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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA SEMESTRE 2020.2 PRÁTICA 08 – VELOCIDADE DO SOM (VIRTUAL) ALUNO: LETÍCIA DIAS BARROSO MATRÍCULA: 496387 CURSO: ENGENHARIA METALÚRGICA TURMA: 17A PROFESSOR: ROGELANDIO FRANCISCO DA COSTA DATA E HORA DA REALIZAÇÃO DA PRÁTICA: 04 / 12 / 2020 ÀS 08:00 h 2 OBJETIVOS - Determinação da velocidade do som no ar como uma aplicação de ressonância; - Determinação de uma frequência desconhecida. MATERIAL - Filme sobre o experimento de ressonância numa coluna de ar em um tubo: https://www.youtube.com/watch?v=AxtVGqGETOM; - Link para uma simulação onde a cavidade ressonante é variada pelo nível da água dentro do cano. É simulado um diapasão com frequência de 440 Hz. Nesta simulação não é considerada a correção de extremidade e a velocidade de 340 m/s corresponde à velocidade do som no ar a uma temperatura de 13,5 oC: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=kv_rezonance& l=pt; - Link para a simulação a ser utilizada nessa prática virtual: https://www.geogebra.org/m/bwzfszvm. INTRODUÇÃO A fonte de qualquer som é um “objeto” vibrando, esses corpos tendem a ter frequências de vibrações naturais. Quando uma força externa é aplicada em uma partícula utilizando-se de uma frequência próxima à sua natural, este tende a receber energia por essa ação, em um fenômeno conhecido como ressonância (HELERBROCK, 2009). Assim, a amplitude da frequência de vibração do objeto tende a aumentar, o que pode comprometer a estrutura do mesmo. Um clássico exemplo seria o desafio de quebrar uma taça ao cantar. Caso a nota musical emitida tenha frequência próxima à natural da taça, ela poderá quebrar-se. O mesmo vale para um cano de PVC, o ar é posto em vibração ao se bater na extremidade aberta com a fechada do tubo. Uma vez perturbado, o ar dentro do tubo vibra com uma certa variedade de frequências, mas só aquelas frequências compatíveis com um sistema de ondas estacionárias persistem. Uma das formas de utilizar a ressonância, é achar a velocidade do som, o que foi realizado no experimento. Para isso, foi utilizado um equipamento constituído de um cano com êmbolo (Fig. 1.1) e foi emitido em sua abertura uma frequência produzida pelo celular. 3 Fig. 1.1. Equipamento utilizado no experimento. ‘ Fonte: Dias, 2020. Roteiros de aulas práticas de Física. Ao mover o êmbolo para trás, aumenta-se o comprimento da coluna de ar a fim de achar o ponto aproximado em que haverá ressonância. O ponto é encontrado quando o som emitido tem seu volume aumentado consideravelmente, ou seja, o ventre da onda produzida (fig. 1.2). Fig. 1.2. Nós e ventres no equipamento. Fonte: Dias, 2020. Roteiros de aulas práticas de Física. Fig. 1.3. O comprimento do primeiro ventre (h1). Abaixo, o segundo ventre (h2) e a distância entre eles. Fonte: Dias, 2020. Roteiros de aulas práticas de Física. De acordo com a figura 1.3, pode-se encontrar a metade do comprimento de onda ao identificar dois ventres se calculado a distância entre eles. Logo, conforme Dias (2020), 4 são válidas as equações descritas abaixo: h2 – h1 = λ 2 (1) onde h2 é o ponto do segundo ventre e h1, do primeiro e λ é o comprimento de onda. Sendo v = λf , pode-se fundir a fórmula anterior e encontrar a equação 2 para determinar a velocidade de propagação do som no ar. v = 2(h2 – h1)f (2) PROCEDIMENTO Para a realização do experimento virtual utilizei a simulação “Ressonância com uma cavidade com ar”, disponível em: <https://www.geogebra.org/m/bwzfszvm.