GUIA LAB 06 Velocidad del sonido- 2021 PDF

Preview

Summary

ESTE INFORME TE AYUDARA A POR GUIARTE MEJOR EN TU TAREA,, YA QUE ESTE REQUIERE DE MUCHA AYUDA Y ESPERO HABERTE AYUDADO CON ESTE INFORME...

Description

VELOCIDAD DEL SONIDO 1. OBJETIVOS 1.1 Determinar experimentalmente la velocidad del sonido utilizando aplicación virtual. 1.2 Determinar la dependencia de la velocidad del sonido respecto a la temperatura, usando la aplicación virtual

2. FUNDAMENTO TEÓRICO El sonido forma parte del tipo de ondas mecánicas y longitudinales. A medida que las perturbaciones viajan a través del aire llegan al oído e inciden sobre la membrana timpánica haciéndola vibrar de acuerdo a las fases alternadas de condensación y rarefacción (variaciones de presión en el medio). Las vibraciones son recogidas por el más exterior de los huesecillos del oído medio, el martillo o malleus, el cual tiene un proceso (manubrium o manubrio) que contacta con el tímpano. El movimiento del tímpano transmite la vibración al manubrio y al resto del martillo, desde donde pasan (energía sonora) al yunque o incus, y de allí al estribo o stapes. Este último hueso vibra contra una ventana que se abre hacia el oído interno desencadenando el movimiento del fluido que se halla en la cóclea, que es detectado por las estructuras ciliadas y enviado al cerebro en forma de impulsos nerviosos. La capacidad de percibir el sonido es variable para cada especie. Las características del oído humano limitan la percepción del sonido. Sólo las ondas sonoras con frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz desencadenan impulsos nerviosos que el cerebro interpreta como sonido. El intervalo de frecuencias captado se denomina región audible del espectro de frecuencias del sonido. Las frecuencias menores de 20 Hz se encuentran en la región infrasónica. Las ondas en esta región que los humanos no pueden oír, se encuentran en la naturaleza. Las ondas longitudinales generadas por sismos tienen frecuencias infrasónicas. Los elefantes y el ganado tienen respuesta auditiva en la región infrasónica y pueden incluso dar aviso preventivo de sismos y perturbaciones del tiempo. Superando los 20 kHz se encuentra la región ultrasónica . Las ondas ultrasónicas, o ultrasonido, no pueden ser detectadas por los seres humanos, pero pueden serlo por otros animales. La región audible para los perros se extiende a cerca de 45 kHz. Los gatos y murciélagos tienen rangos audibles aún mayores, hasta aproximadamente 70 y 100 kHz respectivamente. En general, la intensidad del sonido está correlacionada con la amplitud de la onda sonora y su tono con la frecuencia o número de ondas por unidad de tiempo. Mientras mayor es la amplitud, más intenso el sonido y mientras mayor es la frecuencia, mas alto es el tono. Sin embargo, además de la frecuencia, el tono está determinado por otros factores aun no comprendidos plenamente. La frecuencia también afecta la intensidad relativa, pues el umbral auditivo es más bajo a unas frecuencias que a otras. La intensidad del sonido se mide por decibelios, 120 decibelios es el máximo que puede soportar el oído humano. Las ondas sonoras que tienen patrones repetidos, aun cuando las ondas individuales sean complejas, son percibidas como sonidos musicales; en cambio las vibraciones aperiódicas no repetidas causan sensación de ruido. La mayoría de los sonidos musicales están compuestos de una onda con una frecuencia primaria que determina el tono del sonido, más cierto número de vibraciones armónicas o sobretonos que dan al sonido su timbre o calidad característica Las ondas sonoras pueden ser estacionarias o viajeras. Las ondas sonoras viajeras tienen diferente velocidad de acuerdo al medio en que se estén propagando . El valor de la velocidad

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

del sonido aumenta con la temperatura y con la altitud. A continuación se muestra una tabla que contiene valores de la velocidad del sonido en algunos medios conocidos. SUSTANCIA Aire (0 ºC)

VELOCIDAD DEL SONIDO (m/s) 331,6

Aire (20 ºC) Hidrógeno (0 ºC)

343,6 1 280

Agua (0 ºC)

1 390

Agua dulce (20 ºC) Agua salada (20 ºC)

1 484 1 500

Cobre (20 ºC)

3 580

Acero (20 ºC) Vidrio (20 ºC)

5 050 5 200

La Figura 1 muestra una onda longitudinal como representación de una onda sonora y su correspondiente distribución de presión durante la propagación, donde las zonas oscuras representan a las etapas de compresión y las zonas claras a las etapas de rarefacción. Por ejemplo las moléculas de un gas, al paso de una onda sonora no se mueven globalmente en una sola dirección, pero oscilan alrededor de una posición promedio. Nótese que las zonas de compresión corresponden indefectiblemente a la parte de la onda con máxima amplitud positiva y las zonas de rarefacción a la parte de la onda con máxima amplitud negativa.

