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Escuela : Ingeniera Mecatrnica

Curso : Laboratorio de Fsica General

Profesor : Ing. ALVAREZ LOLI Tomas Efrain

Informe Nro. : 07

Tema : Velocidad del sonido

Estudiante : Cruz Cueva Miguel Alonso

Cdigo : 1330456

Fecha del

Experimento : Mircoles 26 de marzo del 2014

Hora : De 14:40 a 16:20

Fecha de entrega

del informe : Mircoles 02 de abril del 2014

Hora : De 14:40 a 16:20

2013-III

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERA ELCTRNICA Y MECATRNICA

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VELOCIDAD DEL SONIDO

1. OBJETIVOS

1.1. Estudiar el fenmeno de la resonancia.

1.2. Determinar la velocidad del sonido en el aire a temperatura

ambiente.

2. EQUIPOS Y MATERIALES

2.1. Un (01) pedestal con bases de plstico o bakelita.

2.2. Dos (02) soportes para un tubo de cristal de una pulgada.

2.3. Un (01) tubo de resonancia de aproximadamente 1 m.

2.4. Un (01) mbolo con un vstago de metal.

2.5. Un (01) diapasn de 1700 Hz.

2.6. Un (01) diapasn de 440 Hz.

2.7. Un (01) diapasn de 407,1 Hz.

2.8. Una (01) baqueta de madera con vstago de madera.

2.9. Un (01) plumn acrlico.

2.10. Una (01) huincha de 16 pulgadas.

2.11. Un (01) termmetro.

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3. FUNDAMENTO TEORICO

SONIDO

Cuando se produce una perturbacin peridica en el aire, se originan

ondas sonoras longitudinales. Por ejemplo, si se golpea un diapasn con

una baqueta de madera, las ramas vibratorias emiten ondaslongitudinales. El odo, que acta como receptor de estas ondas

peridicas, las interpreta como sonido. Entonces el sonido es la vibracin

de un medio elstico, bien sea gaseoso, liquido o slido.

PROPAGACION DEL SONIDO

El sonido es una onda mecnica longitudinal que necesita un medio fsico

para propagarse. El sonido no se propaga en el vaco. Para que el sonido

pueda llegar a nuestros odos necesita un espacio o medio elstico (de

distinta densidad), normalmente suele ser el aire.

Propiedades del aire como medio de propagacin del sonido:

La propagacin es lineal, que quiere decir que diferentes ondas

sonoras (sonidos) pueden propagarse por el mismo espacio al

mismo tiempo sin afectarse mutuamente.

Es un medio no dispersivo, por lo que las ondas se propagan a la

misma velocidad independientemente de su frecuencia o amplitud.

Es tambin un medio homogneo, de manera que el sonido se

propaga esfricamente, es decir, en todas las direcciones,

generando lo que se denomina un campo sonoro.

RESONANCIA

Si mediante una fuente sonora (un diapasn, por ejemplo) producimos

una vibracin de frecuencia conocida cerca del extremo abierto de un tubo

(cerrado por el otro extremo), las ondas que se propagan a travs de la

columna de aire contenida en el tubo se reflejan en sus extremos. Si la

longitud de la columna de aire se ajusta de modo que sea igual a un cuarto

de la longitud de onda del tono emitido por el diapasn, la onda reflejada

llegar al extremo abierto precisamente en fase con la nueva vibracin del

diapasn (en la reflexin en el extremo cerrado se produce un salto de

fase de 180) producindose una intensificacin en el sonido emitido. Estefenmeno es conocido con el nombre de resonancia.

VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE

La velocidad a la cual se propaga el sonido a travs de un medio depende

de la elasticidad de ste. En un material altamente elstico, las fuerzas de

restitucin de los tomos o de las molculas causan que una perturbacin

se propague con ms rapidez. As, la velocidad del sonido es mayor en

slidos que en lquidos y, en estos, superior que en los gases.

La velocidad del sonido depende de la temperatura del medio. A medida

que sta aumenta se incrementa la agitacin trmica molecular. Comoresultado, una perturbacin se propaga con mayor rapidez. As,

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la velocidad del sonido en el aire aumenta con la intensificacin de

temperatura.

La velocidad del sonido en el aire se expresa del siguiente modo:

= (331,46 + 0,6) (1)

Donde:

: velocidad del sonido en el aire medido en metros por segundo.

T: temperatura del aire medida en grados centgrados.