> Na simulação um alto-falante colocado na boca de um cano produz som com frequências precisas (fig. 1.4). Fig. 1.4. Tela inicial da simulação. Fonte: Captura de tela realizada pela autora, em 23 nov. 2020. A frequência escolhida foi no intervalo de 300 Hz à 1000 Hz através de um cursor verde, um cursor vermelho que regula o volume do som (intensidade sonora). E um terceiro cursor, de cor cinza, permitiu-me variar a posição do êmbolo dentro do cano. Quando variamos a posição do êmbolo o som varia de intensidade, chegando a uma intensidade máxima nos pontos para os quais há ressonância. O primeiro procedimento consistiu em determinar as posições de ressonância para a frequência de 460 Hz. De início, regulei o primeiro cursor para a frequência estipulada, logo após, movimentei o cursor cinza, para acionar o êmbolo, na intenção de aumentar o comprimento da coluna de ar do cano (fig. 1.5). Observei os valores no decibelímetro digital e também a intensidade sonora e quando a mesma atingisse um valor máximo, anotava os seus respectivos comprimentos (h1, h2 e h3), em centímetros. Repeti o mesmo https://www.geogebra.org/m/bwzfszvm 5 para o segundo procedimento, modificando apenas a frequência para 580 Hz. Fig. 1.5. Tela da simulação durante o uso. Fonte: Captura de tela realizada pela autora, em 23 nov. 2020. Segue abaixo as tabelas 1.1 e 1.2 que revelam os resultados obtidos. Tabela 1.1. Posições de ressonância para a frequência de 460 Hz. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) 16,5 54,5 92,5 Fonte: Autora, 2020. Tabela 1.2. Posições de ressonância para a frequência de 580 Hz. h1 (cm) h2 (cm) h3 (cm) 13,5 43,0 72,5 Fonte: Autora, 2020. E por fim, com as três opções de frequências desconhecidas, que são elas, Frequência X, Frequência Y e Frequência Z repliquei o mesmo procedimento descrito acima, alterando as alternativas do simulador (fig. 1.6). Na tabela 1.3 abaixo apresenta os dados alcançados, em centímetros. Fig. 1.6. Tela da simulação durante o uso. Fonte: Captura de tela realizada pela autora, em 23 nov. 2020. 6 Tabela 1.3. 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 72,5 100 Frequência Z 15,0 50,0 85,0 Fonte: Autora, 2020. 7 QUESTIONÁRIO 1. Determine a velocidade média do som como indicado na tabela abaixo: Velocidade do Som, V (m/s) 460 HZ 580 HZ A partir dos valores de h1 e h2 350 342 A partir dos valores de h2 e h3 350 342 Valor médio 346 h1 = 1,65 × 10 -1 m; h2 = 5,45 × 10 -1 m; f = 460 Hz v = 2(h2 – h1)f = 2 × [(5,45 – 1,65)10-1] × 460 = 350 m/s h2 = 5,45 × 10 -1 m; h3 = 9,25 × 10 -1 m; f = 460 Hz v = 2(h2 – h1)f = 2 × [(9,25 - 5,45)10-1] × 460 = 350 m/s h1 = 1,35 × 10 -1 m; h2 = 4,30 × 10 -1 m; f = 580 Hz v = 2(h2 – h1)f = 2 × [(4,30 – 1,35)10-1] × 580 = 342 m/s h2 = 4,30 × 10 -1 m; h3 = 7,25 × 10 -1 m; f = 580 Hz v = 2(h2 – h1)f = 2 × [(7,25 - 4,30)10-1] × 580 = 342 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 oC, a velocidade do som aumenta 2/3 m/s). TA = 25 oC V = 331 + 2 3 × 25 = 348 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). EP = ǀ𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙ǀ 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 × 100% EP = ǀ348− 346ǀ 348 × 100% = 0,575% 8 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 (460e 580 Hz) com e sem a CORREÇÃO DE EXTREMIDADE (ver seção 8.3 FUNDAMENTOS). Velocidade do Som, V (m/s) 460 HZ 580 HZ Sem CORREÇÃO DE EXTREMIDADE 304 313 Com CORREÇÃO DE EXTREMIDADE 337 335 5. Quais os valores das frequências desconhecidas? Mostrar os cálculos. Tendo como base a fórmula v = 2(h2 – h1)f , e colocando f em evidencia, temos, f = 𝑣 2(h2 – h1) e considerando a velocidade como o valor médio obtido na questão 1, onde v = 346 m/s. Logo, para a Frequência