Relatório Física Prática 07

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PRÁTICA 7
VELOCIDADE DO SOM
ALUNO: GLAUBER JANSEN DE SOUSA ESMERALDO
MATRÍCULA: 384967
TURMA: 04A
PROFESSORA: Nathália
DISCIPLINA: FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA
FORTALEZA-CEARÁ
Setembro/2016
PRÁTICA 07: VELOCIDADE DO SOM
Relatório da disciplina de Física Experimental
para engenharia do Curso de Engenharia Civil
da Universidade Federal do Ceará.
FORTALEZA
2016
Lista de ilustrações
Figura 1 Classificação da onda	6
Figura 2 Exemplo de uma frequência natural de uma ponte	7
Figura 3 Exemplo de frequência de um vento	7
Figura 4 Resultado da ressonância entre as frequências da ponte e do vento	8
Figura 5 Onda estacionária no cano	8
Figura 6 Posições onde ocorrem ressonâncias.	9
Lista de Tabelas
Tabela 1 Medidas realizadas pelo estudante 1	11
Tabela 2 Medidas realizadas pelo estudante 2	11
Tabela 3 Medidas realizadas pelo estudante 3	11
Tabela 4 Medidas individuais e valores médios	11
Introdução
Segundo o dicionário Mini Aurélio Escolar, o significado de onda é – Perturbação periódica mediante a qual pode haver transporte de energia de um ponto a outra. Ou seja, onda nada mais é que perturbações que se propagam no espaço ou em meios materiais transportando energia. Na ondulatória essas perturbações podem ser classificadas de diversas maneiras, segundo sua natureza, direção de vibração e direção de propagação.
Conforme sua natureza as ondas são classificadas em:
Ondas Mecânicas: são ondas que precisam de um meio material para conseguir se propagar, ou seja, não são capazes de se propagar no vácuo.
Ondas Eletromagnéticas: são ondas que não necessitam de um meio material para se propagar. Alguns exemplos são as ondas de rádio, de radar, os raios x e as micro-ondas.
Quanto a direção de propagação as ondas são classificadas como:
Unidimensionais: que se propagam em apenas uma direção;
Bidimensionais: são aquelas que se propagam por uma superfície;
Tridimensionais: são capazes de se propagar em todas as dimensões;
Quanto à direção da vibração as ondas podem ser classificadas como:
Transversais: são as que são causadas por vibrações perpendiculares à propagação da onda, como, por exemplo, em uma corda:
Figura 1 Classificação da onda
Longitudinais: são ondas causadas por vibrações com mesma direção da propagação, como as ondas sonoras.
Todo sistema físico possui uma ou mais frequências naturais, que são, frequências em que sua vibração se efetua com maior facilidade. Muitas vezes tais sistemas estão a mercê de excitações periódicas, como por exemplo a ação do vento em um prédio ou em uma ponte, quando acorrem essas excitações acontece um fenômeno de superposição de ondas que modifica a energia do sistema, alterando assim, sua amplitude.
Se a frequência natural de oscilação do sistema e as excitações sobre ele estiverem sob a mesma frequência, a energia do sistema será aumentada, fazendo com que vibre com amplitudes cada vez maiores. Fenômeno conhecido como ressonância.
Imagine que uma ponte foi construída e apresenta uma frequência natural como mostrado na Figura 2, ao ser excitada por uma ventania, com frequência mostrada na Figura 3, suas frequências vão entrar em ressonância resultando em uma frequência com amplitude muito maior (Figura 4).
Figura 2 Exemplo de uma frequência natural de uma ponte
Figura 3 Exemplo de frequência de um vento
Figura 4 Resultado da ressonância entre as frequências da ponte e do vento