Tabla N 1: velocidad de propagacin del sonido a travs sustancias conocidas, en

funcin de la temperatura.

MEDIO TEMPERATURA

(C )

VELOCIDAD

(m/s)

Aire 0 331,46

Argn 0 319

Dixido de Carbono 0 260,3

Hidrgeno 0 1286

Helio 0 970

Nitrgeno 0 333,64

Oxigeno 0 314,84

Agua destilada 20 1484

Agua de mar 15 1509,7

Mercurio 20 1451

Aluminio 17-25 6400

Vidrio 17-25 5260

Oro 17-25 3240

Hierro 17-25 5930

Plomo 17-25 2400

Plata 17-25 3700

Acero inoxidable 17-25 5740

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Velocidad del sonido en funcin de la frecuencia y longitud de onda:

= (2)

Donde:

: longitud de onda de propagacin medida en metros. : frecuencia medida en Hertz o .

Adems, en nuestra experiencia con diapasn y un tubo con un extremo

abierto y el otro cerrado, la columna de aire entrar en resonancia siempre

que su longitud sea exactamente un mltiplo impar de cuartos de longitud

de onda, esto es:

= (2 1)

(3)

Donde:

L: longitud desde el extremo del tubo hasta donde hay resonancia.

: longitud de onda.

: numero de vientre (n=1, 2, 3, )

Luego, determinado el valor de la longitud de onda (), y conocida la

frecuencia del diapasn ( especificada por el fabricante), podemos

determinar la velocidad del sonido utilizando la expresin (2).

Figura N 1: longitud L para la primera y segunda resonancia respectivamente.

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4. PROCEDIMIENTO

4.1. Una vez armado el sistema (el tubo de vidrio colocado sobre los

soportes), introducimos el mbolo con el vstago hacia el interior

del tubo, tratando de colocar la parte del mbolo al extremo del

tubo (lo ms posible).

4.2. Con la ayuda de la baqueta de madera golpeamos el diapasn en

el extremo del tubo donde se encuentra el mbolo e

instantneamente y por el otro extremo del tubo, con la ayuda de

un hilo jalamos el vstago que est unido al embolo.

4.3. Mientras realizamos el procedimiento anterior (4.2), con la ayuda

del plumn acrlico marcamos longitudes en el tubo donde se

perciba un cambio en el sonido y luego las medimos tomando como

ejemplo la Figura N 1.

4.4. Con las longitudes obtenidas y usando las ecuaciones (2) y (3),

calcular la velocidad de propagacin del sonido. Luego llenar los

valores en la tabla N 2.

Tabla N 2: velocidad del sonido en funcin de la frecuencia y su

longitud de onda.

Frecuencia

(Hz)

N del

mximo

Longitud del

tubo(m)

Longitud de

onda(m)

Velocidad

del sonido(m/s)

1700 1 0,053 0,2120 360,40

1700 2 0,149 0,1987 337,79

1700 3 0,264 0,2112 359,04

440 1 0,204 0,816 359,04

440 2 0,615 0,820 360,08

440 3 1,034 0,8272 363,97

4.5. Como es complicado determinar los puntos de resonancia usando

el diapasn de 407,1 Hz. En este caso mediremos la velocidad del

sonido en funcin de la temperatura medida con ayuda del

termmetro en el laboratorio, usando la expresin (1). Adems

determinar el error relativo entre la velocidad en funcin de la

temperatura y el promedio de las obtenidas en la experiencia.

Llenar en la Tabla N 3.

Tabla N 3: velocidad del sonido en funcin de la temperatura.

Temperatura( C)

Velocidad delsonido

(m/s)

Velocidadexperimental

(m/s)

Error relativoErel (%)

27 347,66 356,72 2,606

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5. CUESTIONARIO

5.1. La gama de frecuencias audibles para la audiencia normal de los

seres humanos empieza en 20 Hz y termina en 18 kHz. Cules

son las longitudes de onda de ondas acsticas en estas

frecuencias a 20C?

Solucin:

Reemplazando la temperatura dato en la expresin (1) 0btenemos

la velocidad del sonido a 20 C.

= (331,46 + 0,620)/ = 343,46 /

De la expresin (2) sabemos: =

Despejando obtenemos: =

(4)

Luego reemplazando valores en la expresin (4):

Para = 20 : =,

= 17,173

Para = 18 : =,

= 1,9081

5.2. La longitud de onda ms corta emitida por un murcilago es de

unos 3.3 mm Cul es la frecuencia correspondiente? Considerar

la velocidad del sonido igual a 343 m/s.

