CHAMPIONS FÍSICA LOCAL

Transcripción

1 TUBO DE RUBENS Título del trabajo CHAMPIONS Pseudónimo de integrantes FÍSICA Área LOCAL Categoría INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL Modalidad Folio de Inscripción 1

2 TUBO DE RUBENS Resumen. En este proyecto vamos a reproducir el experimento del tubo de Rubens, creado por Heinrich Rubens; dicho instrumento sirve para representar las ondas sonoras y las diferentes intensidades que estás tienen. Con un tubo de 1 metro con 50 orificios separados por 2 centímetros entre cada uno y luego llenó de gas para después encenderlo y mostrar las diferentes intensidades de la música mediante las llamas. El sonido cuando viaja a través del aire genera diferencias de presión. El tubo de Rubens es un aparato que nos muestra estas variaciones de presión en forma de onda transversal, visualizándolas a través del gas propano. El gas tiene zonas en que la onda es más larga ya que recibe presión de la onda y otras, zonas donde la onda no presiona y apenas se ve la llama. Estas llamas nos dibujan la longitud y la frecuencia de la onda. Este experimento consiste en colocar de un extremo el gas y del otro el sonido que se desea transmitir por medio de una bocina, el medio de propagación es el mismo gas, en el cual, las ondas ejercerán presión para que la llama salga a través de los orificios del tubo y así darnos una representación gráfica de fuego de la pieza musical a reproducir; en este caso, la música será totalmente con canciones que van a ser pregrabadas. Queremos tener una representación visual y auditiva de música en vivo y de una grabación, con la finalidad de ver la forma de onda al interaccionar la presión del gas y la presión del sonido. 2

3 Introducción En este proyecto pretendemos hacer interaccionar la presión de un gas con la presión que ejerce el sonido dentro de un tubo metálico y observar la forma de onda que genera diferentes canciones. Para esto necesitamos primero ver como es la forma de onda de una canción en un reproductor y después con un violín y una guitarra, de esta forma será posible tener un marco de referencia diferente al que siempre usamos: nuestros oídos, pero ahora con la combustión de un gas el efecto será visual y dese luego se formaran ondas estacionarias al rebotar el sonido en uno de los extremos. Marco Teórico. John Le Conte en 1858 descubrió que las llamas eran sensibles al sonido. En 1862 Rudolph Koenig demostró que la altura de una llama podría verse afectada por la transmisión de sonido en el suministro de gas, y el cambio con el tiempo podría ser mostrado con rotación de espejos. Kundt, en 1866, demostró con una acústica, ondas poniendo semillas de Lycopodium o polvo de corcho en un tubo. Cuando el sonido se presentó en el tubo, el material del interior alineado en nodos antinodos y en consonancia con la oscilación de la ola, crearon una ola de pie. Más tarde, en ese mismo siglo, demostraron que las pequeñas llamas podrían utilizarse como indicadores de presión. 3

4 Por último, en 1904, usando estos dos importantes descubrimientos, Heinrich Rubens (cuyo nombre toma esta experiencia) utilizó un tubo de 4 metros de largo perforado con 200 pequeños agujeros en él, con intervalos de 2 centímetros, completándolo con un gas inflamable (Propano). Después de encender el gas (cuyas llamas se elevaron a la misma altura de los presentes), señaló que un sonido producido en un extremo del tubo puede crear una ola de Pie, lo que equivale a la longitud de onda del sonido que se está realizando. El tubo de Rubens es una demostración de la formación de ondas estacionarias. Constituye una variante del tubo de Kundt. Una onda estacionaria se forma por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza, con la misma amplitud y frecuencia, que avanzan en sentido opuesto a través de un medio. Principios físicos que ilustra: Ondas Mecánicas. Superposición de ondas. Ondas estacionarias. Nodos y valles. El sonido cuando viaja a través del aire genera diferencias de presión. El tubo de Rubens nos muestra estas variaciones de presión en forma de onda transversal, visualizándolas a través del gas butano que se hace circular a través de él. El gas tiene zonas en las que la onda es 4

