INFORME DEL LABORATORIO: VELOCIDAD DEL SONIDO CON PHYPHOX Integrantes: Juan José Rodríguez Romero Maria del mar Calderón Sánchez Samuel González Bastos Jarín Padilla Flórez Asignatura: Física Docente: Luis Eduardo Arenas Villamizar Neiva / Huila I.E INEM Julián Motta Salas Profundización – Ciencias Naturales 25-06-2024 TABLA DE CONTENIDOS 1. Resumen 2. Revisión de literatura - Frecuencia - Longitud de onda - Velocidad del sonido - Resonancia 3. Procedimientos 3.1 Análisis del sonido generado en copas de vidrio 3.2 Velocidad del sonido utilizando cronometro acústico 3.3 Velocidad del sonido con tubo de PVC 4. Resultados 4.1 Análisis del sonido generado en copas de vidrio 4.2 Velocidad del sonido utilizando cronometro acústico 4.3 Velocidad del sonido con tubo de PVC 5. Conclusiones 6. Bibliografías 1. Resumen Esta práctica de laboratorio se realizó con la finalidad de conocer las formas de llegar a obtener valores aproximados a la velocidad del sonido mediante diferentes experimentos y con ayuda de herramientas tales como diferentes tipos de simuladores o en este caso aplicaciones para celulares como el PhyPhox 2. Revisión de literatura Frecuencia: es el número de veces que se repite un fenómeno de tipo periódico en una unidad de tiempo. Es denominado con la letras “f”. Longitud de onda: es la distancia que hay entre dos crestas consecutivas de una onda. Es representada con la letras griega lambda “”. Velocidad del sonido: es la velocidad a la cual se transmiten las ondas de audio en un determinado medio. En un medio como el aire a 20° y una atm de presión toma un valor de 343 m/s (1235,5 km/h). Resonancia: Un fenómeno que ocurre cuando se envía una vibración a un objeto con la misma frecuencia que su frecuencia natural. Símbolos: - Vs: velocidad del sonido - l: longitud de onda (lambda) - f: frecuencia - L: distancia 3. Procedimiento 3.1 Análisis del sonido generado en copas de vidrio Para llevar a cabo este experimento se utilizaron diferentes copas de vidrios de diferentes tamaño, las cuales fueron llenadas con un poco de agua, en estas se froto el dedo humedecido en el borde de cada una de las copas para generar la resonancia de las copas de cristal, posteriormente se analizó cuáles son las características de este sonido generado. Para esta segunda parte se observó el sonido generado en una copa de cristal con diferentes niveles de agua en su interior, hiendo desde 0 cm hasta 10 cm aumentando de uno en uno, posteriormente se analizó el sonido generado para cada nivel de sonido. Por último para esta parte se utilizaron diferentes copas de diferentes tamaños, en las cuales se realizó el procedimiento mencionado anterior, y se analizó la diferencia entre el sonido generado en cada copa. 3.2 Velocidad del sonido utilizando cronometro acústico Para este segundo experimento se ubicó a dos integrantes del equipo a una distancia mínima de 6 metros. Posteriormente se ira a la aplicación de PhyPhox en la cual iremos al apartado de cronometro acústico. Antes de iniciar el experimento cada celular fue ajustado con un umbral en el cual nos permite que se escuche únicamente la palmada de cada participante. Uno de los miembros del equipo inicia el experimento dando una palmada. El otro miembro al escuchar la palmada respondía inmediatamente con otra. Este procedimiento se repitió por lo menos cinco veces para minimizar errores. Los tiempos registrados entre la emisión de la palmada y la respuesta se utilizaron para calcular la velocidad del sonido. Este método permite determinar la velocidad del sonido en el aire utilizando el tiempo transcurrido y la distancia conocida entre las dos personas, es decir, de 6 metros. 