Presentacion Trabajo Final Fisica 3

 

 "AÑO DEL BICENTENARIO DEL PERÚ: 200 AÑOS DE INDEPENDENCIA"  INDEPENDENCIA"  

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERÚ

MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE CON EL USO DE APLICATIVO EN SMARTPHONE

Alumnos: MARTINEZ CANO, Sharon Stefany 1626745 MOLINA LAURA, Rocío Lizbeth U18210716 TORRES NINAHULLCA, Federico U19103928

CURSO: CALCULO APLICADO A LA FISICA 3

DOCENTE: NIKO CHURATA MAMANI

AREQUIPA-PERÚ 2020

 

INDICE

1.  RESUMEN ........................................................................................................................... .......................................................................................................................... 3 1.1 

. PALABRAS CLAVE ..................................................................................................... ..................................................................................................... 3

2.  INTRODUCCION ................................................................................................................ ............................................................................................................... 4 3.  OBJETIVOS ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 6 3.1.  OBJETIVO GENERAL ................................................................................................... .................................................................................................. 6 3.2.  OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................................................................................ ........................................................................................ 6 4.  HIPOTESIS ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 6 5.  LIMITACIONES ........................................................... .................................................................................................................. ........................................................ 7 6.  METODOLOGÍA ................................................................................................................. ................................................................................................................ 7 6.2.  DISEÑO EXPERIME EXPERIMENTAL NTAL ............................................................................................ ........................................................................................... 9 7.  RESULTADOS  ................................................................................... ................................................................................................................. ............................... 10 8.  CONCLUSIONES  ............................................................................................................. ............................................................................................................ 12 9.

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 13

 

1. RESUMEN El presente informe corrobora lo útil que pueden ser los smartphones con sistema operativo Android y que gracias a las aplicaciones que pueden descargarse sin ningún costo desde PlayStore, en este caso el Generador de Frecuencia, permiten conocer la velocidad de sonido.

El tubo de Knudt es un cilindro rígido, ríg ido, largo y hueco, mucho más largo larg o que ancho. En su interior se llena con un fluido, en nuestro caso es aire a temperatura ambiental. En un extremo del tubo se tiene una fuente sonora, usualmente es una bocina que cabe dentro del tubo, y se ajusta de modo que permanezca fija en un extremo. En ella se reproduce una frecuencia específica en un tono puro. Mientras que en el otro extremo hay un pistón que abarca todo el diámetro interno. El pistón se puede desplazar a lo largo del interior. Al ir sacando el pistón se pasará por zonas donde se establezca una onda resonante que trae en consecuencia un incremento de la sonoridad. Si se trabaja con frecuencias dentro del audio humano, las zonas de resonancia se apreciarán en forma muy notoria, sin necesidad de usar nada más que el sentido del oído ya que la sonoridad es apreciablemente superior. El fenómeno de resonancia en el tubo de Knudt sucede cuando la cavidad interior del mismo puede establecer una onda estacionaria, es decir, cuando la distancia entre bocina y pistón es igual a la longitud entre nodos para la frecuencia específica, de ahí la importancia de reproducir una frecuencia específica en un tono puro.

1.1 . PALABRAS CLAVE   RESONACIA DE SONIDO: La resonancia consiste en la



modificación

de

la

amplitud

de

los

armónicos

de

un sonido complejo ejercida por la cavidad en la que se produce la vibración de las moléculas de aire.    VELOCIDAD DEL AIRE:  Velocidad del aire es uno de los



parámetros que se incluye en los cálculos de la sensación térmica. Se expresa en m/s y se mide con diversos tipos de anemómetros   VELOCIDAD DEL SONIDO:  La velocidad del sonido es la



velocidad de fase de las ondas sonoras en un medio, es decir, es la velocidad a la que se propaga un frente de ondas en dicho medio.