5 más larga, ya que recibe presión de la onda, y otras zonas donde la onda no presiona y apenas se ve la llama. De este modo el gas reproduce el patrón de la onda estacionaria con sus nodos (puntos de amplitud mínima) y vientres (puntos de amplitud máxima). Una longitud de tubo está perforado a lo largo de la parte superior y cerrado en ambos extremos un sello se adjunta a un pequeño altavoz o generador de frecuencia, el otro a un suministro de un gas inflamable (tanque de propano). El tubo se llena con el gas, y el gas que se escapa de las perforaciones está encendido. Si se utiliza una frecuencia constante adecuado, una onda estacionaria puede formar dentro del tubo. Cuando el altavoz está activado, la onda estacionaria creará puntos con presión oscilante y con puntos de presión constante (nodos de presión) a lo largo del tubo (superior e inferior). Donde hay presión oscilante debido a las ondas sonoras, menos gas se escapa de las perforaciones en el tubo, y las llamas será menor en esos puntos. En los nodos de presión, las llamas son más altas. Al final de la velocidad molécula de gas del tubo es igual a cero y la presión oscilante es máxima, por lo tanto se observó llamas bajas. Es posible determinar la longitud de onda de la llama mínimos y máximos simplemente midiendo con una regla. Dado que el promedio de tiempo de la presión es igual en todos los puntos del tubo, no es fácil de explicar las diferentes alturas de llama. La altura de la llama es proporcional al flujo de gas. Basándose en el principio de Bernoulli, el flujo de gas es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presión entre el interior y el exterior del tubo. Esto se muestra en la figura de un tubo de pie sin onda de sonido. Basándose en este argumento, la altura de la llama depende no linealmente de la presión local, en función del tiempo. 5

6 El sonido cuando se propaga a través del aire genera diferencias de presión; el sonido consiste en un movimiento ondulatorio producido en un medio elástico por una fuente de vibración. La onda es mecánica de tipo longitudinal cuando el medio elástico en que se propaga el sonido es el aire y se regenera por variaciones de la presión atmosférica por, sobre y bajo el valor normal, originadas por la fuente de vibración. La velocidad de propagación del sonido es de 331mts por segundo a 0 C variando 0,65mts por segundo por cada grado centígrado que se incremente en la temperatura ambiente. Acústica: Parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con el sonido. 6

7 Onda: Es una perturbación que se propaga y transmite solamente movimiento y energía sin la necesidad de transmitir masa y partículas. Tiene cuatro elementos: cresta, valle, amplitud y longitud de onda. Onda sonora: Onda longitudinal que se produce por hacer vibrar los cuerpos y es captada por el oído. Sonido: Onda longitudinal que se puede transmitir en medios gaseosos, líquidos y sólidos; tiene tres cualidades: intensidad (energía de vibración), tono (agudo/grave) y timbre (diferencia a sonidos del mismo). Onda estacionaria: se forma por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda (o frecuencia) que avanzan en sentido opuesto a través de un medio. Frecuencia: Número de oscilaciones que se dan por unidad de tiempo en cualquier movimiento periódico. Gas: Estado de agregación de la materia en la que las fuerzas intermoleculares son demasiado débiles. Hertz: Unidad de medida de frecuencia en el sistema internacional de unidades (SI), equivale al número de oscilaciones que se producen durante 1 segundo en un movimiento periódico. Onda transversal: Onda en la cual la dirección de oscilación de las partículas del medio es perpendicular a la dirección de propagación de la misma. 7