X: h1 = 1,00 × 10 -1 m; h2 = 3,30 × 10 -1 m fX = 346 2[(3,30 – 1,00)× 10−1 ] = 752 Hz; Frequência Y: h1 = 2,30 × 10 -1 m; h2 = 7,25 × 10 -1 m fY = 346 2[(7,25– 2,30)× 10−1 ] = 349 Hz; Frequência Z: h1 = 1,50 × 10 -1 m; h2 = 5,00 × 10 -1 m fZ = 346 2[(5,00 – 1,50)× 10−1 ] = 494 Hz. 6. Nesta prática, foram observadas “experimentalmente” três posições de máximos de intensidade sonora para as frequências de 460 Hz e 580 Hz. Calcule as posições v = λf vSC = 4 × h1 × f vcc = 4 × [(0,6R) + h1]f vSC = 4 × (1,65 × 10-1) × 460 = 304 m/s vcc = 4[(0,6×0,03) + 1,65× 10-1]460 = 337 m/s vSC = 4 × (1,35 × 10-1)× 580 = 313 m/s vcc = 4[(0,6×0,03) + 1,35× 10-1]580 = 355 m/s 9 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. Somando os valores de h1, h2 e h3 e dividindo o resultado por 3, encontramos o valor médio da distancia entre os pontos de máximo. Para a frequência de 460 Hz, temos: (ℎ1+ℎ2+ℎ3) 3 = (16,5 +54,5 +92,5) 3 = 163,5 3 = 54,5 cm; Quarto máximo: 92,5 + 54,5 = 147 cm. Quinto máximo: 147 + 54,5 = 201,5 cm. Para a frequência de 580 Hz, temos que: (ℎ1+ℎ2+ℎ3) 3 = (13,5 + 43,0 + 72,5) 3 = 129 3 = 43 cm; Quarto máximo: 72,5 + 43 = 115,5 cm. Quinto máximo: 115,5 + 43 = 158,5 cm. Dessa forma, não será possível, pois o comprimento máximo do cano é 100 cm, assim, o próximo máximo de intensidade sonora fica após isso, não tendo como alcançar o quarto ou quinto ponto de intensidade máxima. Porém, caso não houvesse esse limite de tamanho do cano, haveria sim a possibilidade de se obter novos máximos de intensidade. 7. Quais seriam os valores de h1, h2 e h3 se o som tivesse a frequência de 880 Hz? (Não considerar a correção de extremidade). v = 2 × (h2 – h1) × f h1 = λ 4 v = 4 × h1 × f h1 = v 4𝑓 h1 = 346 4×880 = h1 = 346 3520 = h1 = 0,0983 m ou 9,83 cm v = 2 × (h2 – h1) × f 346 = 2(h2 – 0,0983)×880 346 = 1760h2 – 173 1760h2 = 346 + 173 h2 = 519 1760 = 0,295 m ou 29,5 cm v = 2 × (h3 – h2) × f 346 = 2(h3 – 0,295) × 880 346 = 1760h3 – 519 1760h3 = 346 + 519 h3 = 865 1760 = 0,492 m ou 49,2 cm 10 CONCLUSÃO Durante o experimento, tive oportunidade de conhecer mais sobre os efeitos da ressonância de ondas em tubos fechados e observar o comportamento do som dentro do cano de PVC pelo vídeo fornecido, observa-se ainda que, ao golpear o diapasão e, de forma simultânea, puxar o êmbolo, a onda emitida pelo choque entre o martelo e o diapasão é refletida pelo cano e torna-se audível ao ouvido humano. Foram encontrados 3 harmônicos no tubo, no qual a interferência era construtiva, chegando a uma amplitude máxima em cada ponto. Não foi possível obter mais harmônicos por limitações do instrumento de medição, o máximo que se conseguiu encontrar foram 3 harmônicos. Nota-se, ainda, que a velocidade do som varia conforme a temperatura do ambiente, podendo ser determinada de várias formas, como descrito na equação 1, v = 2(h2 – h1)f ou v = 4 h1 f, utilizada na sétima questão, tendo como base a fórmula original v = λf. Após feito todo o procedimento proposto para esta prática e realizados os cálculos, foi possível determinar a velocidade do som no ar e as frequências desconhecidas, fazendo com que os objetivos do experimento fossem alcançados com sucesso. No mais, a prática foi bastante importante para relembrar dos conceitos de ressonância e da sua importância para a área em que estamos inseridos. 11 REFERÊNCIAS DIAS, Nildo. Roteiro de aulas práticas de Física. Ceará: Universidade Federal do Ceará, 2020. 114 p. HELERBROCK, Rafael. Ressonância. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/ressonancia.htm. Acesso em: 23 nov. 2020.
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