Laboratorio de Fsica- Proyecto:

Tubo de Rubens

Integrantes: Cecilia Garcia Ruth Yanine Leguizamn Elas Martnez Eduardo Maldonado Luis Fernando Martnez Gastn Lobos

Carrera: Ingeniera Elctrica Materia: Fsica II Ao: 2014

Resumen

Antes de de iniciar con la elaboracin de este proyecto primero debemos enfocarnos en cmo funcionan las ondas y el sonido, Cmo es producido?, Como viaja a travs del medio? y Qu tipos de ondas sonoras existen?Todos conocemos que las bocinas del estreo del carro o de la computadora emiten sonido y podemos escuchar como retumban los vidrios por la vibracin del bajo. Pero cmo realmente funciona? O porque solo con los tonos bajos logramos que retumben los vidrios porque no con un tono agudo?En este breve resumen sobre el sonido estudiaremos las ondas sonoras enfocndonos a dar una pequea demostracin al final de cmo se pueden observar fsicamente con el tubo de Rubens.

Palabras Clave: Sonido, ondas sonoras, ondas estacionarias.

Abstract

Before starting with the development of this project we first must focus in waves and how sound works, how it is produced, how it travels through the medium? and what type of soundwaves exists? We all know that the car stereo speakers or computer output sound, we hear as rumble glasses for low vibration. But how does it really work? Or because only we get the low tones rumble glasses why not with a high pitch? In this brief summary of the sound study focusing sound waves to give a small demonstration at the end of how you can physically observe with the Rubens tube.Keywords: sound, sound waves, standing waves.

1. IntroduccinEl tubo de Rubens, tambin conocido como tubo de ondas de llamas estacionarias, o simplemente tubo de llamas, es un aparato de la fsica antigua para la demostracin de ondas estacionarias acsticas en un tubo. Inventado por el fsico alemn Heinrich Rubens en 1905, quien se inspiro en el conocido Tubo de Kundt, por lo tanto, el tubo de Rubens es bsicamente una variante del mencionado anteriormente tubo. Demuestra grficamente la relacin entre las ondas sonoras y la presin acstica, como un osciloscopio primitivo. Heinrich Rubens fue un fsico alemn nacido en 1865. A pesar de que supuestamente trabajaba con los mejores y recordados fsicos como Max Planck en la Universidad de Berln y en algunas de las bases para los fsicos cunticos, es mejor conocido por su tubo de llama, que se demuestra en 1905. El tubo de Rubens original era una seccin de cuatro metro de tubera con 200 agujeros espaciados uniformemente a lo largo de su longitud. Cuando los extremos son sellados y un gas inflamable se bombea hacia el dispositivo, la presin interior contar con una nica ruta. El escape de gas se enciende para formar una fila de llamas. Con la introduccin de un altavoz a uno de los extremos sellados, formas de onda estacionarias se pueden ver en las llamas. Dentro del tubo de Rubens, se vern tan pronto se encienden llamas generalmente uniformes. Esto es porque hay muy poca diferencia de presin entre una zona determinada del espacio interior del tubo. Una vez que el sonido se aplica desde un extremo, la presin cambiar dentro del tubo. Si el sonido es una frecuencia fcilmente medible, la longitud de onda ser visible en la serie de llamas, con las ms altas llamas que son donde se est produciendo la compresin y la ms baja, donde se est produciendo la rarefaccin. Dado que el tiempo promedio de la presin es igual en todos los puntos del tubo, no es fcil de explicar las diferentes alturas de la llama. La