 Po

0

Figura 1. Onda longitudinal y su correspondiente distribución de la presión. La relación entre la velocidad v, la longitud de onda  y la frecuencia f de una onda se da mediante la siguiente relación: v = (1) f La onda acústica está definida por la función: P = P o sen (k x   t)

(2)

Las amplitudes de estas oscilaciones son muy pequeñas. Para el aire por ejemplo tiene un valor de 1,110–5 m, para un tono de 1000 Hz, a la potencia de 1 W/m2. Si una onda incide sobre una pared perpendicular a su dirección de propagación, se refleja y regresa en la dirección contraria. La superposición de la onda incidente y reflejada forma una onda estacionaria, es decir una onda en el espacio con nodos y antinodos.

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

En los nodos las partículas no se mueven, y en las otras posiciones se producen oscilaciones alrededor de un punto intermedio, con un máximo de amplitud en los antinodos. La amplitud es una función periódica de la coordenada x y no depende del tiempo. De la ecuación (2) obtenemos un desdoblamiento de la onda viajera, considerando el signo negativo cuando la onda es incidente y signo positivo cuando la onda es reflejada. P = P o sen (k x –  t) + Po sen (k x +  t)

(3)

Realizando un pequeño cálculo trigonométrico nos da como resultado la ecuación de la onda estacionaria siguiente: P = 2 Po sen k x. cos t

(4)

Cuyo gráfico podemos representarlo en la figura adjunta: P

N

A

N

A

N

A

N

0

A

N x

½

¼



Figura 2. Onda estacionaria.

Aplicación virtual:

http://www.educaplus.org/game/velocidad-del-sonido-en-el-aire

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

RESUMEN: En el método ultrasónico se utilizan instrumentos que transmiten ondas con ciertos intervalos de frecuencia y se aplican para detectar defectos como poros, fisuras, también para conocer las propiedades básicas de los líquidos y sólidos como la composición, estructura. Las ondas pueden ser sónicas comprendidas en el intervalo de frecuencias entre 20 y 500 kHz y las ultrasónicos con frecuencias superiores a 500 kHz. También se hallará la relación que existe entre la longitud de las ondas y la frecuencia de vibración sonora, lo cual es de tipo inversa, esto quiere decir que a mayor frecuencia menor longitud de ondas y viceversa.

3.

MATERIALES E INSTRUMENTOS ( Materiales PARLANTE VIRTUAL

) Instrumentos

Precisión

CRONÓMETRO DIGITAL

0.01s

REGLA DIGITAL

0.1m

4. PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES (

)

4.1 Velocidad y frecuencia: Para determinar si la velocidad del sonido depende de la frecuencia, seleccionamos una temperatura que mantendremos fija (200C, por ejemplo), situamos los micrófonos separados una determinada distancia ( 7,00 m, por ejemplo) y medimos el tiempo (milisegundos) que tarda la onda en recorrer esa distancia, variando la frecuencia. Calculamos la velocidad para cada frecuencia:

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

Tabla 01: Complete la tabla. T = 200C f (Hz)

d (m)

t1 (ms)

t2 (ms)

t (s)

v (m/s)

100

2.00

2.92

8.75

0.00583

343. 05

200

3.00

11.67

0.00875

342.86

300

4.00

14.58

0.01166

343.05

400

5.00

17.50

0.01458

342.94

500

6.00

20.42

0.0175

342.86

2.92 2.92 2.92 2.92

342.95 Cuando calcule el tiempo “ t ” convierta los milisegundos a segundos: t = t2 – t1 Velocidad:

v=d/t

4.2 Velocidad y temperatura: Para determinar si la velocidad del sonido depende de la temperatura, seleccionamos una frecuencia que mantendremos fija (500 Hz, por ejemplo), situamos los micrófonos separados una determinada distancia ( 7,00 m, por ejemplo) y medimos el tiempo que tarda la onda en recorrer esa distancia, variando la temperatura. Calculamos la velocidad para cada temperatura:

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

Tabla 02: Complete la tab la f= 500 Hz T (0C)

d (m)

t1 (ms)

t2 (ms)

t (s)

v (m/s)

0

3.00

3.02

12.09

0.00907

330.76

20

3.00

2.92

11.67

0.00875

342.86

40

3.00

2.82

11.29

0.00847

354.19

60

3.00

2.74

10.94

0.00820

365.85

80

3.00

2.66

10.63

0.00797

376.41 354.01

Cuando calcule el tiemp o “ t ” convierta los milisegundos a segundos: t = t2 – t1 Velocidad:

v=d/t

5. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS: (

)

Método Gráfico 5.1 Con los datos de la Tabla 1, grafique en papel milimetrado 𝑑 𝑣𝑠 𝑡.