Se a ponte não tiver uma resistência que suporte a amplitude do movimento, esta sofrerá danos podendo até ser destruída. E isso é o que tira o sono dos engenheiros, pois os mesmos devem prever todos os tipos de forças que podem atuar sobre aquela edificação, para assim calcular a resistência necessária que aquela estrutura deve ter.
Podemos calcular a velocidade do som no ar por meio do fenômeno de ressonância. Para calcular a velocidade do som faz-se varia o comprimento de uma coluna de ar dentro de um tubo, faremos isso com ajudar de um êmbolo e de um cano de PVC. 
Ao produzir uma onda sonora na abertura do cano com auxílio de um diapasão e ao mesmo tempo fazendo variar o comprimento da coluna de ar, chega um momento em que a coluna de ar entra em ressonância, aumentando o som produzido. O som que penetra no cano e os que são refletidos pela superfície do êmbolo produzem uma onda estacionária (Figura 5), com a formação de nós e ventres.
Figura 5 Onda estacionária no cano
Se partimos com o êmbolo na boca do cano e formos distanciando o comprimento da coluna de ar, nota-se que que o som chega na altura máxima quando o êmbolo atingi uma distância h1 (Figura 6), a onda estacionária apresenta um nó no êmbolo e um ventre no início do cano.Figura 6 Posições onde ocorrem ressonâncias.
Ao continuarmos puxando o êmbolo chegaremos em um momento em que o som máximo é repetido, isso acontece quando êmbolo atinge uma distância h2. Neste caso, a onda estacionária apresenta um nó na superfície do êmbolo (em h2) e outro nó a uma distância h1 da boca do cano. Como a distância entre dois nós consecutivos é meio do comprimento de onda, temos:
Como o comprimento de onda é:
Substituindo na primeira equação e isolando a velocidade chegamos a:
Objetivo
Determinação da velocidade do som no ar com uma aplicação de ressonância.
Ver a importância do estudo ressonância na construção civil, principalmente na construção de pontes, para evitar esse fenômeno.
Material
Cano de PVC com êmbolo;
Diapasão de frequência conhecida;
Martelo de borracha;
Termômetro digital;
Paquímetro;
Trena.
Pré-Laboratório
Na extremidade do tubo aberto da figura é colocado um diapasão que emite um som puro (frequência 1600 Hz). Abrindo-se a torneira, a água escoa lentamente, sendo que para certos valores de h ocorre um aumento da intensidade sonora que sai do tubo. Alguns desses valores de h, iniciando pelo menor valor, são: 5 cm, 15 cm e 25 cm. Determinar:
O comprimento da onda do som emitido pelo diapasão.
A velocidade desse som no ar.
Procedimento
Anote a frequência do diapasão: f = 440 Hz
Golpeie o diapasão com o martelo de borracha e coloque-o vibrando próximo da boca do cano de PVC, como mostra a figura 4.
Mantendo o diapasão vibrando na boca do cano, movimente o êmbolo de modo a aumentar o comprimento da coluna de ar do cano. Fique atento à intensidade sonora. Quando a intensidade atingir um máximo meço o comprimento h1 (meça diretamente a cavidade dentro do cano). Repita o procedimento de modo a obter h2 e h3.
Tabela 1 Medidas realizadas pelo estudante 1
	H1 (cm)
	H2 (cm)
	H3 (cm)
	16,8
	57,8
	96,5
Fazendo um rodízio nas atividades de cada estudante para permitir medidas independentes, repita o procedimento anterior de modo a obter mais dois conjuntos de dados.
Tabela 2 Medidas realizadas pelo estudante 2
	H1 (cm)
	H2 (cm)
	H3 (cm)
	17
	56,5
	97,2
Tabela 3 Medidas realizadas pelo estudante 3
	H1 (cm)
	H2 (cm)
	H3 (cm)
	17,6
	56,5
	95,9
Anote na Tabela 1.4 as medidas obtidas independentemente e tira a média
Tabela 4 Medidas individuais e valores médios
	