altura de la llama es proporcional al flujo de gas. Basndose en el principio de Bernoulli, el flujo de gas es proporcional a la raz cuadrada de la diferencia de presin entre el interior y exterior del tubo. En base a este argumento, la altura de la llama depende no linealmente de la presin en funcin del tiempo local. El tiempo promedio de la corriente se reduce en los puntos con presin oscilante y por lo tanto las llamas son ms bajas. I. OndasUna onda sonora es una onda longitudinal que transmite lo que se asocia con sonido. Si se propaga en un medio elstico y continuo genera una variacin local de presin o densidad, que se transmite en forma de onda esfrica peridica o cuasiperidica. Mecnicamente las ondas sonoras son un tipo de onda elstica. Las variaciones de presin, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las molculas que lo forman. Cada molcula transmite la vibracin a las que se encuentren en su vecindad, provocando un movimiento en cadena. Esa propagacin del movimiento de las molculas del medio, producen en el odo humano una sensacin descrita como sonido. Con esta imagen tenemos una representacin de lo que es una onda y podemos observar que la cresta es la parte ms alta y el valle la ms baja.

La longitud de onda se mide de cresta a cresta, o tambin de valle a valle. Naturalmente la onda tiene una velocidad de propagacin que depende de la frecuencia y del medio por donde se propaga.

Una onda peridica es la repeticin del mismo pulso de onda en un cierto tiempo, lo que nos deja medir la distancia de longitud de onda representada por la letra griega lambda (). Si contamos con la frecuencia y lambda de esta onda podemos medir su velocidad en el medio en el que se est propagando por medio de la siguiente frmula: V= f.

1.2 Onda Mecnica

Las ondas son una trasferencia de energa de un punto a otro sin una transferencia fsica del material entre los puntos. Las ondas mecnicas necesitan una fuente y un medio elstico por donde propagarse como en el caso de lanzar una piedra al lago donde la piedra es la fuente y el agua es el medio por el cual viajan las ondas. Nos encontramos con 2 tipos de onda: Ondas transversales, son generadas por un movimiento perpendicular de la direccin de la onda lo que ocasiona que las partculas de materia se muevan de arriba abajo; ondas longitudinales, son generadas por un movimiento paralelo de la direccin de la onda lo que ocasiona que las partculas se compacten y se vuelvan a separar llevando as la onda a travs del sistema.

1.3 Ondas EstacionariasLas ondas estacionarias son aquellas ondas en las cuales, ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmviles.Una 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 travs de un medio. Se producen cuando interfieren dos movimientos ondulatorios con la misma frecuencia, amplitud pero con diferente sentido, a lo largo de una lnea con una diferencia de fase de media longitud de onda. Las ondas estacionarias permanecen confinadas en un espacio (cuerda, tubo con aire, membrana, etc.). La amplitud de la oscilacin para cada punto depende de su posicin, la frecuencia es la misma para todos y coincide con la de las ondas que interfieren. Tiene puntos que no vibran (nodos), que permanecen inmviles, estacionarios, mientras que otros (vientres o antinodos) lo hacen con una amplitud de vibracin mxima, igual al doble de la de las ondas que interfieren, y con una energa mxima. El nombre de onda estacionaria proviene de la aparente inmovilidad de los nodos. La distancia que separa dos nodos o dos antinodos consecutivos es media longitud de onda. Se puede considerar que las ondas estacionarias no son ondas de propagacin sino los distintos modos de vibracin de la cuerda, el tubo con aire, la membrana, etc. Para una cuerda, tubo, membrana,... determinados, slo hay ciertas frecuencias a las que se producen ondas estacionarias que se llaman frecuencias de resonancia. La ms baja se denomina frecuencia fundamental, y las dems son mltiplos enteros de ella (doble, triple,...).Una onda estacionaria se puede formar por la suma de una onda y su onda reflejada sobre un mismo eje. (X o Y) Cuando llega a una cresta consecutiva, habiendo recorrido un valle. Viceversa. Ondas sonoras estacionarias y modos normales

