = 0,484 II) Determinando h2 e h3. h2 – h1 = λ/2 h2 - 0,103 = 0,484/2 h2 = 0,345 h3 – h2 = λ/2 h3 – 0,345 = 0,484/2 h3 = 0,587 III) Determinando a velocidade média para 700 Hz. v1 = 2(h2 – h1) f v1 = 2(0,345 – 0,103) x 700 v1 = 338,8 m/s v2 = 2(h3 – h2) f v2 = 2(0,587– 0,345) x 700 v2 = 338,8 m/s v = (v1 + v2) 2 v = (338,8 + 338,8) 2 v = 338,8 m/s - Para a frequência de 800 Hz I) Encontrando λ a partir de h1 = 0,090 m. λ 4 = 0,090 + 0,6x0,03 λ 4 = 0,090 + 0,018 λ = 0,432 II) Determinando h2 e h3. h2 – h1 = λ/2 h2 – 0,090 = 0,432/2 h2 = 0,306 h3 – h2 = λ/2 h3 – 0,306 = 0,432/2 h3 = 0,522 III) Determinando a velocidade média para 800 Hz. v1 = 2(h2 – h1) f v1 = 2(0,306 – 0,090) x 800 v1 = 345,6 m/s v2 = 2(h3 – h2) f v2 = 2(0,522– 0,306) x 800 v2 = 345,6 m/s v = (v1 + v2) 2 v = (345,6 + 345,6) 2 v = 345,6 m/s 5. Quais os valores das frequências desconhecidas? Para os três casos, usaremos a fórmula v = 2(h2 – h1) f, onde v = 347,6 m/s (velocidade teórica) para determinar as frequências desconhecidas. - Frequência X: h1 = 10 cm = 0,100 m; h2 = 33 cm = 0,330 m; h3 = 56 cm = 0,560 m. I) Substituindo v e h1 e h2 em v = 2(h2 – h1) f para achar f1. 347,6 = 2(0,330 – 0,100) f1 347,6 = 2(0,230) f1 f1 = 347,6/0,460 f1 = 755,6 = 756 Hz II) Agora, utiliza-se h2 e h3 para determinar f2. 347,6 = 2(0,560 – 0,330) f2 347,6 = 2(0,230) f2 f2 = 347,6/0,460 f2 = 755,6 = 756 Hz III) Achando a frequência média X. F = (f1 + f2) 2 F = (755,6 + 755,6) 2 F = 755,6 = 756 Hz - Frequência Y: h1 = 23 cm = 0,230 m; h2 = 72,2 cm = 0,722 m; h3 = xxx cm. Como só temos h1 e h2, basta calcularmos a frequência diretamente. I) Substituindo v e h1 e h2 em v = 2(h2 – h1) f. 347,6 = 2(0,722 – 0,230) f 347,6 = 2(0,492) f f = 347,6/0,984 f = 353,2 = 353 Hz - Frequência Z: h1 = 15,0 cm = 0,150 m; h2 = 50,0 cm = 0,500 m; h3 = 84,8 cm = 0,848 m. I) Substituindo v e h1 e h2 em v = 2(h2 – h1) f para achar f1. 347,6 = 2(0,500 – 0,150) f1 347,6 = 2(0,350) f1 f1 = 347,6/0,700 f1 = 496,5 = 497 Hz II) Agora, utiliza-se h2 e h3 para determinar f2. 347,6 = 2(0,848 – 0,500) f2 347,6 = 2(0,348) f2 f2 = 347,6/0,696 f2 = 499,4 = 499 Hz III) Achando a frequência média Z. F = (f1 + f2) 2 F = (469,5 + 499,4) 2 F = 497,9 = 498 Hz 6. Nesta prática, foram observadas “experimentalmente” três posições de máximos de intensidade sonora para as frequências de 700 Hz e 800 Hz. Calcule as posições esperadas para o quarto e o quinto máximos de intensidade sonora para cada frequência. Considerando o comprimento total do cano/tubo, esses máximos poderiam ser observados com o tubo/cano utilizado nesta “experiência”? Justifique. - Para a frequência de 700 Hz I) Determinando λ h2 – h1 = λ/2 0,351 – 0,103 = λ/2 λ = 0,496 II) Achando h4 e h5 h4 – h3 = λ/2 h4 – 0,600 = 0,496/2 h4 = 0,848 m h5 – h4 = λ/2 h5 – 0,848 = 0,496/2 h5 = 1,10 m - Para a frequência de 800 Hz I) Determinando λ h2 – h1 = λ/2 0,306 – 0,090 = λ/2 λ = 0,432 II) Achando h4 e h5 h4 – h3 = λ/2 h4 – 0,522 = 0,432/2 h4 = 0,738 m h5 – h4 = λ/2 h5 – 0,738 = 0,432/2 h5 = 0,954 m - Como o cano da simulação tem 100 cm, para a frequência de 700 Hz, o quarto máximo (84,8 cm) seria observado, mas o quinto máximo (110 cm) não. Já para a frequência de 800 Hz o quarto e quinto máximo (73,8 cm e 9,54 cm, respectivamente) são observados. De volta a simulação e aplicando esses valores, somos capazes de confirmar que essas distâncias correspondem seus máximos de intensidade. 