 

2. INTRODUCCION ESTADOS DEL ARTE

2.1. INTERNACIONAL Merino (2016), realizo una investigación titulada: “Estudio de Ondas Sonoras y  Audiometrías en entorno entorno IOS”. El objetivo objetivo de este proyecto proyecto es que con recursos recursos

que la mayoría de la gente tiene y usa a diario, como el caso del Smartphone o Tablet, puedan tener un laboratorio fácil de transportar y de bajo coste, creando una aplicación para dispositivos Apple como la aplicación AudiA, donde podrán generar ondas y visualizar sus gráficas entre otras utilidades. La ingeniería de software proporcionara diferentes modelos que facilitaran el desarrollo del software, ya que este guiará por diferentes etapas hasta conseguir el objetivo del proyecto en el tiempo estipulado. La metodología a utilizar va a ser el Proceso Unificado debido a que es iterativo e incremental, lo que conllevara a disminuir los riesgos más críticos y tener una mayor flexibilidad para posibles cambios. El lenguaje que se ha usado para la implementación de la aplicación ha sido Swift y el entorno de desarrollo que se ha utilizado ha sido Xcode, ya que es el que ofrece Apple para desarrollar código para su hardware. Una característica importante de esta app es que puede funcionar como un sonómetro, de tal forma que si se ha podido calibrar el micrófono del dispositivo se tendrían medidas absolutas de los decibelios. A través de esta herramienta se puede ver el espectro de frecuencias de la señal de sonido que está capturando el dispositivo en el intervalo de muestreo seleccionado. También, con esta herramienta se puede generar o guardar en el formato seleccionado una onda sonora, ya sea una onda sinusoidal, onda cuadrada, onda triangular, onda diente de sierra, ruido rosa, ruido blanco y ruido marrón. En conclusión, la aplicación final obtenida cumplió con las expectativas en cuanto similitud y funcionalidad. Dando como resultado dos modificaciones respecto a AudiA, una de las modificaciones es la eliminación del test de curvas isofónicas, ya que servía para evaluar la respuesta del oído de las personas, pero no era una herramienta o experiencia exper iencia para realizar experimentos didácticos en el laboratorio. La otra modificación ha sido añadir la funcionalidad de poder ver los datos que se guardan de las experiencias y herramientas, en AudiA solo se podía ver los resultados de los test de barrido de frecuencias frecuenc ias y ahora con AudiOS se podrá ver o escuchar los datos de los ficheros que se guarden. Además, la aplicación final obtenida es un gran recurso y ayuda para estudiantes de física por ser muy completa y así mismo porque es de fácil usabilidad para cualquier usuario de dispositivos Apple. [1]

 

En el año 2015, tras una investigación de Rafael Barzanallana y Alisail Estevez para la revista Blasting News España, elaboraron un artículo titulado “Cómo medir la velocidad del sonido en el aire con un Smartphone” cuyo objetivo fue

medir la velocidad del sonido del aire con un teléfono inteligente. Estos investigadores realizaron un experimento simple, barato y con materiales muy fáciles de conseguir. Para evitar cálculos incorrectos, la frecuencia del sonido producido a través de la aplicación del teléfono, se puede controlar utilizando otra aplicación para teléfonos y tabletas, SpectrumVie SpectrumView. w. Se concluyó que el uso de un Smartphone para medir la velocidad del sonido en el aire con frecuencias de hasta 2000 hercios, es viable y los resultados son muy acertados siempre y cuando se utilice un software confiable como el que se usó para este informe. [2]

2.2. NACIONAL Diego Martin Arce Cigüeñas [3] presento su tesis titulada “Silenciador regulable con control inalámbrico” para optar el título de Ingeniero Mecatrónico en julio del

año 2014, cuya finalidad era diseñar un silenciador de forma inalámbrica para proporcionar al usuario la opción a generar un mínimo de emisiones sonoras mediante el monitoreo de un dispositivo inteligente (smartphone), el cual contendrá una aplicación que podrá configurar el silenciador de manera sencilla. Uno de sus resultados más importantes fue que el sistema logro proporcionar cuatro estados de funcionamiento específicamente diseñados para ofrecer eficiencia menores emisiones sonoras. Luis Ricardo Licla Tomayro [4] hizo la presentación de su tesis titulada “Evaluación y percepción social del ruido ambiental generado por el tránsito vehicular en Lima.” para obtener el título de Ingeniero Ambiental en el año 2016,