Cuando las ondas longitudinales (de sonido) se propagan en un fluido, como puede ser el aire y dentro de un tubo de longitud finita, la onda se refleja en los extremos del tubo lo que se estudia como ondas transversales y modos normales. Como ya vimos anteriormente que las ondas transversales son las partculas que se estn moviendo, mientras que las ondas longitudinales (del sonido) son variaciones de presin en el medio. Para no confundirnos ahora utilizaremos los siguientes trminos; nodo de desplazamiento donde las partculas no tienen desplazamiento y por lo tanto no hay variacin de presin, antinodo de desplazamiento donde las partculas tienen un mximo desplazamiento lo que ocasiona un aumento de presin en el medio. Esta teora que acabamos de leer la vamos a ejemplificar con nuestro experimento llamado tubo de Rubens, que demuestra la relacin entre ondas sonoras y la presin del sonido. Primeramente tenemos una bocina conectada a un amplificador y una fuente de sonido, esta nos dar las frecuencias necesaria para nuestro experimento. La bocina creara cambios de presin en el aire (onda longitudinal) que viajara hasta el extremo del tubo donde se encuentra la membrana.

La membrana va a empezar a vibrar a la misma frecuencia con que vibra la bocina y creara el mismo efecto de la bocina dentro del tubo originando cambios de presin que viajaran hasta el otro extremo donde chocaran y se devolvern, creando una onda estacionaria dentro del tubo a ciertas frecuencias.

1.2 Objetivos

1. Disear un dispositivo en donde se visualicen las ondas sonoras con la presin del sonido y la presin de un gas.

2. Estudiar ms a fondo el sonido (medios de propagacin, forma de la onda), as como ver las compresiones y expansiones del medio para propagarse el sonido (en este caso, a travs del gas) y de la acstica de cierta msica.3. Disear un dispositivo que nos permita ver una onda estacionaria, pues en el interior de nuestro experimento se produce una interferencia que da esa forma de onda al rebotar el sonido.

2. Procedimientos

2.1 Descripcin del aparato

Para la construccin del aparato, se utilizaron los siguientes materiales:

Tubo de acero galvanizado de 2,30 metros Parlante Tapa de Nylon para sellar un extremo del tubo y conectarlo al parlante Osciloscopio Una garrafa de gas propano (gas domestico) Conexiones para el gas (manguera, llave, etctera) Un globo de piata (membrana plstica) para sellar el extremo por el que se conecta el gas Pintura en aerosol para pintar el tubo Abrazaderas, tornillos, tefln, entre otros. Madera para la construccin de las bases del tubo

2.1.2 Montaje

Una vez que se cuenta con los materiales, en primer lugar se debe verificar que el tubo no posea perforaciones o picaduras debidas al oxido o a golpes. Si tales agujeros existieren se debern cerrar completamente mediante soldadura o adhesivo que tolere aumentos de temperatura. Una vez verificado y limpio el tubo, se le realiza (recurriendo a un tornero) una rosca en un extremo del tubo, en donde se colocara el tapn de nylon con el parlante, y en el otro extremo se realiza el sellado soldando una pieza de metal con un pequeo orificio en el centro para la colocacin de la conexin del gas. Aqu el trabajo de soldadura debe ser tal que las uniones queden perfectas e impidan as cualquier fuga de gas. En el siguiente paso, se proceder a marcar el tubo para efectuar las perforaciones a lo largo del mismo. Se har una lnea longitudinal, en la cual se marcarn los puntos donde luego se practicarn los agujeros con la perforadora. Estos puntos estarn distanciados unos de otros una distancia no mayor a 10 milmetros y no menor a 5 milmetros. Para lograr una mayor exactitud es preciso marcar con un punto centro los lugares a perforar. Se insiste aqu en la importancia de mantener equidistantes los agujeros; imperfecciones en este trabajo alterarn el resultado final.Si bien para efectuar las perforaciones en el tubo, para la salida del gas, puede emplearse un taladro comn, es mejor utilizar una perforadora de banco, ya que es muy importante que las perforaciones sean paralelas, y estn bien alineadas, para que luego las llamas sean idnticas y no distorsionen lo que se pretende mostrar.Se procede luego a perforar cuidadosamente para no romper la mecha partiendo desde el medio hacia los extremos, de manera que en su conjunto las perforaciones queden centradas en el tubo. No se debe llegar con los agujeros hasta los extremos, dejando aproximadamente 25 a 30 centmetros en ambos extremos de tubo sin perforar.En el extremo opuesto al que tiene el ingreso del gas, el extremo abierto, deber colocarse el globo o piata, como se muestra en la Figura, que actuar como membrana oscilatoria y transmitir las vibraciones al interior del tubo.