3.3 Velocidad del sonido con tubo de PVC Para este tercer y último experimento, se requirió un tubo de PVC a el cual se le adiciono una cinta métrica para conocer su longitud. Este será introducido en un recipiente con agua, para poder cubrir completamente la longitud del tubo y realizar correctamente el experimento se decidió realizarlo en la alberca de la casa de uno de los miembros del equipo. Para este experimento se hará uso del apartado “generador de tonos” de la app PhyPhox, con el cual iremos variando secuencialmente la frecuencia que se hará sonar en el tubo de PVC. El tubo será introducido totalmente en la alberca y pondremos la bocina de un celular con el PhyPhox activado, en la pequeña parte que sobresale, posteriormente iremos sacando el tubo e iremos anotando la distancia que hay entre el principio del tubo y el lugar en el que el sonido generado se amplifica. Este procedimiento se repetirá para diferentes frecuencias y con ayuda de las ecuaciones: - Vs = l * f - l = 4L - l = 4L/3 - l = 4L/5 Se hallará la velocidad del sonido. 4. Resultados ¿Cuáles son los tres sonidos que considera más agradables en su vida? Aquellos sonidos que nosotros percibimos como agradables son el canto de algunas aves, el murmullo de las corrientes de agua y el sonido de la lluvia. Estos sonidos, al ser de bajo volumen y poseer una melodía natural, generan una sensación de tranquilidad y calma que ayuda a relajar nuestro cuerpo y mente. ¿Cuáles sonidos son desagradables?, ¿Por qué lo son? Los sonidos más desagradables son la música a volumen alto y el timbre escolar. Ambos superan el nivel de tolerancia auditiva para los seres humanos. La campana escolar, en particular, posee un tono alto y repetitivo que resulta extremadamente molesto. Este sonido interrumpe bruscamente la concentración y genera una sensación de incomodidad. Por otro lado, la música a volumen elevado, especialmente cuando proviene de altavoces potentes, puede ser igualmente perturbadora. Ya que puede llegar a causar daño auditivo a largo plazo. La exposición constante a niveles de sonido tan altos nos llega a aturdir. ¿Existen diferencias en los sonidos emitidos por fuentes de la misma naturaleza?, ¿Cuáles? Si existen diferencias en sonidos generados por la misma fuente, estás radican en la frecuencia, la duración, la amplitud, el timbre, el material el cual esta generando el sonido y el medio por el cual se esta propagando. Estas características típicas de las ondas sonoras son aquellas que hacen que los sonidos varíen entre si a pesar de ser producidos por la misma fuente. Tenemos como ejemplo las voces humanas o también instrumentos musicales del mismo tipo, tales como una guitarra eléctrica y una guitarra acústica, etc. Suponga que es un privilegiado pasajero en un viaje espacial y desde algún punto de su trayectoria, entre la Tierra y Marte, observa un gran destello de luz ocasionado por el choque entre dos asteroides. ¿Podrá escuchar algún sonido relacionado con el impacto?, ¿Por qué? A pesar de que parezca que un choque entre dos asteroides produciría una gran explosión y por ende un fuerte sonido, lo que sucedería realmente es que no escucharíamos nada ya que en el espacio vacío no hay un medio por el cual las ondas de sonido se propaguen para que puedan llegar hacia nosotros, 4.1 Análisis del sonido generado en copas de vidrio ¿Varía el sonido producido por copas de diferentes tamaños y formas?, ¿Cómo? Las copas más grandes tienden a producir tonos más bajos debido a que tienen una cavidad más grande para que las ondas sonoras resoné. Las copas más pequeñas producirán tonos más altos porque tienen menos espacio para la resonancia. ¿Qué cambios presenta el sonido producido? A medida que vamos aumentando el volumen del agua en un centímetro cubico, a un centímetro cubico, consecutivamente, hasta que el líquido de la copa rebase el vaso, podemos observar y escuchar cómo es que cambia la distorsión del sonido, y podemos apreciar que cada que este aumenta, el volumen va disminuyendo y a su vez, se trastorna a un sonido más grave. Es decir que las ondas producidas al momento de producir la resonancia de la copa de vidrio presentan una amplitud y frecuencia menores a las ondas producidas anteriormente con niveles de agua inferiores. 