el propósito de esta tesis fue evaluar el ruido ambiental generado por el tránsito vehicularen la ciudad de Lima, mediante el monitoreo de ruido ambiental y un estudio de percepción mediante encuestas. Los resultados obtenidos del monitoreo de ruido ambiental muestran que en 21 de las 22 estaciones de monitoreo distribuidas en la ciudad los niveles de presión sonora registrados superan los estándares nacionales de calidad ambiental para ruido. Según el autor [5] en su proyecto de investigació investigación n identificara los puntos críticos del ruido ambiental que sobrepasan los ECAs realizando monitoreos por sonómetros y herramientas el cual se realizó encuestas en los pacientes y trabajadores de Hospital Cayetano donde el autor evalúa las medidas y registros de presión sonara en el ambiente y compararlos con los ECAs teniendo como resultado una estadística de datos tomados en los monitoreos que realizo genera un mapa de las zonas más vulnerables y llegando como a la conclusión que

 

sobrepasan los indicadores de manera que el parque automotor es la mayor perturbación de ruido ruido ambiental que afecta al tratamiento y recupe recuperación ración de los pacientes del hospital y presenta las molestias a los trabajadores trabajadores..

2.3. LOCAL [6]Colque (2017), realizo una investigación titulada: Mapa de ruidos del distrito de cercado de Arequipa; locales de la Universidad Nacional de San Agustín. El

objetivo fue determinar el mapa de ruidos en el distrito del cercado de Arequipa; locales de la Universidad Nacional de San Agustín. El resultado obtenido que al comparar los valores de ruido obtenidos con el Estándar de Calidad Ambiental de Ruido (ECA), se estableció que la mayoría de los puntos monitoreado (área de biomédica, ingeniera y sociales) supera este estándar indicando presencia de contaminación Sonora, logrando identificar como la fuente más importante de generación de ruido al parque automotor.

3. OBJETIVOS

3.1.

OBJETIVO GENERAL

Demostrar la utilidad de los aplicativos celulares para medir la velocidad del sonido y las variaciones que pudiera tener en función de la velocidad y temperatura.

3.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3.2.1. Determinar la velocidad del sonido en el aire al comparar los valores experimentales experimentales con los teóricos.

3.2.2. Realizar el experimento, mediciones y obtención de resultados con margen de error menor al 5%.

4.

HIPÓTESIS 4.1.

La onda longitudinal producida viaja en el tubo y se refleja en el extremo abierto produciendo una onda estacionaria. Estas ondas estacionarias producen nodos y antinodos de desplazamiento o de presión.

4.2.

El método más fácil de determinar la velocidad de propagación de las ondas es a través de cualquier medio, este se obtiene

 

mediante la relación entre velocidad, frecuencia y longitud de onda.

4.3.

Si se conoce la velocidad del sonido en el aire, se puede calcular la frecuencia, y como estas ondas las causan las vibraciones en el tubo, su frecuencia debe ser la misma que la de las vibraciones del aire. Sabiendo tanto la frecuencia como la longitud de onda en el tubo, se puede calcular la velocidad del sonido. Cuando el aire entra al tubo se produce una onda de sonido que puede ser descrita mediante el desplazamiento de las moléculas

4.4.

del aire o por la variación de la presión.

5. LIMITACIONES Dentro de las limitaciones que se tuvo por la presente coyuntura las reuniones de los integrantes es casi nula sin embargo para la correcta elaboración del experimento tuvimos que un tubo transparente que fue el mayor inconveniente.

6. METODOLOGÍA 6.1.

MÉTODO

La condición de resonancia se evidencia en la ecuación 1, ésta es también conocida como condición de onda estacionaria. [1] L=n λ/2

n=1;2;3… 

donde L es la longitud de la cavidad interna, n es el número de nodo y  es la longitud de onda asociada con la onda resonante. La relación entre L, la longitud de la cavidad; f, la frecuencia de la onda resonante y v, la velocidad de propagación de la onda se ilustra en la ecuación 2. v=λf=2Lf/n

n=1;2;3… 

El problema de poder reproducir frecuencias fijas en tonos puros se venció con la ayuda de programas gratuitos de fácil adquisición en Internet o una tienda de aplicaciones como lo es Play store. Se pueden almacenar como archivos de música, un ejemplo de los muchos que hay en internet en los cuales se pueden descargar archivos en formato WAV que se tiene que exportar a un celular, se tiene que elegir una onda senoidal de una frecuencia determinada. La ventaja de

