PRÁTICA 7- VELOCIDADE DO SOM

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
LABORATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA
SEMESTRE 2023.1
PRÁTICA 7: VELOCIDADE DO SOM
ALUNO: Ingride Silva de Sousa
MATRÍCULA: 542571
CURSO: Engenharia de Petróleo
TURMA: 18
PROFESSOR: Afonso Moura
Fortaleza - Ce
1 - OBJETIVOS
- Determinação da velocidade do som no ar como uma aplicação de ressonância.
- Determinação da frequência de um diapasão.
2 - MATERIAL
- Cano de PVC com êmbolo;
- Celular com o aplicativo “Gerador de Freqüência”, que pode ser obtido em: para Android:
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.boedec.hoel.frequencygenerator&hl=pt_B
R, Para IOS: https://apps.apple.com/app/id1561496708
- Diapasão de frequência desconhecida;
- Martelo de borracha;
- Termômetro digital;
- Paquímetro;
- Trena.
3 - PROCEDIMENTO.
Toda corda, todo fio de ar, ou em geral cada objeto tem uma ou mais frequências
naturais de vibração, ou seja, frequências que vibram mais facilmente, ou seja, fazem melhor
uso da energia que recebe. Com esta propriedade, se um objeto está em repouso e uma onda
com frequência igual a uma de suas frequências naturais de vibração o atinge, o objeto
também passa a vibrar na frequência considerada. Diz-se então que ressoa com a onda
recebida. Portanto, um objeto pode melhorar o som que ressoa com ele. As condições de
ressonância são encontradas em mecânica, óptica, física atômica e nuclear. Em todos os
casos, quando o sistema está em ressonância, ele absorve a maior parte da energia da fonte e,
quando não está em ressonância, absorve relativamente menos energia. É chamado de tubo de
som: qualquer massa de ar, geralmente confinada por uma superfície cilíndrica fechada, que,
quando ajustada para vibrar, produz um efeito sonoro.
Segundo a página web
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos.php : “Assim como as
cordas ou molas, o ar ou gás contido dentro de um tubo pode vibrar com frequências
sonoras. Este é o princípio que constitui instrumentos musicais como a flauta, corneta,
clarinete, etc. que são construídos basicamente
por tubos sonoros.” Esses tubos sonoros
possuem ou podem possuir duas extremidades
abertas ou fechadas, como na imagem a seguir
Figura 3.1 e Figura 3.2.
Figura 3.1 - Representação de ondas
estacionárias em tubos sonoros: com duas
extremidades abertas.
2
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.boedec.hoel.frequencygenerator&hl=pt_BR
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.boedec.hoel.frequencygenerator&hl=pt_BR
https://apps.apple.com/app/id1561496708
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos.php
Fonte: https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos.php Acesso
em 31 de maio de 2023.
Figura 3.2 - Representação de ondas estacionárias em tubos sonoros: com duas extremidades
fechadas.
Fonte: https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos2.php . Acesso em
31 de maio de 2023.
Quando o som é produzido no bocal e a frequência é alterada, há um momento em
que a coluna de ar entra em ressonância, potencializando o som produzido. As ondas sonoras
que entram no tubo e as ondas sonoras refletidas nas extremidades (mesmo nas extremidades
abertas) criam ondas estacionárias. A Figura 3.3 mostra as ondas estacionárias para os três
primeiros modos de ressonância para cada configuração de tubo de som. Observe a formação
de nós de deslocamento (pontos fixos - onde existe interferência destrutiva) e antinodos
(pontos de deslocamento máximo, onde existe interferência construtiva). Na ressonância, há
sempre um nó de deslocamento na extremidade fechada e um antinodo na extremidade
aberta. Figura 3.3 indica os nós e os ventres em um tubo sonoro com uma extremidade
fechada.
Figura 3.3 - Representação de uma onda estacionária, mostrando os nós e os ventres.
Fonte: produzido pelo autor do “Roteiro - prática 7” disponível pelo classroom turma 29
acesso dia 31 de maio de 2023.
Podemos usar a ressonância para medir a velocidade do som no ar. Por esta razão, em
um tubo fechado em uma extremidade, o comprimento da coluna de ar é diferente, Figura
3.3. Em nosso laboratório utilizamos tubos de PVC, Figura 3.4, onde o comprimento da
3
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos.php
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Acustica/tubos2.php
coluna de ar pode ser alterado movendo o êmbolo localizado em seu interior. Na Figura 3.5,
mostramos um diagrama esquemático do dispositivo da Figura 3.4, mostrando o pistão por
dentro.
