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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL BÁSICA SEMESTRE 2022.1 PRÁTICA 09 - VELOCIDADE DO SOM ALUNO (A): SILMARA DE FÁTIMA SILVA CAVALCANTE MATRÍCULA: 535588 CURSO: ENGENHARIA DE ALIMENTOS TURMA: 02 PROFESSOR: LUCAS SARAIVA DATA E HORA DA REALIZAÇÃO DA PRÁTICA: 21/06/2022 ÀS 16:00h Luis Eduardo Bino Souza Nota = 10,0 pontos. Excelente relatório. Luis Eduardo Bino Souza Capa- tudo ok - 1,0 ponto 2 1 OBJETIVOS - Determinação da velocidade do som no ar como uma aplicação de ressonância. - Determinação da freqüência de um diapasão. 2 MATERIAL - Cano de PVC com êmbolo; - Celular com o aplicativo “Gerador de Freqüência”, que pode ser obtido em: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.boedec.hoel.frequencygenerator&hl=pt_B R - Diapasão de freqüência desconhecida; - Martelo de borracha; - Termômetro digital; - Paquímetro; - Trena. 3 INTRODUÇÃO Quando se fala da velocidade do som, trata-se da velocidade de uma onda. O som é uma onda que tem características de natureza mecânica, ou seja, precisa de um meio para se propagar, sua direção de propagação é longitudinal, nesse tipo de onda, a vibração individual das partículas ocorre na mesma direção de propagação da onda como um todo, ou seja, paralelamente. Logo, a velocidade do som pode ser definida como a velocidade que a perturbação causada pela onda viaja através das suas moléculas. Vale ressaltar que, onda transporta energia e não transporta matéria. Figura 01 – Representação gráfica da Amplitude e do Comprimento de Onda de uma onda. Luis Eduardo Bino Souza 0,5 ponto Luis Eduardo Bino Souza Excelente- 2,0 pontos. Luis Eduardo Bino Souza 0,5 ponto 3 Fonte: Onda: As principais diferenças entre som e luz – Aprova Total. Disponível em: https://blog.aprovatotal.com.br/ondas-luz-som/ Onde λ é o comprimento de onda e A é a amplitude. A velocidade do som pode ser calculada através da freqüência e dos períodos pela fórmula abaixo: 𝑓 = 1 𝑇 A freqüência é uma grandeza escalar correspondente ao número de vezes em que uma onda se repete por unidade de tempo e o período (T) é o tempo da duração de uma oscilação completa. Já que a velocidade é dada por uma variação do deslocamento sobre a variação de um tempo, pode-se fazer uma relação entre o comprimento de onda (λ) e os períodos, através da fórmula abaixo: 𝑣 = λ/T Logo, fazendo uma relação, encontra-se a equação abaixo: 1 𝑇 =λf Para a prática realizada, foi preciso encontrar os nós e “h”, h é a distância de um nó à outro, representado pelo esquema abaixo: Figura 02 – Representação gráfica dos ventres e nós. Fonte: Ondas estacionárias. Disponível em: https://www.colegioweb.com.br/fenomenos-ondulatorios/ondas- estacionarias.html Definiu-se como h1 a distância do nó até o pico, no caso, até o ventre (V1) da corda, já h2 é a distância de V1 até o nó 3. Logo, h1= λ/4 e h2 = λ/2, assim é possível construir a equação da velocidade do som, mostrada abaixo: 𝑣 = 2 (ℎ2 − ℎ1)𝑓 https://blog.aprovatotal.com.br/ondas-luz-som/ https://www.colegioweb.com.br/fenomenos-ondulatorios/ondas-estacionarias.html https://www.colegioweb.com.br/fenomenos-ondulatorios/ondas-estacionarias.html 4 Vale ressaltar que a frequência sempre será um valor dado. A velocidade do som possui uma equação para o cálculo teórico, dada por: 𝑣 = 331 + 2 3 𝑇 Onde T é a temperatura do local onde o som está sendo emitido. 4 PRÉ – LABORATÓRIO Na extremidade do tubo aberto da figura é colocado um diapasão que emite um som puro (frequência 1600 Hz). Abrindo-se a torneira, a água escoa lentamente, sendo que para certos valores de h ocorre um aumento da intensidade sonora que sai do tubo. Alguns desses valores de h, iniciando pelo menor valor, são: 5 cm, 15 cm e 25 cm. Determinar: (a) O comprimento de onda do som emitido pelo diapasão. Como, h2-h1= λ/2 Utilizando os valores: h2 = 15 cm e h1 = 5 cm, tem-se, 15 – 5 = λ/2 λ = 2 × 10 λ= 20 cm (b) A velocidade desse som no ar. Usando a equação: 𝑣 = 2 (ℎ2 − ℎ1)𝑓 Utilizando h2 = 15 cm e h1= 5 cm, tem-se, V = 2 (15 – 5) 1600 V = 20 × 1600 V = 32.000 cm/s = 320 m/s 5 PROCEDIMENTOS Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok. Luis Eduardo Bino Souza Excelente - 1,5 ponto. 