4.2 Velocidad del sonido utilizando cronometro acústico Los resultados obtenidos en este 2 experimentos fueron documentados en tablas para un mejor entendimiento y organización. 1 Tiempo 1 (s) 0.468 Tiempo 2 (s) 0.433 2 0.382 0.348 3 0.317 0.282 4 0.316 0.293 5 0.360 0.322 Repetición En esta tabla se muestra cuáles fueron los tiempos obtenidos para cada repetición cada uno de los observadores ( tiempo 1, tiempo 2). Con estos cálculos se realizó el promedio de los tiempos obtenidos por el observador 1 y el promedio de los tiempos obtenidos por el observador 2, posteriormente se realizó la resta entre estos dos promedio para hallar la diferencia del tiempo la cual sería utilizada para determinar la velocidad del sonido. Promedio tiempos observador 1 Promedio tiempos observador 2 Promedio 1 - promedio 2 0,368s 0,335s 0,033s ¿Cómo determina la velocidad del sonido? Para hallar la velocidad del sonido requerimos de la formula ΔtA = ΔtB + 2Δtd , en la que ΔtA representa el tiempo obtenido por el observador A, ΔtB representa el tiempo obtenido por el observador B y Δtd representa el desfase entre el tiempo A y el tiempo B. De esta fórmula aislaremos Δtd ya que será este valor el que utilizaremos para hallar la velocidad del sonido; quedaría de esta forma: ∆𝐭 𝐝 = ∆𝐭 𝐀 − ∆𝐭 𝐁 𝟐 Gracias al M.R.U sabemos que la velocidad es igual a Vs = d/∆𝐭 𝐝 . En esta ecuación podemos sustituir ∆𝐭 𝐝 por la forma que se halló anteriormente para finalmente hallar la ecuación que se utilizara para hallar la velocidad del sonido. 𝐕𝐬 = 𝐝 𝟐𝐝 = ∆𝐭 𝐀 − ∆𝐭 𝐁 ∆𝐭 𝐀 − ∆𝐭 𝐁 𝟐 Ya con la ecuación hecha se procedió a reemplazar los datos obtenidos en la parte experimental para hallar la velocidad del sonido. 𝐕𝐬 = 𝟐 (𝟔𝐦) 𝟏𝟐𝐦 𝐕𝐬 = 𝐕𝐬 = 𝟑𝟔𝟑, 𝟔𝟑 𝐦/𝐬 𝟎, 𝟑𝟔𝟖𝐬 − 𝟎, 𝟑𝟑𝟓𝐬 𝟎, 𝟎𝟑𝟑𝐬 El valor de la velocidad del sonido obtenido en este segundo experimento es de 363,63 m/s. Tomando como valor de la velocidad del sonido 343 m/s podemos hallar el margen de error. 𝐕𝐚𝐥𝐨𝐫 𝐯𝐞𝐫𝐝𝐚𝐝𝐞𝐫𝐨 − 𝐕𝐚𝐥𝐨𝐫 𝐞𝐱𝐩𝐞𝐫𝐢𝐦𝐞𝐧𝐭𝐚𝐥 (| |) ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝐕𝐚𝐥𝐨𝐫 𝐯𝐞𝐫𝐝𝐚𝐝𝐞𝐫𝐨 343 − 363,63 (| |) ∗ 100 343 −20,63 (| |) ∗ 100 (|−0,0601|) ∗ 100 = 𝟔, 𝟎𝟏% 343 4.3 Velocidad del sonido con tubo de PVC En este último experimento para poder hallar la velocidad del sonido requeríamos con anterioridad conocer la longitud de onda y la frecuencia. La frecuencia es un dato que ya conocemos pero para hallar la longitud de onda debemos conocer la distancia a la cual el sonido se amplifica dentro del tubo. Los resultados obtenidos fueron registrados en la siguiente tabla. Frecuencia (Hz) Longitud (cm) cm --> m = 4L (m) = 4L/3 (m) = 4L/5 (m) Velocidad del sonido (m/s) L = /4 500 15,7 0,157 0,628 - - 314 L = /4 600 12,7 0,127 0,508 - - 304,8 L = /4 700 35,6 0,356 - 0,474 - 331,7 L = /4 800 9,4 0,094 0,376 - - 300,8 8 0,08 27,3 0,273 0,32 0,364 - 7,7 0,077 23,9 0,239 0,308 0,318 - 6,4 0,064 27,9 0,279 0,256 0,372 - 5,5 0,055 20,1 0,201 L = 5/4 34,3 0,343 329,2 L = /4 4,1 0,041 213,2 18,2 0,182 L = 5/4 31,5 0,315 327,6 L = /4 3,7 0,037 207,2 16,6 0,166 28,8 0,288 L = /4 L = 3/4 L = /4 L = 3/4 L = /4 L = 3/4 900 1000 1100 L = /4 L = 3/4 L = 3/4 L = 3/4 L = 5/4 1200 1300 1400 288 327,6 