8 Presión: Es la fuerza aplicada sobre alguna superficie o área, de tal manera que ambos son perpendiculares. Objetivos. Dar a conocer las ondas producidas por un sonido. Estudiar a fondo las características del sonido. Crear un aparato con el cual podremos representar las ondas producidas por sonidos musicales. Problema: Diseñar un sistema funcional que pueda representar las ondas producidas por un sonido musical. Dicho aparato debe de ejemplificar gráficamente las ondas mediante llamas generadas por el gas propano. 8

9 Desarrollo Una vez realizada la investigación y con la información necesario, procedemos a describir el desarrollo realizado para crear dicho aparato. El montaje de esta experiencia es sencillo. Se requieren elementos de fácil adquisición, la mayor parte del trabajo será realizado por nuestras propias manos. Materiales: - Tubo de latón de 1 metro. - 2 placas de latón. - 1 broca de 3/16. 9

10 - 1 bocina con amplificador. - 1 pedazo de mylar. - 1 o-ring. - 2 tubos de cobre. - Soldadura (estaño). - 4 metros de manguera para gas. - Una conexión tipo T. - Abrazaderas. - Gas propano. El dispositivo experimental consta de un tubo de cobre de longitud 100 cm y diámetro exterior 1.45 cm. La distancia entre los orificios es de 2 cm. Acoplado en su extremo se ha colocado un altavoz circular de potencia 0.5 W. El altavoz es alimentado por un oscilador. El tubo está conectado por ambos extremos a una bombona de gas butano. Se conecta el oscilador a la frecuencia adecuada y el gas que se hace circular por el tubo, al inflamarse, reproduce el patrón de ondas estacionarias en el que se observan los nodos y vientres. Resultados El tubo se divide en 2 partes: agudo y grave (no por ser agudo ni grave se determinará si sale más grande o chica la llama, todo depende de la misma música). El fuego musical funciona como una especie de visualizador de la longitud de ondas que transporta el sonido. 10

11 Análisis e interpretación de los resultados El experimento resultó interesante calibra la amplitud del sonido con respecto a la presión del gas LP, sin embargo, después de varias pruebas, se lograron detectar las ondas estacionarias a través de las flamas. A través de los orificios pudieron pasar sin problemas las llamas y existen diferentes ondas estacionarias a lo largo del tubo metálico. Las canciones tocadas presentaron diferentes formas de onda en las llamas las notas agudas se notaban más que en las graves, se midieron con un dispositivo electrónico y se capturaron los siguientes valores una vez que fueron afinados. Al analizar la forma de onda de las flamas se determino que el movimiento interno de la densidad de las moléculas del gas debe dar origen a una onda estacionaria, pues son impulsadas por el sonido rebotan e interactúan entre sí durante el sonido, de tal manera que logramos encontrar una representación visual y que representativa de forma análoga como la que se producen en un dispositivo sencillo con un resorte y un perturbador realizado por nosotros, dando origen a una onda estacionaria. 11

12 Procedimiento -Con la ayuda de un tornero realizar las perforaciones en él, y realizar las perforaciones dejando 1 cm de separación entre cada hoyo (el hoyo debe ser de aproximadamente 1/16 pulgadas). -Conectar el regulador de presión a la garrafa. -Con la ayuda de una abrazadera conectar la manguera al regulador de presión y posteriormente conectar el otro extremo de la manguera a un niple y sujetarlo con la ayuda de otra abrazadera. -Con la ayuda de un reductor, al unir el niple (que este ya estará unido con todo el sistema mencionada anteriormente es decir la manguera y el gas) al tubo y asegurarlo bien con tal de que no exista ninguna fuga de gas. -Al otro extremo del tubo, al extremo abierto, deberá colocarse la membrana de látex en este caso un guante de látex, que actuará como membrana oscilatoria y transmitirá las vibraciones al interior del tubo. Existe el riesgo de que, durante el funcionamiento, el tubo metálico se caliente al punto de dañar el guante, resultando esto en un posterior escape de gas y el consiguiente peligro que esto acarrearía. Para que ello no suceda, se debe pegar con la cinta aislante una tira de junta aislante (pedazo de neumático) en torno al extremo abierto, de manera que el globo no entre en contacto directo con el tubo. Luego se fijará el globo a este extremo mediante la abrazadera, por sobre el aislante. No debe haber partes del globo en contacto con el metal. -Se abrirá muy lentamente la garrafa (teniendo en cuenta que el gas en su interior se encuentra a alta presión y que muy poca apertura es suficiente para lograr el efecto deseado), y se encenderá el gas que escapa por los orificios del tubo. 12