	Estudante 1
	Estudante 2
	Estudante 3
	Média (cm)
	H1(cm)
	16,8
	17
	17,6
	17,1
	H2(cm)
	57,8
	56,5
	56,5
	56,9
	H3(cm)
	96,5
	97,2
	95,9
	96,5
Anote a temperatura ambiente: Ta = 21,5 ºC
Meça o comprimento máximo que a coluna de ar pode ter no cano utilizado: Hmax = 110 cm 
Meça, com um paquímetro, o diâmetro interno do cano: dint = 49 m
Questionário
Determine a velocidade do som:
	
	V (m/s)
	A partir de h1 (médio) sem considerara “correção de extremidade”
	
	A partir de h1 (médio) considerando a “correçãode extremidade”
	
	A partir dos valores médios de h1 e h2
	
	A partir dos valores médios de h2 e h3
	
Determine a velocidade do som pela média dos três últimos valores da questão 1.
Calcule a velocidade teórica do som no ar, utilizando a equação termodinâmica:
Onde T é a temperatura ambiente, em graus Celsius. ( A velocidade do som no ar a 0 ºC é 331 m/s. Para cada grau centígrado acima de 0 ºC, a velocidade do som aumenta 2/3 m/s).
Calcule o erro percentual entre o valor da velocidade de propagação do som no ar obtido experimentalmente (questão 2) e o calculado teoricamente (questão 3).
Quais as causas prováveis dos erros cometidos na determinação experimental da velocidade do som nesta prática?
Os erros cometidos podem ter sido gerados pela falta de precisão na hora de escutar a intensidade máxima do som, pois tinha muitos ruídos presentes na sala, assim como também o fato de terem outros grupos realizando a mesma prática. Outro possível motivo é a variação de temperatura durante a realização do experimento.
Será possível obterem-se novos máximos de intensidade sonora, além dos três observadores, para outros comprimentos da coluna de ar dentro do cano? Raciocine ou experimente. Justifique.
Para a frequência de 440 Hz não haverá outro ponto em que a intensidade seja máxima pois necessitaria de um cano com comprimento maior. 
A velocidade do som no ar a 30 ºC é 351 m/s. Qual a velocidade do som no ar a essa temperatura em km/h?
Quais seriam os valores de h1, h2 e h3 se o diapasão tivesse frequência de 660 Hz? (não considerar a correção de extremidade)
Conclusão
Com a realização da prática foi possível calcular a velocidade com que o som se propagava no ar mensurando a distância entre pontos onde ocorriam valores de máximos sonoros. A prática de forma geral foi bastante interessante. Foi possível observar e entender melhor o fenômeno de ressonância que é muito importante para os engenheiros, tendo em vista que os mesmos devem sempre levar em consideração tal fenômeno, pois a muitos casos em que estruturas podem entrar em ressonância, como por exemplo, com o vento, resultando em uma grande perturbação na estrutura, que caso não tenha uma resistência necessária para aguentar tal perturbação pode vim a ceder. 
O experimento se mostrou bastante eficiente, podendo ser usado para fazer boas estimativas, o pequeno erro percentual comprava isso. Mesmo com todos os possíveis problemas experimentais, como os ruídos na sala, falta de precisão na hora de escutar a intensidade máxima do som e variação de temperatura durante a realização do experimento, é possível chegar em resultado confiável.
Bibliografia 
[1] Roteiro de Aulas Práticas de Física (Data de acesso: 09/09/16 às 14:10)
[2] http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm (Data de acesso: 09/09/16 às 14:10)
[3] http://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Ondas/ressonancia.php (Data de acesso: 09/09/16 às 14:30)
[4] https://pt.wikipedia.org/wiki/Velocidade_do_som (Data de acesso: 09/09/16 às 14:40)
[5] http://www.infoescola.com/fisica/velocidade-do-som/ (Data de acesso: 10/09/16 às 08:10)
[6] http://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-velocidade-som.htm (Data de acesso: 10/09/16 às 08:40)
[7] Dicionário Mini Aurélio Século XXI Escolar (Data de acesso: 10/09/16 às 10:08)