308 318 281,6 409,2 264 0,22 0,164 0,148 0,268 0,242 0,221 0,274 0,252 0,23 321,6 314,6 309,4 322,6 ¿Cómo calcular la velocidad del sonido en el aire? Para hallar la velocidad del sonido debemos reconocer los nodos que producían la vibración de las ondas sonaras en el tubo, es decir, aquellos lugares en el cual el sonido se amplificaba dentro del tubo o aquel en el cual las ondas sonoras se interferían de manera constructiva. Posteriormente si esta zona en la que se amplificaba el sonido era el primer, segundo o tercer nodo se utilizó la respectiva ecuación ( = 4L, = 4L/3, = 4L/5) para cada uno de ellos, hubo valores de frecuencia para los cuales solo se utilizó la primera ecuación ya que para que se presentara los otros nodos se requeriría que el tubo tuviera una longitud mayor, por lo que no se podía hallar la longitud de onda y por ende la velocidad del sonido para aquellos nodos (los espacios vacíos en la tabla se deben a esto). Al hallar la longitud en la cual se encuentra cada nodo, se hará la conversión del valor hallado a metros, ya que estamos midiendo la velocidad del sonido en metros sobre segundos (m/s). Por último, ya con la longitud de onda hallada esta se multiplico con la frecuencia utilizada para cada ocasión para así poder hallar la velocidad del sonido en el aire. Podemos notar como para los valores obtenidos en los cuales se utilizó únicamente la primera ecuación, estos eran medianamente cercanos a la de la velocidad del sonido en el aire real. Pero en aquellos valores en los cuales se utilizo 2 o mas de las ecuaciones podemos observar como el valor obtenido de la velocidad del sonido en el aire va aumentando la proximidad al valor real llegando a ser muy cercano a este. 5. Conclusión El sonido es una forma de onda que se propaga a través de diferentes medios, y su comportamiento puede ser calculado de diversas maneras. Los sonidos pueden variar dependiendo del espacio por donde rebotan las ondas, del objeto que las produzca, y de la distancia que estas ondas recorran. Estos factores influyen en cómo percibimos el sonido, desde el tono más bajo hasta el más alto, así como en la rapidez con la que podemos escucharlo. El sonido también puede percibirse de manera diferente dependiendo de las características de las superficies y los materiales por los que se propaga. La tonalidad del sonido ya sea baja o alta, este se ve influenciada por las propiedades del objeto que lo produce y el entorno en el que viaja. Las superficies pueden reflejar, absorber o dispersar el sonido, alterando su calidad, intensidad y frecuencia. Estas variaciones en la percepción acústica resultan de la interacción del sonido con diferentes texturas, formas y materiales, afectando la forma en que se escucha en distintos contextos. Son todos estos factores mencionados anteriormente los cuales hacen que en los diversos experimentos que existen para medir la velocidad sonora haya varios márgenes de error a los cuales nosotros no fuimos la excepción de estar sujetos a ellos. Sin embargo, a pesar de estos márgenes de error los resultados obtenidos tanto en el experimento del cronometro acústico y del tubo fueron bastantes cercanos a la de la velocidad del sonido real, por lo que podemos decir que los experimentos se realizaron de una manera correcta. 6. Bibliografías http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/ondas/tubos/tubos.ht ml https://phyphox.org/news/experiment-speed-of-sound/ https://es.khanacademy.org/science/ap-physics-1/apmechanical-waves-and-sound/introduction-to-soundwavesap/v/standing-waves-in-tubes-part-2 https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=OakCa7B QVEs https://www.youtube.com/watch?v=R19iYKHNSJo
