Trabajo Final TUBO DE Kundt 2gwagwagwagwagwagawggwagawgwhahawhaw h wagwagwagwagwagwagawggwagawgwhahawhaw h wagwagwagwagwagwagawggwagawgwhahawhaw h wa PDF

Preview

Summary

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚBosquejo de Trabajo Final“TUBO DE KUNDT”CursoCalculo Aplicado a la Física 3Docente:CAÑOTE FAJARDO, PERCY VÍCTORIntegrantes:1. Torres Anampa, Sebastián Cod. U 2. Contreras Salazar, Alexander Cod. U 3. Calero Salcedo, Robinson Junior Cod. U 4. De la Cruz Quispe, Percy A...

Description

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ Bosquejo de Trabajo Final “TUBO DE KUNDT”

Curso Calculo Aplicado a la Física 3

Docente: CAÑOTE FAJARDO, PERCY VÍCTOR

Integrantes:

1. 2. 3. 4. 5.

Torres Anampa, Sebastián Contreras Salazar, Alexander Calero Salcedo, Robinson Junior De la Cruz Quispe, Percy Aníbal García Álvarez, Luis Alberto

Lima, 15 de abril del 2021

Cod. U19101495 Cod. U18100334 Cod. U19210916 Cod. 1635360 Cod. U19312605

ÍNDICE 1.

RESUMEN .............................................................................................................................................. 3

2.

APLICACIÓN: ......................................................................................................................................... 3

3.

INTRODUCCION ................................................................................................................................... 3

4.

OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 4 4.1.

OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................... 4

4.2.

OBJETIVO ESPECIFICO .............................................................................................................. 4

5.

CRONOGRAMA ..................................................................................................................................... 4

6.

METODOLOGÍA ..................................................................................................................................... 5 6.1.

Velocidad (v): .................................................................................................................................. 5

6.2.

Período (T): ................................................................................................................................. 5

6.3.

Frecuencia (f): ................................................................................................................................. 6

6.4.

Concordancia de fase: .................................................................................................................. 6

6.5.

Longitud de onda (λ): ................................................................................................................... 6

6.6.

Amplitud (A): ................................................................................................................................... 6

7

DISEÑO DE AMPLIFICADOR .............................................................................................................. 8

8

MONTAJE EXPERIMENTAL ................................................................................................................ 8 9 10

FUNCIONAMIENTO .......................................................................................................................... 9 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................................... 10

11 RESULTADOS ..................................................................................................................................... 10 12 CONCLUSIONES................................................................................................................................. 11 13

ANEXOS……………………………………………………………………………………………………………………………………………….12

14 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................. 14

1. RESUMEN: El presente trabajo propone un experimento sencillo que nos ayude a poder demostrar la velocidad del sonido en el aire, específicamente nos enfocaremos en estudio de ondas estacionarias usando un tubo transparente cerrado por sus extremos. A pesar de que una de las principales dificultades en estos momentos es la falta de laboratorios, resolveremos ello haciendo uso de un simulador. Esto, hizo posible que podamos encontrar la velocidad del sonido con un valor muy cercano al indicado en la teoría.

2. APLICACIÓN: Describir y mostrar los diferentes fenómenos que se dan cuando se produce una onda en un tubo diseñado para diferentes sonidos. Además, nos permite profundizar y ver con mayor agudeza lo que ocurre con la señal propagada, lo cual no es posible analizando directamente la señal misma. A través de esta herramienta, pudimos ver el fenómeno de resonancia. Palabras Claves: Instrumentación para la enseñanza de física, velocidad del sonido, ondas estacionarias.

3. INTRODUCCION En el presente informe analizaremos el comportamiento experimental de una onda. Las ondas son uno de los fenómenos físicos más fundamentales, y que están presentes, y pueden ser o no observables, en ámbitos diferentes de nuestra vida, como en la superficie del agua de un vaso que vamos a beber o en la piscina, también están presentes y son parte de la identificación de la magnitud de un temblor o terremoto, también estén en las ondulaciones que producen los resortes, las ondas de luz. las ondas de radio, las ondas sonoras de diferentes tipos como musicales, las ondas que producimos al hablar, etc. Las ondas sonoras son ondas longitudinales. Por lo tanto, las moléculas del medio vibran hacia atrás y hacia adelante con la misma dirección con la que la onda está viajando. Normalmente, el medio por el cual viaja el sonido es el aire, pero las ondas de sonido pueden viajar también en agua, metal, etc. Es por ello, que el presente proyecto se presenta con la finalidad de comprobar la velocidad del sonido en el aire. Hoy en día, uno de los grandes desafíos de la enseñanza de la física radica en la realización de clases experimentales, debido a la ausencia de material científico y recursos humanos calificados. Por lo que se trabajó con un simulador especial para poder hallar la velocidad del sonido en el aire, y poder hacer una comparativa del proceso experimental con la teórica.