 

usar programas computacionales o aplicaciones en el celular es que no se requiere equipo especializado. Como ya se mencionó, cuando la distancia entre la bocina y la pared del pistón corresponde a la longitud de los antinodos se provocará resonancia de la onda estacionaria al interior del tubo, por ende, un incremento en la sonoridad, que es fácilmente detectable por el oído. Es necesario medir la distancia entre la bocina y la pared del pistón. Dichas distancias corresponden a media longitud de onda. En la figura 1 se muestra un esquema del tubo. Del lado izquierdo se muestra la bocina en color azul, y del lado izquierdo en color mostaza se muestra el pistón, que se puede deslizar en el interior del tubo, así mismo se ilustra que la longitud interna del tubo es de una longitud de onda, en color rojo.

Ilustración 1:Tubo de Knudt con una cavidad de una longitud de onda. Experimentalmente se ha encontrado que la velocidad de propagación del sonido en el aire varía 0.6 m/s por cada grado Celsius de temperatura [7], por lo tanto, se puede calcular la velocidad del sonido en el aire en función de la temperatura utilizando la siguiente expresión:  = ( + 0 . 6 ∗ ) )  / 

Donde   es la velocidad del sonido en el aire a 0°C (331 m/s) y   es la temperatura del aire en grados Celsius. En la figura 2 podemos observar que la distancia ∆   entre nodos (que es la

misma que la de los antinodos) sucesivos en la onda estacionaria es la mitad de la longitud de onda.

 

 

Ilustración 2:Nodos y antinodos en una onda. Puesto en términos matemáticos se tiene: 

Δ =   

Como se advirtió en la ecuación 2, la velocidad del sonido en el fluido es el producto de la longitud de onda y la frecuencia. Despejando   de (4) y sustituyendo en (2) se obtiene que:  = 2Δ 

Esto indica que la velocidad de la onda en el fluido es del doble de posición de los nodos por la frecuencia. Por lo tanto, debemos centrarnos en medir la posición de los nodos ya que la frecuencia está determinada previamente. previamente.

6.2.

DISEÑO EXPERIMENTA EXPERIMENTAL L 6.2.1. MATERIALES El dispositivo experimental emplea los materiales siguientes:   Un tubo rígido y hueco



  Un pistón



  Una bocina o parlante



  Un dispositivo para reproducir el archivo WAV que tiene grabado



el sonido de un tono puro, en nuestro caso empleamos un celular.

6.2.2. PROCEDIMIENTO:

Se fija la bocina en el extremo del tubo, de igual modo se introduce el pistón hasta que tope con la bocina. El tubo se coloca en forma horizontal. El celular se conecta a la bocina y se reproduce el archivo.

 

Para obtener la posición de los nodos se hace el siguiente procedimiento. Ya que se está reproduciendo el archivo con la frecuencia elegida se va extrayendo el pistón pausadamente hasta donde se escuche un incremento en sonoridad, esta posición corresponde a la posición de un nodo. Se registra su posición. El interior es opaco y por tanto es complicado medir con exactitud las dimensiones de la cavidad, en realidad no es importante registrar exactamente la medida directa, se puede hacer por medios indirectos.

7. RESULTADOS La primera frecuencia corresponde a 1000 Hz, con una temperatura ambiental de 23 °C, sustituyendo estos valores en (3) se obtiene una velocidad teórica de 344.94 m/s. Los valores que se obtienen de la distancia ∆ ∆  se promediaron, en la Tabla I se

muestra los valores obtenidos.

Tabla I. Resultados obtenidos para una frecuencia de 1000 Hz. Valor experimenta experimentall (m/s) Valor teórico Diferencia  ()  0.174

348 348

(m/s)

porcentual (%)

345.1.8

0.93%

Como segunda parte del experimento se incrementó la frecuencia a un valor de 1500 Hz, se muestran los resultados obtenidos en la tabla número 2.