Figura 3.4 - Fotografia do equipamento utilizado em nosso laboratório para a
determinação da velocidade do som no ar; na extremidade aberta está posicionado um celular
como fonte sonora.
Fonte: produzido pelo autor do “Roteiro - prática 7” disponível pelo classroom turma 29.
acesso dia 31 de maio de 2023.
Figura 3.5 - Representação do equipamento da Figura 3.4 mostrando o êmbolo no seu
interior.
Fonte: produzido pelo autor do “Roteiro - prática 7” disponível pelo classroom turma 29,
acesso dia 31 de maio de 2023.
O primeiro procedimento foi a determinação da velocidade do som no ar. Baixamos o
app “Gerador de Frequência” nos nossos celulares, após ajustamos a frequência em 500Hz no
Gerador de frequência. Colocamos o alto-falante do celular próximo da boca do cano de
PVC, em 1,0 cm de distância. Mantendo o celular soando na boca do cano, movimentamos o
êmbolo de modo a aumentar o comprimento da coluna de ar no cano. No procedimento
ficamos atentos na intensidade do som, pois ele aumenta em uma certa largura dentro do
cano. Quando a intensidade atingir uma sonorização máxima medimos o comprimento que de
h1 seria medir diretamente na cavidade dentro do cano, para poder saber quantos cm teria
ido. Assim dá continuidade obtendo após h2 e h3. Cada um da equipe fez a medida.
Tabela 4.1 - Medidas realizadas pelo estudante 1.
h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm)
16,4 cm 50,0 cm 84,0 cm
fonte: o próprio autor.
Tabela 4.2 - Medidas realizadas pelo estudante 2.
h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm)
16,1 cm 50,5 cm 85,5 cm
fonte: o próprio autor.
4
Tabela 4.3 - Medidas realizadas pelo estudante 3.
h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm)
16,3 cm 51,2 cm 83,5 cm
fonte: o próprio autor.
Logo após de cada tabela mostrada anteriormente (tabela 4.1, tabela 4.2 e tabela 4.3),
iremos juntar em uma só e fazer a média para cada comprimento da cavidade na tabela 4.4.
Tabela 4.4 - Medidas individuais e valores médios dos comprimentos das cavidades.
Estudante 1 Estudante 2 Estudante 3 Média (cm)
h1 (cm) 16,4 cm 16,1 cm 16,3 cm 16,3 cm
h2 (cm) 50,0 cm 50,5 cm 51,2 cm 50,6 cm
h3 (cm) 84,0 cm 85,5 cm 83,5 cm 84,3 cm
fonte: o próprio autor.
Temperatura ambiente: tA = 23,8 ºC. Medimos o comprimento máximo que a coluna
de ar pode ter no cano utilizado: hmax = 110,8 cm e medimos com um paquímetro, o diâmetro
interno do cano: dint = 47,45 mm
No segundo procedimento determinamos a frequência de um diapasão. Que foi
basicamente a mesma coisa do procedimento anterior, apenas substituindo o celular pelo o
diapasão e anotamos as medidas de cada aluno na tabela 4.5, e colocamos a média de cada
medida.
Tabela 4.5 - Medidas individuais e valores médios para o diapasão.
Estudante 1 Estudante 2 Estudante 3 Média (cm)
h1 (cm) 19,0 cm 18,6 cm 19,2 cm 18,9 cm
h2 (cm) 57,7 cm 57,5 cm 56,6 cm 57,3 cm
h3 (cm) 96,2 cm 97,5 cm 96,9 cm 96,8 cm
fonte: o próprio autor.
5. QUESTIONÁRIO
1- Determine a velocidade do som:
V (m/s)
A partir dos valores médios de h1 e h2 343 m/s
A partir dos valores médios de h2 e h3 337 m/s
Valor médio 340 m/s
R=
V=2(h2-h1)f
V=2(50,6-16,3)f
V=2(34,3)500
V=343m/s
5
———————————
V=2(h2-h3)f
V=2(84,3-50,6)f
V=2(33,7)500
V=337 m/s
2- Calcule a velocidade teórica do som no ar, utilizando a equação termodinâmica:
R=
V = 331+ T em m/s
2
3
V = 331+ 23,8
2
3
V = 331+15,8
V = 346,8 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).
Erroa =valor teórico-valor médio
Erroa = 346,8-343,0
Erroa= 3,8
Error=
3,8
346,8
Error= 0,011
Error= 0,11%
4- Quais as causas prováveis dos erros cometidos na determinação experimental da
velocidade do som nesta prática?