Para ello, normalmente se hace uso de algunos instrumentos que nos ayudan a determinar el objetivo final.

4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERAL Poder hacer un montaje implementado que nos permita estudiar a las ondas estacionarias por el de Tubo de Kundt de una manera sencilla ya que se ha empleado poco instrumental. Esperando que el diseño sea difundido y reproducido con fines académicos.

4.2. OBJETIVO ESPECIFICO Las ondas son producidas por alguna fuente o fenómeno, poder demostrar que se puede utilizar diferentes materiales y elementos, para cambiar su dirección y sentido. Describir y mostrar los diferentes fenómenos que se dan cuando se produce una onda en un tubo diseñado para diferentes sonidos. Reconocer la importancia y funcionamiento del tubo de kundt, así como el instrumento que permite demostrar un fenómeno físico de las ondas sonoras.

5. CRONOGRAMA Semana

Actividades

Recursos

1

Formación de grupos. Elección del título del proyecto.

2

Tema del proyecto. Presentación del Internet, libros, libros en plan de trabajo, Investigación acerca pdf, coordinación por del tema, recopilación de fuentes. WhatsApp y Zoom.

3

Avance de elaboración del informe Coordinación del avance (1era parte). Información teórica del vía WhatsApp. Reunión por proyecto. Definimos Objetivos Zoom generales y específicos.

Coordinación vía WhatsApp.

4

Elaboración del informe (2da parte), contenido central, elaboramos la Metodología, Procedimiento, funcionamiento, cálculos físicos y matemáticos.

Correo electrónico, coordinación vía WhatsApp, material bibliográfico virtual, simuladores virtuales.

5

Culminación final del informe, Internet, Zoom y cámara obtenemos resultados y las web (grupal) Conclusiones del experimento. Asesoría y previa presentación grupal

6

Envío del informe proyecto final, por Internet, correo electrónico, medio del portal CANVAS. WhatsApp Web.

7

Presentación del proyecto final.

Exponer y explicar el funcionamiento y elaboración del proyecto en clase ONLINE.

6. METODOLOGÍA Antes de discutir el método experimental es útil recordar algunos conceptos fundamentales de movimiento ondulatorio y de resonancia de ondas sonoras en tubos semicerrados. 6.1.

Velocidad (v):

Es el espacio que avanza la onda por unidad de tiempo. La velocidad de un movimiento ondulatorio depende del tipo de onda de que se trate y del medio por el que se propague.

6.2.

Período (T):

Es el tiempo que tarda una partícula en efectuar una oscilación completa. Por ejemplo, si tenemos un corcho flotando en el agua que es alcanzado por una ola (onda superficial transversal), el período es el tiempo que tarda el corcho en subir y bajar, hasta volver a la misma posición en que se encontraba antes de ser alcanzado por la onda. Se representa por T.

6.3.

Frecuencia (f):

Es el número de oscilaciones completas que realiza una partícula por uni dad de tiempo. Se mide en Hertz o hercios (símbolo, Hz), siendo un Hertz igual a una oscilación completa por segundo. También se representa por la letra f. De acuerdo con la definición de período, como una oscilación dura T segundos, en un segundo habrá 1/T oscilaciones, por lo tanto: f = 1 ⁄𝑇 Es decir, que la frecuencia es el valor inverso del período. 6.4.

Concordancia de fase:

Se dice que dos puntos de un medio elástico por el que se propaga una onda están en concordancia de fase si, en un instante determinado, los dos ocupan posicion es idénticas y se mueven del mismo modo (hacia arriba o hacia abajo). Los puntos A y B de la están en concordancia de fase, pero no el C, puesto que, aunque se encuentra a la misma altura está bajando en lugar de subir como el A y el B.

6.5.

Longitud de onda (λ):

Es la distancia entre dos puntos consecutivos, cualquiera que se encuentre en concordancia de fase. Se representa por la letra griega λ y equivale a la distancia que avanza la onda en el tiempo T. Por lo tanto, y puesto que las ondas se mueven con velocidad constante, será: λ =Ft 6.6.