7. Quais seriam os valores de h1, h2 e h3 se o som tivesse a frequência de 440 Hz? (Não considerar a correção de extremidade). I) Velocidade teórica = 347,6 m/s. v = 2(h2 – h1) f 347,6 = 2(h2 – h1) 440 2(h2 – h1) = 0,79 (h2 – h1) = 0,395 II) Achando λ h2 – h1 = λ/2 0,395 = λ/2 λ = 0,790 III) Achando h1 h1 = λ/4 h1 = 0,790/4 h1 = 0,198 m = 19,8 cm IV) Achando h2 e h3 h2 – h1 = 0,395 h2 = 0,395 + 0,198 h2 = 0,593 m = 59,3 cm h3 – h2 = 0,395 h3 = 0,395 + 0,593 h2 = 0,988 m = 98,8 cm CONCLUSÃO Nesta prática pude aprender melhor sobre o fenômeno físico conhecido como ressonância. Na ressonância sonora podemos observar que se um corpo estiverem repouso e sobre ele for incidido uma onda com frequência igual a uma de suas frequências naturais de vibração esse mesmo corpo começará a vibrar com a frequência considerada (DIAS, c2021). Também conheci os dois tipos de tubos sonoros (aberto ou fechado), onde é posto um emissor na sua boca, podendo ser um celular ou um diapasão, e esse emissor produzi um efeito sonoro, onde podemos identificar a formação de nós e ventres no seu interior quando a intensidade sonora atinge um máximo ou um mínimo. Após acessar o site da simulação, aprendi a identificar as máximas intensidade sonoras e calcular a velocidade para frequências conhecidas e desconhecidas por meio da fórmula. Na prática, o ventre formado na boca do tubo não se localiza exatamente na posição indicada e sim um pouco para fora, cerca de 0,6 do raio interno do cano. Essa correção recebe o nome de “correção de extremidade”. Logo após me familiarizar com os conceitos de ressonância e tubo sonoro, concluo que somos capazes de determinar a velocidade do som nessa prática através da frequência, podendo já ser conhecida, e das distâncias de onde as colunas de ar atingem uma intensidade máxima até a boca do cano, constatando que frequência menores têm distâncias maiores por causa do λ. REFERÊNCIAS DIAS, Nildo Loiola. “Roteiros de aulas práticas de física”. UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ. Disponível em: <https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view>. Acesso em: 05 de out. de 2021. HELERBROCK, Rafael. "Ressonância"; Brasil Escola. Disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/fisica/ressonancia.htm>. Acesso em 20 de out. de 2021. DA SILVA, Domiciano. “Tubos Sonoros”; Mundo Educação. Disponível em: <https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/tubos-sonoros.htm>. Acesso em: 20 de out. de 2021. “Tubos sonoros”; Só Física. Vituous Tecnologia da Informação, 2008-2021. Disponível em: <https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos.php>. Acesso em: 20 de out. de 2021. RODRÍGUEZ, Pedro. “Ressonancia Tubo”. Youtube. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=AxtVGqGETOM. Acesso em: 20 de out. de 2021. CASTRO, G. S; DIAS, N. L. “Ressonância com uma Cavidade com Ar”. Laboratório Virtual de Física da Universidade Federal do Ceará. Disponível em: <www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/ressonancia-com-uma-cavidade-com-ar>. Acesso em: 21 de out. de 2021. https://drive.google.com/file/d/1u2PhfDY2QbqMyGLYWejWCSLNNFf_hsYP/view https://brasilescola.uol.com.br/fisica/ressonancia.htm https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/tubos-sonoros.htm https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos.php https://www.youtube.com/watch?v=AxtVGqGETOM http://www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/ressonancia-com-uma-cavidade-com-ar
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