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

0 A  ..............................................

341.9 B  ....................................................

0 ± 341.9 Ecuación empírica:……………………………………………………………………… Método Estadístico 5.2 Asimismo, determine las constantes de la ecuación mediante regresión lineal.

A= A=

N°

x= t(s)

y= d(n)

xy

x2

1 2 3 4 5 Total

0.00583 0.00875 0.00466 0.01458 0.0175

2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

0.05132

20

0.01166 0.02625 0.01864 0.0729 0.105 0.2 0.23445 3445

3.39889E-05 7.65625E-05 2.17156E-05 0.000212576 0.00030625 0.000651093

[Σyi][Σx2𝑖]−[Σxi][Σxiyi]

B=

NΣx2𝑖−[Σxi]2 [20][0.000651093]−[0.05132][0.23445 ] 5[0. 000651093]−[0.05132]2

B=

A= 1.59216666726

N[Σxiyi]−[Σx𝑖][Σyi] NΣx2𝑖−[Σxi]2 5[0.23445]−[0.05132][20] 5[0.000651093 ]−[0.05132]2

B= 234.590153229 = 234.59

1.6 ± 234.6 Ecuación empírica:……………………………………………………………………… 341.7

v  ......................................................................................................................................

5.3. En la bibliografía se encuentra que la velocidad del sonido a una temperatura de 20 ºC es v o = 343,6 m/s. Halle la discrepancia relativa porcentual con respecto a este valor teórico.

∆%=

vT  vE 0.17%  100  ...................................... vT

6. RESULTADOS: ( Método de Análisis Gráfico Estadístico

)

Valor de A ( )

Valor de B ( )

Ecuación empírica

0

344.9

0 ± 344.9

1.6

234.6

1.6 ± 234.6

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

Velocidad del sonido Discrepancia relativa (experimental) porcentual

342.95

341.7

0.17% 0.55%

BIOFÍSICA MÉDICA

20 % Temperatura del medio de propagación: T =…………………….....

7. CONCLUSIONES: (

)

7.1 ¿La frecuencia del sonido influye sobre el valor de la velocidad del sonido? Si, también influye la distancia y el tiempo en segundos. Ya que a mayor frecuencia va aumentando la velocidad . Para poder hallar la velocidad se divide la distancia sobre tiempo en segundos y eso nos dará la velocidad de cada frecuencia. Y por último se halla el total de la velocidad, la cual se suma todos los datos de las velocidades y se divide entre la cantidad de datos. 7.2 ¿Cómo explica la influencia de la temperatura sobre el valor de la velocidad del sonido? Para un gas la velocidad del sonido es función de la temperatura según la ecuación v=(cT)^0.5, donde c es una constante característica de cada gas y T la temperatura absoluta. 7.3 ¿Qué aplicación del ultrasonido encuentra en su carrera? Explique. En mi carrera medicina veterinaria, lo podría encontrar en las ecografías, ya que al hacer una ecografía a una perrita preñada podríamos hacerles un ultrasonido a los corazones de los perritos en el vientre para ver si se están desarrollando bien.

8. DISCUSIONES: Podemos determinar la velocidad del sonido, lo cual nos dio promedio v=342.95 y la discrepancia relativa porcentual es de 0.17%, para poder encontrar ese dato tuve que seguir la siguiente formula: ∆% =

vT  vE 100  . Y con respecto al método estadístico, para poder vT

hallar la velocidad tuvimos que ubicarnos en nuestro gráfico y hacer d1, d2, t1 y t2. Resolvimos la 𝑑2−𝑑1 formula vs= (𝑡2−𝑡1)𝑥10−3 y luego con la fórmula de discrepancia relativa porcentual para hallar el

porcentaje de dicha velocidad. Lo que tenemos que resaltar es que los porcentajes no deben de pasas del 5%.

9. BIBLIOGRAFÍA (

)

( Eulogio Santos De La Cruz, Néstor Cancino Vera, Julio Yenque Dedios, David Ramírez Morales, Máximo Palomino Pérez, 2005) https://revistasinvestigacion.unmsm.edu.pe/index.php/idata/article/do wnload/6153/5344

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

10. ANEXOS

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

BIOFÍSICA MÉDICA

11. CALIDAD Y PUNTUALIDAD

(

ANTONIO VELARDE HERRERA

2021-10

)

BIOFÍSICA MÉDICA...