Tabla II. Resultados obtenidos para una frecuencia 1500 Hz. Valor obtenido en la cinta

Diferencia entre las

Valor obtenido en la cinta

métrica convertido a

variaciones de las

métrica (cm)

metros

distancias (Δx) en metros 

3.2

0.032

14.3

0.143

0.111

26.2

0.262

0.119

 

36.8

0.368

0.106

48.1

0.481

0.113

60.2

0.602

0.121

72.4

0.724

0.122

83.3

0.833

0.109

PROMEDIO

0.114428571

Promediando los valores de ∆ ∆ se obtiene un valor de 0.1144 metros, el cual al sustituir

en la ecuación (5) se encuentra el valor de la velocidad del sonido expresado en la siguiente tabla:

Tabla III. Obtención de la velocidad del sonido con frecuencia de 1500Hz. Δx 

FRECUENCIA

VELOCIDAD

0.11442857

1500

343.2857143

 Ahora se consideró una frecuencia menor que las anteriores, para tener más información respecto al comportamiento del experimento, la frecuencia elegida fue de 750 Hz, en la Tabla IV se expresan los resultado resultados. s.

Tabla IV. Resultados obtenidos para una frecuencia de 750 Hz.  () 

Valor experimental (m/s)

0.229

343.5

Valor teórico

Diferencia

(m/s)

porcentual (%)

344.8

0.38%

RESULTADOS OBTENIDOS AL TRABAJAR A DISTINTAS TEMPERATURAS El experimento se repitió a diferentes temperaturas para mostrar su efectividad, en la Tabla IV se detallan los valores obtenidos.

Tabla IV. Resultados obtenidos para una frecuencia 1000 Hz. FRECUENCIA 1000

Temperatura °C

Valor

Valor

Diferencia

experimental teórico porcentual (m/s)

(m/s)

(%)

0.171

18

342

341.8

0.06

0.175 0.174

22 24

350 348

344.2 345.4

1.69 0.75

 

  8. CONCLUSIONES 8.1.

 

El trabajo de investigación tuvo éxito en la obtención de datos gracias a que contamos con smartphone convirtiéndolo en una herramienta esencial para el experimen experimento. to. 

8.2.

Luego de realizar el experimento, el margen de error obtenido fue de 0.93% con una frecuencia 1000 Hz y con una temperatura ambiental de 23 °C

8.3.

Se puede concluir que la velocidad del sonido varia debido a la temperatura del ambiente y el medio en el que estamos.

8.4.

La velocidad de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera.

8.5.

El sonido es una onda mecánica y longitudinal y que como tal onda mecánica necesita un medio para propagarse, donde en nuestro experimento es el aire.

 

9. BIBLIOGRAFÍA

[1] M. Merino de la Vega, «Estudio de Ondas Sonoras y Audiometrias en entorno IOS,» España , 2016. [2] R. Barzanallana y A. Estevez , «Cómo medir la velocidad del sonido en el aire con un 'smartphone',» Blasting News España, 2015. [3] D. M M.. Arce Ciqueñas, «Silenciador regulable con control inalambrico,» 2014. [4] L. R. Licla Tomayro, «Evaluación y percepción social del ruido ambiental generado por el tránsito vehicular en Lima.,» Lima, 2016. [5] E. W. Machuca Pajuelo, «Ruido ambiental y perturbación en el entorno del Hospital “Cayetano Heredia” e Instituto Nacional de Salud Mental “Hideyo Noguchi” 2018,» Arequipa, 2018. 

[6] W. E. Colque Rondon, «Mapa de ruidos del distrito de cercado de Arequipa; locales de la Universidad Nacional de San Agustín,» Arequipa, 2017. [7] P. Tipler, Fí Física sica para la cien ciencia cia y la tecnologí tecnología., a., Barcelona Barcelona,, 2003. [8] U. o. Colorado., «PhET,» 23 07 2020. [En línea]. Available Available:: https://phet.colorado.edu/sims/html https://phet.colorado .edu/sims/html/bending-light /bending-light/latest/bending-li /latest/bending-light_es_PE.htm ght_es_PE.html.l. [9] M. Merino de la Vega, «Estudio de las Ondas Sonoras y Audiometrias en entorno IOS,» España, 2016. [10] E. . W. Machuca Pajuelo, «Ruido ambiental y perturbación en el entorno del Hospital “Cayetano Heredia” e Instituto Nacional de Salud Mental,» Lima, 2018.