13 Luego, una vez que se encendieron todas las perforaciones y las llamas han alcanzado una altura uniforme, se emitirán sonidos desde el altavoz a través del programa generador de tonos. Manipulando la llave de salida de la garrafa y el volumen Frente al extremo que tiene el globo, se colocará el altavoz conectado a la PC. Se puede utilizar aquí un parlante pequeño de PC que ya incluya un amplificador de sonido. El altavoz deberá estar muy próximo al globo, si es posible estableciendo un ligero en contacto con él. Observaciones. En el experimento mostrado se pudo resaltar el comportamiento de las llamas de fuego encendidas con gas licuado las cuales eran oscilantes dependiendo del sonido que producía el parlante, observando así cambios bruscos y repentinos dependiendo el sonido que se genere en el extremo del tubo de Rubens. 13

14 Las ondas longitudinales que se producen a lo largo del tubo generan el movimiento de las llamas de gas. La experiencia no debe realizarse en lugares cerrados y ni en los que existan corrientes de aire. El tubo debe colocarse en posición perfectamente horizontal para que el gas se distribuya uniformemente. El dispositivo no debe permanecer encendido demasiado tiempo, pues debido a la alta conductividad del cobre el altavoz podría dañarse. Conclusiones. Las ondas longitudinales que se propagan a lo largo del tubo, se reflejan en sus extremos de forma análoga como se observa en una onda transversal con el resorte en sus extremos. La interferencia entre las ondas que se propagan en sentidos opuestos origina ondas estacionarias. Si la reflexión tiene lugar en un extremo cerrado necesariamente estos puntos serán los nodos, por lo que forzosamente los agujeros superiores del tubo funcionan como vientres de un instrumento musical. 14

15 Existen compresiones y expansiones del aire, en este caso se pueden observar a través del gas contenido en el tubo y en las intensidades de la flama.las variaciones de la presión del gas son máximas en los nodos, por lo que la densidad de las moléculas del gas van cambiando en cada instante en que la presión en los nodos en máxima o mínima y por esto vemos en la combustión los cambios en la intensidad de la flama. Estas compresiones fueron impulsadas por las ondas que hay en el interior del tubo, mientras que las expansiones dieron origen por la presión que aplica el gas sobre el sonido. Si usáramos un sonido de música con frecuencia constante y multiplicáramos por la longitud de onda, encontraríamos la velocidad de propagación, pero en nuestro caso la música abarca un rango de frecuencias de 20 Hz a Hz aproximadamente por eso vemos varios espectros a lo largo del tubo metálico. 15

16 Dónde puede aplicarse el tubo de Rubens? El tubo de Rubens puede tener distintas aplicaciones, una de ellas es en eventos musicales o conciertos musicales, también su aplicación puede ser en eventos importantes u otras cosas donde se desee tener un decorado especial para llamar la atención. También puede servir para analizar algunos sonidos generados en un parlante, así determinar su comportamiento. Bibliografía. _Wilhelm, H.W. (1958). Prácticas de Física, Barcelona: Editorial Labor. Cuarta Edición. -Enciclopedia INTERACTIVA DE LOS CONOCIMIENTOS Ediciones Oceano. Barcelona-España Sears, F. M.; Zemansky, M.W.; Young, H.D.; Freedman, R.A. (2009). Física Universitaria, Vol. 1, México D. F.: Pearson Educación. Decimosegunda Edición