Solucin:

De la expresin (2) despejamos : =

(5)

Reemplazando los datos en la expresin (5) obtendremos la

frecuencia correspondiente a la onda ms corta emitida por un

murcilago.

=343

3.310= 103,94

5.3. El ultrasonido de diagnstico con una frecuencia de 4.5 MHz se

utiliza para examinar tumores en tejido suave. Cul es la longitud

de onda en aire de una onda como sta? Considere la velocidad

del sonido como 343 m/s.

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Solucin:

Reemplazando los datos en la expresin (4) obtendremos la

longitud de onda pedida:

=

343

4,510 = 76,22

5.4. Cmo son de pequeas y de rpidas las variaciones de presin

que causan el sonido?

Respuesta:

Cuando las rpidas variaciones de presin se centran entre 20 Hz

y 20 kHz, el sonido es potencialmente audible aunque las

variaciones de presin puedan ser a veces tan pequeas como la

millonsima parte de un pascal. Los sonidos muy fuertes son

causados por grandes variaciones de presin, por ejemplo unavariacin de 1 pascal se oira como un sonido muy fuerte, siempre

y cuando la mayora de la energa de dicho sonido estuviera

contenida en las frecuencias medias (1kHz - 4 kHz) que es donde

el odo humano es ms sensitivo.

5.5. Investigar Qu es un ruido?

Respuesta:

Un ruido es la sensacin auditiva no deseada correspondiente

generalmente a una variacin aleatoria de la presin a lo largo del

tiempo. Es un sonido complejo, y puede ser caracterizado por la

frecuencia de los sonidos puros que lo componen y por la amplitud

de la presin acstica correspondiente a cada una de esas

frecuencias. Si estas ltimas son muy numerosas, se caracteriza

entonces el ruido por la reparticin de la energa sonora en bandas

de frecuencias contiguas, definiendo lo que se denomina espectro

frecuencial del ruido. El espectro de frecuencias de un ruido vara

aleatoriamente a lo largo del tiempo, a diferencia de otros sonidos

complejos, como los acordes musicales, que siguen una ley de

variacin precisa.

5.6. Por qu la luz es ms rpida que el sonido?

Respuesta:

La luz es una onda electromagntica compuesta de fotones, que

viajan por el aire como ondas o como partculas en el vaco. El

sonido es una onda de presin que debe producir vibraciones para

ser oda, y esto pasa cuando se encuentra con partculas, como las

molculas de aire.

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6. OBSERVACIONES

6.1. Ha sido complicado determinar la posicin exacta donde ocurre

cada mximo o armnico, esto se agrava a medida que la

frecuencia del diapasn es menor, ello explica las distintas

velocidades de propagacin del sonido obtenidas.

6.2. En el experimento no se utiliz el diapasn de 407,1 Hz, dada la

complejidad antes mencionada.

6.3. Al momento de realizar el experimento, el ventilador del laboratorio

se encontraba encendido, lo cual puede haber afectado la

propagacin del sonido.

7. CONCLUSIONES

7.1. Se logr determinar la velocidad del sonido en el aire con un error

relativo de 2,606 % presentado en la Tabla N 3.

7.2. Se comprob el fenmeno de resonancia al percibir un ligero

cambio en la intensidad del sonido de forma gradual.

7.3. La velocidad del sonido vara cuando se producen cambios en la

temperatura. Esto se debe a que un aumento de la temperatura

ocasiona un aumento de la frecuencia con que se producen las

interacciones entre las partculas que transportan la vibracin.

8. RECOMENDACIONES

8.1. Tratar de que el ambiente donde se realiza el experimento

(laboratorio), presente el menor ruido posible.

8.2. Evitar golpear el diapasn en el extremo del tubo de vidrio, para

evitar romperlo.

8.3. Apagar el ventilador si este estuviera funcionando.

8.4. Prestar la suficiente atencin para captar el punto donde ocurren

los armnicos o mximos.

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9. BIBLIOGRAFIA

9.1. http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/rdelgado/docencia/FISIC

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9.2. http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/Videos/VSonido/index2.htm

9.3. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/acustica/sonido/sonido.h

tm#Velocidad%20del%20sonido%20en%20un%20gas

9.4. Chion, Michel (1999), El sonido, Editorial Paids, Barcelona,

Espaa.

9.5. http://www.fisicanet.com.ar/fisica/sonido/ap01_sonido.php

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