Amplitud (A):

Es la separación máxima que alcanza la onda respecto a su posición de equilibrio. Refiriéndose pues a la onda de desplazamiento en el caso de un tubo cerrado por un extremo, la forma más simple que adoptan las ondas estacionarias es un

En la figura se muestra los primeros tres armónicos que se forman dentro de un tubo con un extremo cerrado y el otro abierto.

vientre en el extremo abierto del tubo y un nodo en el cerrado, tal como se muestra en la figura. En tal caso, para el armónico fundamental la longitud del tubo (L) es igual a la distancia entre el vientre (V) en el extremo abierto y el nodo (N) en el cerrado. Como la distancia entre dos nodos contiguos es λ/2, la longitud de onda de la vibración será λ = 4L y su frecuencia ν = vs/λ = vs/4L, que es la correspondiente al armónico fundamental, siendo “vs” la velocidad del sonido en el aire. Otro modo posible de vibración sería el que presenta un nodo en el extremo cerrado y otro a una distancia L/3 del extremo abierto del tubo, es decir, corresponde a una λ=4L/3. En general, si en el interior del tubo hubieron “n” nodos (uno de ellos siempre en el extremo cerrado) ocuparían una longitud nλ/2 y como entre el último nodo y el extremo abierto hay una distancia igual a λ/4, la longitud total del tubo será: L = (2n + 1) λ / 4

(1)

Por tanto, la frecuencia vendrá dada por: f=v/λ

(2)

Dando a “n” los valores 0; 1; 2; 3…, se tendrá las frecuencias de todos los armónicos que pueden emitir el tubo. Por lo tanto, en un tubo cerrado por el extremo, la frecuencia fundamental es f=v/4L y en lo sucesivo sólo están presentes los armónicos impares. El estudio del movimiento ondulatorio es una experiencia instructiva e interesante, no obstante, los experimentos de acústica requieren de un equipo sofisticado y costoso, conocida esas dificultades, se planteó: ¿Cómo estudiar las ondas longitudinales y determinar la velocidad del sonido por el método de Tubo de Kundt empleando un sencillo y económico instrumental electrónico? La respuesta propuesta a esa pregunta es el diseño, construcción e implementación de un experimento basado en equipos de bajo costo, fácil construcción y fiabilidad de los resultados. Dicho equipo consta de un tubo plástico PVC, un micrófono tipo electret con amplificador (de construcción casera), un generador de audio adosado. Los objetivos planteados fueron: Diseñar un equipo electrónico de medida que permita el estudio de ondas longitudinales estacionarias y determinar la velocidad del sonido, por el método de Tubo de Kundt. Dicho equipo puede ser implementado en el laboratorio de enseñanza de física tanto a nivel escolar como universitario. Objetivos específicos: Diseñar un circuito electrónico que permita acoplar y amplificar un micrófono tipo electret.

Implementar un montaje experimental tipo “Tubo de Kundt” que permita medir de forma precisa la posición e intensidad de los nodos y vientres de una acústica estacionaria.

7 DISEÑO DE AMPLIFICADOR El circuito empleado permite acoplar la alta impedancia de un micrófono tipo electret a una salida amplificada de 8 Ω para una corneta. La amplificación se lleva a cabo a través de un circuito integrado de bajo costo y fácil adquisición, “TDA2822M” que permite amplificar hasta ½ vatio de potencia con 9 voltios de consumo. Dado el tamaño reducido de los elementos, todo el circuito puede compactarse en una pequeña placa de circuito impreso que junto con la batería se coloca en el interior del tubo.

Aspecto del circuito amplificador de audio 8

MONTAJE EXPERIMENTAL

La figura muestra el montaje diseñado para esta experiencia. Consta de un tubo plástico PVC de los que se emplean en las tuberías de agua doméstica. Dicho tubo tiene 35 cm de largo y 2,5 cm de diámetro. La razón del uso de este tipo de tubo (ya que generalmente es de vidrio) es que aguanta golpes y maltratos evitando el quiebre y sus posibles consecuencias, además del costo y la disponibilidad, que son factores muy importantes a la hora del diseño. El montaje requiere de un generador de audio frecuencia de ondas sinusoidales en el rango audible.

TUBO

VARILLA

CORNETA GENERADOR DE FRECIENCIAS

VOLTÍMETRO A.C.

VARILLA

SALIDA

9

MICRÓFONO + AMPLIFICADOR

FUNCIONAMIENTO

El generador de audio proporciona una señal audible que se puede escuchar a través de la corneta que está ubicada dentro del tubo. Las ondas acústicas chocan contra un obstáculo (micrófono) e interfieren constructiva o destructivamente, dependiendo de la distancia corneta-micrófono como se muestra en la figura.