Se proceder luego a colocar la tapa de nylon (anteriormente llevada al tornero para que sea hecha la rosca y el orificio del parlante) en el extremo del globo, para evitar la ruptura del mismo se colocar vaselina para que de esta forma la superficie resbale al ser enroscada. En el otro extremo ser colocada la conexin del gas, junto con cinta teflonada para evitar as cualquier fuga. Una vez hechos estos pasos, se realizara una prueba con aire comprimido, para que de esta manera se asegure cualquier prdida que pueda tener, lo cual es imperiosamente necesario que NO ocurra. Una vez que se haya cerciorado de que el tubo es completamente seguro, se procede a pintarlo con pintura en aerosol especial para altas temperaturas, cuidando de que la pintura no tapone los orificios de la parte superior del tubo, siendo colocada cinta adhesiva para evitar esto. Luego solo queda la construccin de las bases de madera para el tubo, lo cual se realiza cortando dos bases cuadradas, y dos tablas cuadradas en un extremo y en el otro extremo redondas con el dimetro de nuestro tubo, unindolas luego con ngulos y tornillos para as evitar cualquier movimiento de las mismas.

2.2 Mtodo Experimental

2.2.1 Anlisis de Riesgo- Mtodo de Seguridad

Al ser este un proyecto con un cierto grado de peligrosidad por utilizarse gas y fuego, antes de utilizar el tubo debemos tener en cuenta los siguientes pasos:

I. Asegurar que el tubo no tenga fugasII. Revisin de la llave de paso del gas por el tanqueIII. Poseer buena ventilacin de aireIV. Las personas que no integren el grupo de proyecto se debern mantener a una distancia mnima de 5 metros.V. Una persona dl grupo deber manipular la llave de paso del gasVI. Otro integrante se encargara del uso del potencimetroVII. Dos integrantes debern estar colocados en ambos extremos del tubo con extintores.

2.2.2 Procedimiento

1. Colocamos el tubo de Rubens en su lugar.2. Al globo le cortamos la punta para poder estirarlo y colocarlo en el extremo abierto del tubo.3. Abrimos el tanque de gas, continuamos a abrir la vlvula de gas que se encuentra conectada al tubo, con un encendedor o cerillo lo colocamos a un lado de los orificios y esperamos a que el gas salga y se prendan los orificios con una llama. Hay que tener en cuenta que debemos realizar el experimento en un lugar abierto pero que el viento no interfiera.4. Regulamos la llama para que no sea ni muy fuerte pero tampoco demasiado pequea y que se vaya a apagar.5. Colocamos la bocina al extremo del tubo con el globo y la bocina al potencimetro o sistema de sonido.6. Abrimos el tanque de gas y regulamos la entrada de este esperando unos 15 o 30 segundos a que el tubo se llene de gas y as lo podamos prender con un encendedor.7. Con las formulas de velocidad de onda y onda estacionaria dentro del tubo vamos a buscar cual debera de ser la frecuencia necesaria para formar ondas estacionarias dentro de nuestro experimento tomando la velocidad del sonido y hacemos una tabla.9. Mientras ponemos las frecuencias en el potencimetro debemos regular el volumen de la bocina y la entrada de gas al tubo para poder aprecias mejor las crestas de las ondas.10. Medimos con una regla longitud entre cresta y cresta, tomamos nota y utilizamos las formulas necesaria. Ahora para obtener mediante el experimento la velocidad del sonido nosotros mismos (hacemos otra tabla).

3. Resultados

4. Conclusin

Referencias

http://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Kundt

http://www.taringa.net/posts/videos/2173072/El-sonido-se-manifiesta-a-traves-delfuego.html

http://www.textoscientificos.com/fisica/ondas

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_estacionaria

Fsica Universitaria- Sears y Zemansky

https://www.youtube.com/watch?v=hip-4KF6z4o