Práctica 7. Tubo de Kunt

Ondas Sonoras en Tubos

Objetivo

El estudiante experimentalmente, para un tubo cerrado y un tubo abierto:

·         Identificará los modos de resonancia.

·         Registrará las frecuencias de resonancia.

·         Encontrará los nodos y antinodos de una frecuencia de resonancia

Medir experimentalmente la velocidad del sonido en el aire.

Fundamentación teórica

Física del Sonido, El oído, la audición y el equilibrio, El oído, un órgano magnífico, Laboratorio de sonidos, Osciloscopio.

Introducción.

Una onda sonora que se propaga en un tubo se refleja hacia adelante y hacia atrás de cada extremo del tubo, y todas las ondas, la original y las reflexiones, interfieren entre sí, en esta práctica trabajaremos con un tubo abierto y otro cerrado, empleando los materiales que muestra la figura 1. Si la longitud del tubo y la longitud de onda, de la onda sonora, son tales que todas las ondas que se están moviendo en la misma dirección están en fase entre sí, se formará un patrón de onda estacionaria. Esto se conoce como modo de la resonancia para el tubo y las frecuencias en las cuales la resonancia ocurre se llaman  frecuencias resonantes.

MATERIALES

Tubo de resonancia que contiene:

 

·         Micrófono (incluye pila)

·         Altavoz

·         Tubo de acrílico

·         Base para tubo (2 piezas)

·         Pistón de acrílico

·         Varilla delgada

·         Osciloscopio

·         Generador de ondas

·         Conector "T" para BNC

·         Cable BNC

·         Cable BNC-Plug

·         Cable BNC-2 Bananas

Procedimiento

1. Tubo abierto

•  Instalar el tubo de resonancia, osciloscopio, y generador de funciones según lo indica la figura 6.2, pero no usaras aún el pistón, porque primero iniciaremos con el tubo abierto.
• Enciende el osciloscopio y fija la velocidad de barrido (por ejemplo: a 5 ms/div) y la sensibilidad del canal (5 mV/div aprox.)
• Enciende el generador de funciones y fija la frecuencia a 100 Hz, aprox. Ajusta la amplitud del generador de funciones hasta oír claramente el sonido de la bocina.
• Aumenta lentamente la frecuencia y escucha cuidadosamente. En general, el sonido se hará más audible a medida que aumenta la frecuencia, porque el generador y el altavoz son más eficientes a frecuencias más altas. Sin embargo, continúa hasta escuchar un máximo relativo, o sea, un aumento del nivel del sonido después de que ocurra una disminución leve del mismo al incrementar levemente la frecuencia en el generador. Este máximo relativo indica un modo de la resonancia en el tubo, para identificar la frecuencia que lo origina, ajusta el generador cuidadosamente para encontrar la frecuencia más baja audible en la cual un máximo relativo ocurre. También se puede encontrar el máximo relativo mirando el rastro en el osciloscopio. Cuando la altura de la señal es una máxima relativa, se ha encontrado una frecuencia resonante, esto se ilustra en la figura 6.3.

Recomendación: registra cada una de las frecuencias resonantes que identificaste y preséntalas en una tabla, como la figura 4.

Figura 6.3. Señal experimental. El trazo superior es la señal del generador, el inferior es del micrófono.

Después de haber identificado las frecuencias a las cuales se tienen modos de resonancia en el tubo, selecciona una para realizar la siguiente acción:

• Una vez que se tiene montado el micrófono en el extremo de la varilla e insertado en el tubo a través del agujero en el soporte, deberás moverlo a lo largo del tubo, para observar e identificar (rastrear) las posiciones donde está un máximo de la señal y donde está un mínimo. Registra estas posiciones en la tabla y realiza un dibujo a escala de las posiciones y forma de la señal dentro del tubo abierto,que corresponde al modo de resonancia que fijaste para explorar.

• Aunque no se puede  mover el micrófono a lo largo de todo el tubo porque el cable es demasiado corto, sí puedes mover la punta de prueba alrededor del extremo opuesto del tubo, para examinar el otro extremo del tubo.

Recomendación: prestar particular atención a las características de la onda cerca del extremo abierto del tubo.

Repite la acción anterior por lo menos para 4 frecuencias resonantes diferentes y registra tus resultados.

2. Tubo cerrado

·         Finalizamos repitiendo todo el proceso anterior, pero ahora inserta el pistón en el tubo hasta que alcance el punto máximo que el micrófono puede alcanzar al desplazarse desde el extremo del altavoz, y encuentra la frecuencia resonante para la nueva configuración del tubo. Recuerda que tu última acción será usar el micrófono para localizar los máximos y mínimos para esta configuración cerrada del tubo, registrando tus resultados en la tabla.

Análisis y Presentación de Resultados.

·         Utiliza los datos registrados de cada una de las frecuencias para bosquejar la actividad de la onda a lo largo del tubo para el caso de tubo abierto y tubo cerrado a estas frecuencias.

·         El micrófono es sensible a la presión. Los máximos son por lo tanto puntos de la presión máxima y los mínimos son puntos de la presión mínima. En tus dibujos, indica dónde se localizan los puntos de desplazamiento máximo y mínimo.

·         Determina la longitud de onda en cada caso y conociendo la frecuencia de la onda sonora que utilizaste en cada configuración, calcula la velocidad del sonido en el tubo y promedia los resultados.

·         Compara el resultado con el valor aceptado de 331.5 m/s + 0.607 T, donde T es la temperatura en grados centígrados.

·         Describe la naturaleza del comportamiento de la onda en el extremo abierto del tubo, basándote en tus medidas. También describe la naturaleza de las ondas en un obstáculo sólido como la cara del pistón (que se usó para el tubo cerrado)

Preguntas.

1.      Las frecuencias de resonancia fueron las mismas para el tubo abierto y el cerrado.

2.      Las frecuencias de resonancia se podrían determinar mediante una ecuación, ¿cuál sería?

3.      ¿Cuáles son las diferencias entre un tubo abierto y un tubo cerrado?

4.      Si ahora a este experimento le hacemos uno o más orificios a lo largo del tubo ¿obtendrías los mismos resultados?

Precauciones.

• Evita golpear el tubo y mantén tapados los orificios que tiene  durante el experimento.
• Se recomienda usar audifonos de diadema, solo para tapar tus oidos no para escuchar algo.