Formación de ondas dentro del tubo.

Como es bien conocido, las ondas al interferir generan patrones de máxima y mínima actividad y el equipo permite desplazar el micrófono a través del tubo y ubicar exactamente la actividad máximo/mínimo dada la variación de voltaje detectado en el micrófono. Para visualizar la actividad de las ondas acústicas se emplea el voltímetro alterno VAC de rango 0-5V.

10 PROCEDIMIENTO

• Luego de montar el equipo, ajuste en el generador de audio a un rango de 200 a 400 Hz y mediana amplitud. • Seleccione una frecuencia de inicio, por ejemplo 200 Hz • Ubique el micrófono a 35 cm de la corneta. • Observe el voltímetro mientras desplaza el micrófono hacia el extremo del tubo. • Tome nota del voltaje máximo y mínimo en función de la distancia micrófono/corneta. • Repita los pasos anteriores a partir de 2 incrementando la frecuencia en 1 KHz cada vez. Una vez tomado los datos, se procede a procesarlos e interpretarlos. Por ejemplo, se puede interesar en estimar la velocidad del sonido y bastará con evaluar la expresión 2 analítica. • Desplazando la posición del pistón, localizaremos la posición de los distintos nodos con la ayuda del micrófono conectado al osciloscopio.

11 RESULTADOS

Se acondicionó un espacio para mostrar la experiencia de Tubo de Kundt. El método de evaluación aplicado ha sido el interrogatorio simple aplicado durante la clase demostrativa en las clases. La actividad consistió en medir la intensidad del sonido colocando el micrófono al contacto con la fuente sonora (corneta) y registrar la intensidad del sonido midiendo el voltaje que registra el micrófono amplificado en la medida que se aleja de la corneta. El primer escenario consistió en colocar micrófono/corneta al aire libre. Las expectativas fueron las siguientes: • Al alejar el micrófono de la fuente sonora la intensidad del sonido, registrado por el voltímetro, disminuiría progresivamente.

• Se esperaba que al duplicar sucesivamente la distancia micrófono/ corneta, el voltaje disminuiría a la mitad. • Al repetir el experimento con otro valor de frecuencia es de esperar que los resultados no varíen. Luego de realizar la primera parte de la experiencia se recogieron las siguientes observaciones: • La intensidad si disminuye en la medida que la distancia micrófono/corneta aumenta, es decir, la relación es inversamente proporcional. • El valor del voltaje no disminuye a la mitad con el doble de la distancia. • No se registró una variación apreciable del voltaje vs distancia para frecuencias diferentes. El segundo escenario consistió en colocar micrófono/corneta dentro del tubo de PVC (Tubo de Kundt). luego de realizar la experiencia se consiguieron con los siguientes resultados. • Al alejar la distancia micrófono/corneta la intensidad el voltaje disminuye progresivamente hasta un límite, luego si se sigue alejando, el voltaje va aumentando hasta su máximo valor y esa variación se repite a lo largo del tubo. • La distancia entre los máximos sucesivos sí dependen fuertemente de la frecuencia de manera inversamente proporcional a esta.

12 CONCLUSIONES

El montaje implementado ha permitido acceder al estudio de ondas estacionarias por el método de Tubo de Kundt de una manera sencilla ya que se ha empleado poco instrumental y el diseño es robusto y confiable. Es de esperar que este diseño sea difundido y reproducido con fines académicos. Dado la manera de como se ha conducido el experimento, permite al estudiante deducir y conformar un modelo mental bien elaborado, basado en sus preconceptos y experiencias, acorde con el aprendizaje Significativo. Por el hecho de que el equipo es de diseño casero, con materiales de fácil adquisición, se ha podido reducir costos e instrumental, haciendo muy accesible y confortable la experiencia. Todas las ondas mecánicas requieres de alguna fuente de perturbación, un medio que contenga elementos que sean factibles de perturbación, así como algún mecanismo físico que a partir del cual los elementos del medio puedan influirse mutuamente. Podemos determinar valores aproximados al resultado esperado con el comportamiento de las ondas según la densidad al que se propague; el medio

puede afectar no solo a la onda sino a sus factores como en su velocidad, frecuencia, periodo y longitud de onda. Por último, esta contribución estimule a investigadores en temas afines y podamos diseñar equipos similares, de alta prestancia y, sobre todo, “hecho en casa”.

13 ANEXOS

14 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Hewitt, P. (20...