R= A percepção do operador quanto à intensidade do som ao identificar a ressonância ao
movimentar o êmbolo, a paralaxe ao medir a profundidade do cano ao êmbolo e até mesmo o
fato do êmbolo poder se mover podem interferir na medição. Há também a distração de
outros sons do ambiente, então é difícil praticar no começo.
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.
R= considerando que a velocidade do som teórica é 34681 cm /s e de h3 = 84,3 cm temos
que:
34681 = 2 * (h4 - 84,3) * 500 h4 = 118,9 cm→
34681 = 2 * (h5 - 118,9 ) * 500 h5 = 153,6 cm→
A cerca de 118,9 cm a 153,6 cm, esses valores não poderiam ser observados pois o
comprimento do cano em questão seria de 110,8 cm.
6- Qual a frequência do diapasão fornecido? Utilize a velocidade do som calculada na
questão 2.
Sabendo-se que a velocidade do som teórica, segundo a questão 2, para uma
temperatura de 23,8℃ é 34681 cm /s, tem-se que:
34681 = 2*(h2 - h1)*f1 e 34681 = 2*( h3 e h2)*f2
logo:
34681 = 2*(57,3-18,9)*f1 451,57 Hz→
34681 = 2*(96,8-57,3)*f2 439,00 Hz→
então:
f = 445,28 Hz 𝑓1+𝑓22 =
451,57+439,00
2 =
7- Quais seriam os valores de h1, h2 e h3 se o diapasão tivesse a frequência de 880 Hz?
6
(não considerar a correção de extremidade)
V= 4 (h1 )880
343,0 = 4(h1)880
h1= 343,03,520
0,097 mℎ1 = 
Dev = 2(h2-h1).f, temos
= 0,389 = 2.h2 2*0,097343,0880 →
h2=(0,389+0,194)/2= 0,583/2 = h2 = 0,292 m ou 29,2 cm.
h2= 0,292 m e h3 = 0,486 m
De v = 2(h3 - h2)*f temos:
(0,389 - 2*0,292)/2 = h3 = 0,486 ou 48,6 cm
Figura 7.4 – Tubo com água e diapasão, para as questões 8, 9 e 10 a seguir.
fonte: o autor do relatório “PRÁTICA 7: VELOCIDADE DO SOM”
8- Na extremidade aberta do tubo da Figura 7.4 é colocado um diapasão que emite um
som puro (frequência 1705 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: 5,0 cm, 15,0 cm e 25,0 cm.
Determine o comprimento de onda do som emitido pelo diapasão. Desconsidere a
correção de extremidade.
R= Frequência ( f ) = 1705 Hz
h1 = 5,0 cm → 0, 05 𝑚
h2 = 15,0 cm h3 = 25,0 cm→ 0, 15 𝑚 → 0, 25 𝑚
R= = = = 0,2 m 20 cmλ = 𝑣𝑓
341
1705 λ
9- Determine a velocidade do som no ar com os dados da questão anterior.
V=2(h2-h1)f
V = 2*(15,0-5,0)*1705
V = 2*10*1705
V = 341 m/s
10- Determine a temperatura do ar considerando a velocidade do som obtido na questão
anterior e considerando a equação termodinâmica para a velocidade do som em função
da temperatura (questão 2).
7
R=
V = 331+ T
2
3
341-331 = *T23
10 = *T =23
T = = 15 T = 15°C102
3
→
6. CONCLUSÃO.
Concluímos que através da experimentação, o efeito da ressonância pode ser
visualizado na prática quando o som emitido é consistente com a frequência do meio de
propagação. A prática também permite usar as propriedades teóricas do som para determinar
sua velocidade usando o sistema experimental utilizado. Sua confiabilidade foi testada
comparando os valores obtidos na prática com os obtidos na teoria, e os resultados se
mostraram aceitáveis. Ainda nesse sentido, são verificados possíveis erros de medição
causados por fatores externos interferentes, como ruídos do local onde o teste é realizado.
7. REFERÊNCIAS.
DE SOUSA, Ingride Silva. Prática 07 - Velocidade do som Classrom - Google, 26 set. 2022.
Disponível em:
https://drive.google.com/file/d/1b2vw_TZwPpMqmmO8AQYhw_3xgEjdc9tJ/view?usp=shar
e_link. Acesso em: dia 31 de maio de 2023
8
https://drive.google.com/file/d/1b2vw_TZwPpMqmmO8AQYhw_3xgEjdc9tJ/view?usp=share_link
https://drive.google.com/file/d/1b2vw_TZwPpMqmmO8AQYhw_3xgEjdc9tJ/view?usp=share_link