5 A primeira parte da prática realizada, iniciou-se com o download do aplicativo “Gerador de Freqüência”, após a instalação, um aluno da equipe ficou responsável por apoiar o celular com a frequência em 660 Hz, frequência solicitada no roteiro da prática, outro membro da equipe ficou responsável em deslocar o êmbolo, a medida em que o êmbolo era deslocado, o som que estava sendo emitido pelo celular ia aumentando até chegar em um pico, quando identificado o pico, era realizada a medição do deslocamento feito pelo êmbolo com o auxílio de uma trena, essa medição foi anotada em tabelas fornecidas no roteiro da prática. Segue as tabelas com os valores das medidas encontradas pelos estudantes: Tabela 9.1 – Medidas realizadas pelo estudante 1. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) 10,5 36,5 62,6 Fonte: Autoral. Tabela 9.2 – Medidas realizadas pelo estudante 2. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) 11,0 36,5 63,0 Fonte: Autoral. Tabela 9.3 – Medidas realizadas pelo estudante 3. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) 10,5 37,0 62,6 Fonte: Autoral. Tabela 9.4 – Medidas individuais e valores médios . Estudante 1 Estudante 2 Estudante 3 Média (cm) h1 (cm) 10,5 11,0 10,5 10,7 h2 (cm) 36,0 36,5 37,0 36,5 h3 (cm) 62,6 63,0 62,6 62,7 Fonte: Autoral. Como pedido no roteiro da prática, foi medido a temperatura do ambiente através de um Termômetro fixado na parede do laboratório de física experimental, a temperatura medida foi 23,5°C (Ta) , também foi medido o comprimento máximo que a coluna de ar pode ter no cano utilizado, que foi 88,5 cm e o diâmetro do cano foi 47,20 mm. Luis Eduardo Bino Souza Não havia necessidade desta informação, uma vez que o relatório deve ser visto como um artigo que você está desenvolvendo. 6 Na segunda parte da prática foi utilizado um diapasão com frequência 440 Hz, foram obtidas as medidas do deslocamento do êmbolo, ou seja, h1 ; h2 e h3 e depois foi realizada uma média aritmética. As medidas foram anotadas na tabela 9.5, fornecida no roteiro da prática. Tabela 9.5 – Valores individuais e valores médios para o diapasão. Estudante 1 Estudante 2 Estudante 3 Média (cm) h1 (cm) 15,0 15,0 15,0 15,0 h2 (cm) 54,5 54,0 54,6 54,4 h3 (cm) 93,6 94,0 93,5 93,7 Fonte: Autoral. Na realização do segundo procedimento com o diapasão, a equipe sentiu grande dificuldade em obter a localização dos nós, por conta das outras equipes que estavam presentes no laboratório e também por o volume emitido pelo diapasão ser baixo, sendo assim, a obtenção dos resultados foi prejudicada. 6 QUESTIONÁRIO 1 – Determine a velocidade do som: Utilizando valores de h1 e h2, tem-se: V = 2 (h2 - h1) f h2 = 36,5 cm; h1 = 10,7 cm e f = 660 Hz V = 2 (36,5 – 10,7) 660 V = 34.056 cm/s = 340,56 m/s Utilizando valores de h3 e h2, tem-se: h3 = 62,7 cm; h2 = 36,5 cm e f = 660 Hz V = 2 (62,7 – 36,5) 660 V = 34.584 cm/s = 345,84 m/s V (m/s) A partir dos valores médios de h1 e h2 340,56 Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,43 ponto. 7 A partir dos valores médios de h2 e h3 345,84 Valor médio 343,2 Fonte: Autoral. 2- Calcule a velocidade teórica (m/s) do som no ar, utilizando a equação termodinâmica: 𝑣 = 331 + 2 3 𝑇 Colocando a temperatura em °C que estava sala na equação, tem-se: V = 331 + 2/3 × 23,5 V = 346,7 m/s A velocidade teórica do som no laboratório de física experimental foi 346,7 m/s. 3- Calcule o erro percentual entre o valor da velocidade de propagação do som no ar obtido experimentalmente (questão 1) e o calculado teoricamente (questão 2). 345,84 m/s ----- 100%346,70 m/s ----- x 345,84 x = 34.670 x = 100,25 % Calculando o erro: 100% - 100,25% = 0,25% O erro percentual foi 0,25%. 4- Quais as causas prováveis dos erros cometidos na determinação experimental da velocidade do som nesta prática? O fator humano foi uma das causas prováveis do erro, ou seja, de quem estava analisando os picos, também o barulho causado pelas outras equipes que estavam no laboratório realizando a mesma prática atrapalhou. Em alguns momentos os membros da equipe confundiam os sons que eram emitidos pelas outras equipes com o som do seu próprio experimento. Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,43 ponto. Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,43 ponto. Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,43 ponto. 8 5 - Nesta prática foram observadas experimentalmente três posições de máximos de intensidade sonora. Calcule as posições esperadas para o quarto e o quinto máximos de intensidade sonora. Esses máximos poderiam ser observados com o material utilizado nesta experiência? Justifique. Como a distância entre os nós sempre será a mesma, pode-se deduzir o h4 e h5. h2= 36,5cm e h1 = 10,7 cm, assim, pode-se calcular a variação: h2 - h1 = 36,5 – 10,7 = 25,8 cm Calculando a variação de h2 para h3: h3 = 63,7 cm h3 - h2 = 63,7 – 36,5 = 27,2 cm Fazendo uma média aritmética para um resultado mais fiel: M = 25,8 + 27,2/2 = 26,5 cm Logo, h4= 62,7 cm + 26,5 cm = 89,2 cm h5 = 89,2 cm + 26,5 cm = 115,0 cm Esses máximos não foram possíveis observar na prática pois o material disponibilizado não era adequado. O sistema com o cano e o êmbolo tinha o comprimento máximo de 88,5 cm, logo, seria inviável encontrar h4 e h5. 6- Qual a freqüência do diapasão fornecido? Como já se sabe a velocidade do som no laboratório de física experimental 343,2 m/s, pode-se utilizar a fórmula: 𝑣 = 2(ℎ1 − ℎ2)𝑓 h1 = 0,15 m; h2 = 0,544 m; V = 343,2 m/s 343,2 = 2 (0,544 – 0,15) f 0,788f = 343,2 f = 435,5 Hz Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,43 ponto. Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,43 ponto. 9 7- Quais seriam os valores de h1, h2 e h3 se o diapasão tivesse a frequência de 500 Hz? (não considerar a correção de extremidade). Utilizando a fórmula V = λ×f para descobrir o comprimento de onda e considerando a velocidade teórica, tem-se: 346,7 = λ × 500 λ = 0,6934 m Logo, é possível fazer a substituição para encontrar h1, h2 e h3 h1= λ/4 h1 = 0,6934/4 = 0,17335 m = 17,335 cm h2 = (λ/4) + h1 h2 = (0,6934/4)+0,17335 h2 = 0,3467 m = 34,67 cm. h3 = (λ/4) + h2 h3 = (0,6934/4)+0,3467 h3 = 0,52005 m = 52,005 cm. 7 CONCLUSÃO Após a realização da prática e da análise das tabelas para a resolução do questionário, entende- se que foram obtidos bons resultados, tendo em vista que, o erro calculado na questão 3 foi 0,25%, observando a porcentagem, percebe-se que o erro foi quase nulo e que a frequência encontrada do diapasão foi 435,5 Hz, ou seja, bem próxima da frequência real do diapasão fornecido que era 440 Hz, nota-se que deu um erro abaixo de 10%. Por essa razão, considera- se que a equipe fez um bom trabalho . Como já foi comentado na resolução da questão 4, os possíveis erros foram causados pelo fator humano, ou seja, de quem estava analisando os picos e também do grande barulho causado pelas outras equipes que estavam no laboratório de física experimental. Portanto, pode-se concluir que a distância entre os nós sempre será a mesma e que a velocidade pode ser calculada conhecendo a distância entre os picos. Os valores obtidos deram bem próximos, mas por conta de algum possível erro, o valor foi alterado. Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,43 ponto. Luis Eduardo Bino Souza Excelente - 1,0 ponto 10 8 REFERÊNCIAS “Som e sua propagação" em Só Física. Virtuous Tecnologia da Informação, 2008-2022. Consultado em 27/06/2022 às 20:51. Disponível na Internet em http://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/som.php “Onda: As principais diferenças entre som e luz em Aprova Total, por Denis em 28/06/19. Consultado em 27/06/2022 às 21:05. Disponível na Internet em https://blog.aprovatotal.com.br/ondas-luz-som/ KHAN ACADEMY BRASIL. Velocidade do Som. Youtube. 25 de set 2015. Disponível em: https://youtu.be/_1yNlCSQQb4 Acesso em 27/06/2022 às 19:42. http://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/som.php https://blog.aprovatotal.com.br/ondas-luz-som/ https://youtu.be/_1yNlCSQQb4 Luis Eduardo Bino Souza Tudo ok - 0,5 ponto. 11